Q235鋼表面CMT電弧熔覆鎳基合金復合板的組織與性能研究

禹 東，劉奮成，高 健，高興昊，熊 劍

（1. 南昌航空大學 輕合金加工科學與技術國防重點學科實驗室，南昌 330063；2. 江西恒大高新技術股份有限公司，南昌 330096）

前 言

Q235鋼是一種普通碳素結構鋼，具有較好的塑性、焊接性和可加工性，多用于建筑鋼材和工程結構件，由于服役條件惡劣，容易在使用過程中發生腐蝕、疲勞、磨損等多種時效行為[1]，在實際應用過程中常采用表面技術在Q235鋼表面熔覆一層高強合金，不僅可以提高表面的耐蝕性、耐磨性和強度，還可以延長使用壽命，節省材料[2-3]。鎳基合金作為一種耐腐蝕、高強度性材料，是目前生產應用首選的合金涂層之一。GH4169高溫合金是一種Nb強化的沉淀硬化型鎳基高溫合金。在?253 ℃~650 ℃溫度范圍內具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能良好，并且焊接性能優良，常被運用于石油工業和擠壓模具中等行業中[4~5]，Q235鋼表面熔覆GH4169高溫合金有望獲得理想的復合板材，提升材料的使用壽命。

在眾多表面改性技術中，電弧表面熔覆方法具有熔覆金屬厚度大，與基體為冶金結合，不易脫落，熔覆質量高的優點。相關實驗表明，冷金屬過渡（Cold Metal Transfer，CMT）熔覆技術相較于激光熔覆技術[6]、氬弧熔覆[7]、等離子熔覆[8]等具有生產效率高、熔覆工藝成本低且涂層結合強度高、操作簡單等優點。CMT技術是一種新的熔化極氣體保護焊方法[9]，將熔滴過渡和焊絲回抽相結合，從而實現焊接過程中冷熱交替，無飛濺產生。其次，CMT的熱輸入較低，熔深小，融合比小，對基材的影響小，可以得到一條平直熔合線，最大限度減小對基材的影響。本文采用CMT焊接技術在Q235鋼表面熔覆GH4169鎳基高溫合金制備復合板的方法提高低碳鋼Q235的強度和耐沖擊性能，并對其組織與力學性能進行研究。

1 實驗材料與方法

試驗采用Q235鋼為基材，尺寸為100 mm×100 mm×20 mm。熔覆焊絲選用直徑為1.2 mm的GH4169焊絲。本實驗采用的GH4169焊絲化學成分如表1所示。實驗復合板成形設備采用Fronius CMT Transpulse Synerigic 2700焊機。該設備由焊機、機械臂和工作臺3個部分組成，利用機械臂實現全自動焊接。熔覆過程中，機械臂動作嚴格按照先前輸入的機器人匯編語言執行。

表1 GH4169焊絲的化學成分(質量分數 /%)

熔覆前將基材表面用粗砂紙打磨，除去表面雜質和氧化物，使其露出金屬光澤。Q235基材表面CMT熔覆GH4169合金為異種金屬連接，熔合效果較差，因而使用BGG-3.6-4型450X600電熱板，將Q235基材加熱到200 ℃并保溫2 h，提升GH4169合金在Q235板上的潤濕性。待Q235基材充分預熱之后，再進行熔覆。兩層熔覆路徑呈十字交叉，同一層內相鄰兩道方向相反，直到整個熔覆面填滿GH4169合金，采用這種行走路徑能夠有效避免起弧點和收弧點產生高度差導致成形面不平整的現象（圖1）。

圖1 熔覆成形路徑示意圖

CMT熔覆采用的主要工藝參數為：第一層施焊電流為370 A，第二層施焊電流270 A；焊絲干伸長度為14 mm，焊接速度為4.8 mm/s，送絲速度為4.2 m/min，搭接率選擇50%。層間冷卻時間為20 s。保護氣體為99.99%的氬氣，焊接保護氣體流量為10 L/min，箱內保護氣體流量為3 L/min。得到熔覆試樣。經過電火花線切割，去掉多余熔覆金屬和基材之后，得到V型缺口深2 mm，角度為45° ± 2°，如圖2a所示的標準沖擊試樣，夏比沖擊試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm。其上半部分為GH4169熔覆層，厚度為6 mm，其余為Q235基材，基材厚度為4 mm。

圖2 夏比沖擊標準試樣

對沖擊試樣進行組織分析和性能測試。性能測試主要包括維氏硬度測試和夏比沖擊測試。試樣經金相打磨拋光之后，分為兩組，每組3個試樣。第一組試樣分別采用王水和FeCl3溶液對GH4169高溫合金和Q235基材進行腐蝕，而后進行金相組織觀察。第二組熱處理之后使用相同腐蝕劑進行腐蝕后進行金相組織觀察。其中第二組試樣熱處理工藝為1030 ℃固溶處理1 h，740 ℃保溫處理8 h，再進行800 ℃下淬火10 min。采用WT-401MVD顯微硬度計對CMT熔覆GH4169合金試樣進行顯微硬度檢測，沿著基材?熱影響區?熔覆層進行測量，加載載荷為200 g，加載持續時間15 s，測試點相距0.5 mm。夏比沖擊試驗是將試樣放在試驗機上，使之處于簡支梁狀態，將擺錘放到一定高度進行一次性打擊，測量試樣在這種沖擊下折斷吸收的能量。

2 實驗結果與討論

2.1 熔覆成形試樣的宏觀形貌

觀察熔覆試樣的宏觀形貌，發現發現熔覆層表面平整，道與道之間搭接良好，未出現凹坑等表面缺陷。圖3c為熔覆試樣側面宏觀形貌，上層為GH4169合金熔覆層，下層為Q235鋼基體,熔覆層和基材之間成形較好，熔合線附近未出現氣孔、未熔合等成形缺陷。

圖3 Q235/GH4169復合板試樣宏觀形貌和結合面

2.2 復合板界面結構

圖4a為Q235和GH4169合金之間熔合線附近微觀形貌，沖擊試樣包括基材和兩層GH4169合金共三層。其中Q235基材與GH4169熔覆層的微觀界面形成了一條彎曲的熔合線，沒有觀察到明顯的焊接缺陷，說明GH4169熔覆層和Q235基材之間達到冶金結合，實現了原子間連接，熔覆質量良好。圖4b為GH4169合金兩層熔覆層之間的微觀形貌。GH4169合金的熔覆層的層與層之間有明顯的熔合線，且熔合線附近分布著外延生長的枝晶組織，晶粒取向差別明顯，主要與熔覆層中熔池的熱量擴散有關，枝晶總是沿著溫度梯度最大的方向生長。高強層焊道與焊道之間搭接良好，無宏觀缺陷，GH4169合金熔覆層成形質量良好。

圖4 Q235表面熔覆GH4169合金微觀組織形貌

如圖5a所示，熱處理之前Q235基材為退火態的鐵素體和珠光體組織，同時因為冷軋制，晶粒發生了一定量的變形。在經過淬火和低溫回火后，Q235基材得到片狀馬氏體組織。同時，原來因為冷軋制而產生的晶粒變形也得到改善。如圖5b所示，在熔覆過后，GH4169的沉積態組織主要為柱狀晶或樹枝晶。熱處理后，枝晶結構未發生明顯變化。但GH4169的Laves相的長條狀變成的顆粒狀。Laves相為一種脆硬相，是一種化學式主要為AB2型的密排立方或者六方結構得金屬間化合物。據陳偉[10]和Sui[11]研究發現，在經過熱處理之后GH4169組織中的Laves相大量減少，大量Nb元素不僅可以固溶到γ基體中，起到固溶強化作用，還能造成γ″相大量增加，其中γ″相（Ni3Nb）為GH4169合金的主要強化相，大大提升GH4169的綜合性能。

圖5 熱處理前后Q235基材組織和GH4169高強層

2.3 復合板硬度測試和沖擊韌性

圖6為熔覆層到基材的顯微硬度分布圖，圖中給出了沉積態試樣和熱處理之后試樣的顯微硬度分布。沉積態時，GH4169合金熔覆層維氏硬度240 HV，Q235基材的維氏硬度由高到低分為3個部分，維氏硬度最高的是重熔區，為183.5 HV，其次是熱影響區168.9 HV，最低的是Q235基材維氏硬度146.3 HV。經過熱處理之后，試樣硬度更加均勻，GH4169合金熔覆層平均維氏硬度達到422 HV，硬度大幅提升，主要是熱處理后，γ″相強化作用，提升熔覆層的硬度。Q235基材的平均硬度172 HV，接近沉積態熱影響區的硬度值。根據以上結果可知，熔覆過程中的熱累積對Q235基材的熱影響區的有一定的淬火作用，使該區域硬度明顯上升，同時GH4169合金中合金元素在熔覆過程中部分進入基體中，使其硬度值也有一定的提升效果。因此，在Q235基體部分硬度值呈現并且呈現梯度分布。

圖6 熔覆試樣顯微硬度

2.4 夏比沖擊測試結果分析

夏比沖擊測試結果為，沉積態試樣的沖擊功平均值為32 J，經過熱處理試樣的沖擊功平均值為55 J。圖7為沖擊斷口宏觀形貌。熱處理后沖擊試樣斷口有兩個區域，塑性區和解理區，塑性區大約有四分之一區域，有明顯的的塑性變形，說明熱處理沖擊試樣具有較高的沖擊能量；而沉積態的斷口幾乎全是解理面，為脆性斷裂，沖擊吸收能量差。熔覆GH4169合金之后的復合板沖擊韌性提高，主要是由于固溶處理之后，Laves相減少，γ″相的析出，合金元素均勻化，使復合板沖擊韌性提高，其沖擊功從32 J提高到55 J，均高于材料標準沖擊功27 J要求。

圖7 夏比沖擊試樣斷口示意圖

3 結 論

1）當電流為370 A時，采用CMT熔覆過后Q235基體與GH4169高強層搭接良好，無宏觀缺陷，GH4169層與層之間也未出現孔洞、夾渣等焊接缺陷。復合板成形質量良好。

2）冷金屬過渡技術雖然對基材熱影響小，但是依然對Q235基材有淬火作用，使的Q235基材硬度上升，同時在重熔區，部分合金元素進入Q235基體中，使其硬度值高于熱影響區。

3）固溶處理之后，GH4169合金內部Laves相由長條狀變成顆粒狀，γ″相大量析出，使得GH4169的硬度從240 HV升高到422 HV，并且沖擊性能也由沉積態的32 J提升到55 J，同時對Q235基材進行分級熱處理之后，也得到均勻的馬氏體組織。