等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能研究夏厚福Word格式.docx
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学位论文题目:
MHiSf扉柳tMM观_fl
作者签名:
夏谣搞日期:
TWf年/月夕日
大3理工大学硕士学位论文
摘要
为了提高材料表面耐磨性,通常在其表面堆焊耐磨合金,有时为了获得特殊的性能,
如高的耐应力磨损性能,可添加硬质合金粒子进行强化。
对镍基合金而言,常添加的硬
质粒子为碳化钨。
其原因为:
一方面碳化钨具有高的耐腐蚀性、高硬度、高熔点、可焊
性好、具有一定的塑性变形等特点;
躬一方面镍基合金与碳化钨颗粒之间有较好的润湿
性。
本课题选用等离子堆焊技术,其原因为:
等离子堆焊技术具有稀释率和变形小、焊
道平整、工艺稳定、冶金结合好、致_无缺陷、易于实现自动化等优点。
本文来用等离子堆焊技术在奥氏体不锈钢钢板表面堆焊碳化钨强化镍基耐磨合金,
使用光学显微镜（0M）、带能谱分析的扫描电子显微镜（SEM）、电子探针（EPMA）、X射线
衍射仪（XRD）、X射线荧光光谱分析伩（XRF）、红外碳硫分析伩、显微硬度计、磨损试验
机等设备研宄合金堆焊层的显微组织和耐磨性能。
研究了堆焊电流对镍基合金堆掉层组织与性能的影响。
结果表明.随着堆焊电流的
增大’堆焊层中的枝晶组织变得越来越不明显,堆焊层中依次出现鱼骨状组织、羽毛状
组织和点状群落组织,并且硬度也随之降低。
研究了添加不同含量和形状碳代钨强化镍基合金堆焊层组织与性能。
在显微组织方
面,随着碳化钨含量的增加,堆焊肩中出现了针状、块状、条状及骨架状组织,并且均
含有W元素;
在耐磨性能方面,随着1碳化钨添加量增大,合金堆焊层的耐磨性能也随之
提高,且球形碳化钨的强化效果优予不规则碳化钨。
研宄了堆焊电流对碳化钨强化镍基合金堆焊层组织与性能的影响。
堆焊电流不同,
元素凝固时扩散程度也不同,最终导致堆焊层中出现不同形态的组织。
在耐磨性能方面,
堆焊层的耐磨性并不是堆焊电流的单调函数,它与电流及试验载荷大小相关。
同时,在
堆焊层中观察到了不同程度溶解的破化钨,这些溶解的碳化钨进入到镍基合金基体中,
与基体中元素进行反应,形成各种不同形状的复杂化合物,并且随着堆辉电流的增大,
碳化钨溶解现象越来越明显。
关键词:
等离子堆焊;
镍基耐磨合金;
碳化钨;
显微组织:
耐磨性
等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能研宄
StudiesonMicrostructureandPropertiesofNi-basedHardfacing
ReinforecedWithTungstenCarbidesbyPTAW
Abstract
Inordertoimprovethesurfacewearresistance,theabrasion-resistantalloywas
depositedonthesurfaceofmaterial.Sometimesforspecialperformance,suchashighstress
abrasionresistance,itcanbeaddingcarbideparticleinit.FortheNi-basedhardfacing,the
carbideparticleusuallywastungstencarbides.Therearesomereasonsforthis.Ontheone
hand,thetungstencarbideshashighcorrosionresistance,highhardness,highmeltingpoint,
goodweldabilityandplasticdeformation.Ontheotherhand,theNi-basedalloyhasgood
wettabilitywithtungstencarbides.Itadoptsplasmatransferredarcwelding（PTAW）inthis
paper,thereasonisthatithaslowerdilutionanddeformation,goodweldformation,process
stability,easytorealizeautomation,excellentbondingwithsubstrateanddenseand
defect-freedeposits.
TheNi-basedhardfacingsreinforecedwithtungstencarbidesweredepositedon
austeniticstainlesssteelsubstratebyplasmatransferredarcwelding（PTAW）.Theoptical
microscope（OM）,scanningelectronmicroscope（SEM）withEnergyDisperseSpectroscopy
（EDS）,electronprobemicroanalyzer（EPMA）,X-raydiffraction（XRD）,X-rayfluorescence
spectrumanalyzer（XRF）,infraredcarbonsulfuranalyzer,microhardnesstesterandsliding
weartesterwereemployedtoanalysisthemicrostrctureandwearresistance.
TheinfluenceofcurrentonmicrostructureandwearresistanceofNi-basedhardfacing
wasstudied.Theresultsindicatedthatdendritesconstituentswasbecomingmoreandmore
unconspicuous,theherringbone,featheryanddotcommunitystructurewereappearedin
coatingsandthemicrohardnesswasdecreasedwiththeincreaseofthecurrent.
ThemicrostructureandwearresistanceoftheNi-basedalloyreinforcedwithdifferent
contentandshapeoftungstencarbidewereresearched.Intheaspectofmicrostructure,withthe
increasingcontentoftungstencarbides,intheshapeofacicularconstituent,blocktissue,long
flakeandskeletonstructures,whichincludingelementofW,wereprecipitatedincoatings.In
termsofwearresistance,thewearresistanceofcoatingsincreased,withtheincreasingcontentof
tungstencarbides.Atthesametime,thereinforcementeffectofsphericaltungstencarbidewas
betterthantheirregulartungstencarbides.
reinforcedwithtungstencarbideswereresearched.Indifferentweldingcurrent,thediffusion
rateofelementwasdifferentduringthesolidificationofcoatings,leadingtovariousformsof
ii
organizationappearedinthecoatings.Intermsofwearresistance,thewearresistanceofcoating
wasnotmonotonicfunctionofcurrent,itrelatedtothecurrentandthesizeofthetestload.The
dissolvedtungstencarbideswithdifferentdegreewerefoundincoatings.Theyreactedwiththe
elementsofNi-basedalloystoformlowmeltingeutectics,whichprecipitatedindifferentshapes.
Whatismore,thedissolvedphenomenonoftungstencarbideswasmoreobviouslywiththe
increaseofthecurrent.
KeyWords:
Plasmatransferredarcwelding;
Nickel-basealloy;
tungstencarbides;
Microstructure;
Wearresistance
-in-
等离子堆舰化钨强化镍基合金组织与性能研宄
m^I
AbstractII
1
1
镍基合金
1
镍基合金的分类
合金元素对镍基合金的影响
3
碳化钨
4
碳化钨的分类及优点
碳化鹤的应用
5
摩擦磨损
磨损的分类
磨损机理
6
影响磨损的因素
7
等离子弧堆挥
8
课题研究意义及主要内容
9
2实验部分10
实验材料
10
焊前准备与焊后热处理
11
试样的制备
显微组织分析
12
摩擦磨损试验
3电流对等离子堆焊Ni40合金组织与性能的影响
13
合金堆焊层显微组织分析
合金堆焊层硬度分析
23
本章小结
24
4碳化钨的含量及形状对等离子堆焊镍基合金组织与性能的影响
25
不同含量球形碳化钨对等离子堆焊镍基合金组织与性能的影响25
-IV-
26
合金堆焊层摩擦磨损性能分析
32
不同含量不规则碳化钨对等离子堆焊镍基合金组织与性能的影响.........36
36
37
44
47
5电流对等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能的影响
48
电流对等离子堆焊球形碳化钨强化镍基合金组织与性能的影响48
合金堆辉层摩擦磨损性能分析
57
电流对等离子堆焊不规则碳化钨强化镍基合金组织与性能的影响.........60
60
61
65
67
^it69
参考文献70
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
76
Sfcif77
大连理工大学学位论文版权使用授权书
78
:
工大学硕士学位论文
1绪论
镜基合金
镍基合金是指在高温下具有较高强度与一定抗氧化腐烛能力等综合性能的一类合
金,它广泛应用于海洋、石油、化工、核电等行业,解决一般不锈钢和其它金属、非金
属材料无法解决的工程问题⑴。
其强化机制为:
一方面可以通过合金元素固溶强化,另
一方面还能产生沉淀强化[2]。
镍基合金的分类
镍基合金的分类方法通常有两种,一种是按照其化学成分进行分类,另一种是按照
其主要性能特点进行分类,常用的分类方法如图U所示⑴。
下面将对镍基耐热合金、镍
基耐蚀合金和镍基耐磨合金作简单的介绍。
IIII
按化学成分特点I
I按性能特点
ip
^^^Jnr-^r~*~i丄丨‘
镍迪镍镇镍媒镍镍镍镍镍合
22银责铬铬络铬基基基基基金
55铁2铁相银银耐耐耐精形
金金金金金金合合合合合合记
金金金金金金忆
图镍基合金的分类
Fig.11TheclassificationoftheNi-basedalloy
（1）镍基耐热合金
镍基耐热合金又称为镍基高温合金,它具有组织均句、有害相少和耐氧化腐蚀能力
强等优点,同时,能在高温较大应力条件下工作[3]。
它的合金粉末在制造航空发动机润
轮盘上有重要的应用
由于镍基高温合金在工业上应用广泛,众多的学者对镍基高温合金进行了研究。
钢
铁研究总院的国为民等人[力对镍基粉末高温合金的组织、性能与成型及热处理工艺关系
进行了研究,他们发现冶金工艺、热处理工艺及内部缺陷都对镍基粉末高温合金组织与
性能产生直接的影响。
中国矿业大学王会阳等人【8]对镍基高温合金材料的研宄进展进行
了阐述,主要从力学性能、氧化行为、疲劳行为和高温蠕变行为这几个方面进行了研究。
-1-
等离子堆挥碳化妈强化镇基合金组织与性能研宄
北京科技大学吴凯等人对镍基高温合金的高温蠕变及固溶冷却速度和前处理对线基
粉末高温合金组织与硬度影响进行了研宄。
关于蠕变,他们认为if变阻力是影响铸造镍
基高温合金螺变机制的重要因素。
关于固溶冷却速度和前处理,他们认为冷却速度越快,
合金硬度越高,失效后硬度增高越多。
钢铁研究总院的张室等人对镇基粉末高温合
金的缺陷进行了分析研究,认为镜基高温合金粉末中的夹杂物、空心、包裹粉、氧化污
染粉等异常颗粒是成型后合金中缺陷的隐患。
山东大学的杜劲等人对镍基粉末高温合-
金的铁削加工进行了研究,得到了镍基粉末合金的统削力和统削温度的经验公式。
（2）镍基耐独合金、
镍基耐烛合金在工业上应用广泛,其优点如图所示,现对常用的镇铜合金和镜铬
合金这两种耐烛合金作简单介绍⑴。
在国内,常用的两种镍铜合金牌号分别为
Ni68Cu28Fe和Ni68Cu28Al。
对Ni68Cu28Fe镍铜耐烛合金而言,其组织结构为典型的单
相奥氏体组织,没有金属间相析出,不存在由于复相合金不同相间电偶反应而引起的腐
烛。
在大气中,它具有极高的耐烛性,在天然水和蒸馆水中,其耐烛性也是极佳的,在
有空烛-磨烛条件下,其耐烛性更显优越性,可用于制造螺旋奖、泵轴、冷凝器传热管
和叶轮等。
然而,在亚硫酸中,它容易受到腐烛,不能用于处理亚硫酸溶液和造纸工业
中的亚硫酸!
。
对Ni68Cu28A丨镍铜耐烛合金来说,相对于第一种镇铜耐烛合金而言,它
具有更高的强度和硬度,主要是由于该合金存在金属间化合物沉淀,能起到沉淀强化作
用。
该镍铜耐烛合金主要用于泵轴、叶轮、输送器刮刀、油井钻环、弹性部件和阀塾等。
当Ni中添加10%以上的Cr时,便得到了耐烛性和抗氧化性较好的镜铬合金。
根据Cr
的添加量不同,可对镜铭耐烛合金进行分类。
常用的镍络耐烛合金的牌号有:
0Crl5Ni75Fe、0Cr23Ni63Fel4Al、0Cr20Ni65Ti3AlNb、O0Cr3ONi6OFelO、0Cr35Ni65等
合金。
0Crl5Ni75Fe镜铬合金具有较好的耐烛、耐热、抗氧化、加工及烟接等性能特点,
广泛应用于化学等工业中,例如用于制造加热器、蒸发器、蒸馆塔、冷凝器等设备上,
它也是轻水堆核电厂的重要结构材料;
0Cr23Ni63Fel4Al镍络合金在氧化性酸中具有较
好的耐烛性,同时也具有较好的抗氧化性能和抗硫化性能,它主要用于加热设备、化学
工业、航空航天以及动力工业中;
0Cr20Ni65Ti3AlNb镍基耐烛合金主要特点是在氧化性
介质中具有良好的耐烛性和耐磨性,主要用于耐烛条件下,例如制造有稀硝酸腐烛并有
振动、撞击条件的计量栗截止球阀;
0OCr30Ni6OFel0镍铬合金是一种专用合金,主要用
于轻水反应堆核电站制造蒸发器传热管,以解决不锈钢等材料出现的应力腐她问题;
0Cr35Ni65镇基合金最大特点在于既耐强氧化性酸的腐烛,也耐高温气体的热腐烛,它
一般用于制造耐HN03、HN03+HF混酸的容器、管道、塔和槽等,也用于核化工工业中。
-2-
一:
^"
&
女f白勺而寸t虫十生含巨
坛入其,付合强度高、塑朝性好
金的悦点r~i冶炼和铸造性能好
H冷热变形和加工能力强
图镍基耐烛合金的优点
Fig.TheadvantagesofNi-basedcorrosionresistantalloy
（3）镇基耐磨合金
镍基耐磨合金通常是以涂层的形式应用于工业上,制备耐磨镜基合金涂层的常用方
法有电键、化学键、激光溶敷、等离子堆煌、真空溶结和喷烤等手段。
由于等离子堆燥
和激光溶敷母材稀释率小、界面成型好、生产效率高和易于实现自动化,故常用来制造
镍基耐磨合金堆燥层。
镍基耐磨合金具有较好的耐磨性能,这是由镍基合金的显微组织决定的。
的微观组织主要由枝晶组织和枝晶间组织构成,枝晶间组织主要是一些富铬硼化物和富
铬碳化物,它们都具有很高的硬度。
等人[15]釆用等离子堆燥技术在304L不诱钢
表面堆煌镍基耐磨合金,在富含大量针状组织的碳络化合物区域,硬度高达700VHN。
等人对镇基的高温磨损性能进行了研究,发现随着测试温度的提高,镇基
耐磨合金的耐磨性能提高了,在823K的温度下,堆燥层的耐磨性能最好。
等人[17]对激光馆敷镍基合金的耐磨性能进行了研宄,发现在不同的载荷作用下堆烤层的
磨损机制不一样,低载荷的磨损机制为氧化磨损,高载荷的磨损机制为粘着磨损和氧化
磨损。
合金元素对镜基合金的影响
在钢铁中加入合金元素,能改变材料的工艺性能和使用性能。
这是因为添加合金元
素后,合金元素与钢中其它元素发生相互作用,改变了钢中各相的稳定性,并产生了许
多新相,从而改变了原有组织[18]。
在镍基合金中加入合金元素,也能改变镜基合金的诸
■
多性能,下面简单介绍主要合金元素对镇基合金的影响
（1）钴、铁、猛。
它们在一定的温度范围均能与镇形成彼此无限连续固溶体相,均能
-
提高镍的热电势。
钻提高镍的硬度及热稳定性。
铁、猛能显着降低镍的膨胀系数,铁还
可以通过置换部分镍,降低成本和提高废料利用率,猛能消除硫和碳的有害影响。
（2）络。
络在镍中的固溶度可达40%,是许多耐烛及高温镍基合金的重要元素。
在耐
烛性方面,它能改进在氧化性腐烛介质中的耐独性,提高耐局部腐t虫性能。
在提高高温
-3-
等离子堆燥碳化鹤强化镇基合金组织与性能研究
性能方面,它能显着提高镜的热强性与热稳定性,并大大提高镍的电阻系数,降低电阻
温度系数。
（3）绍、I太、娃。
它们在镍中的溶解度不大。
销能提高镍在高温下的抗氧化能力及热
强性。
铁能改善燥接热影响区和耐晶间腐烛的性能,并且能显着提高镍的热强性、电阻
系数、热电动势及再结晶温度。
提高硅含量（>
4%）能提高镍基合金的耐氧化性矿物酸、
硫酸和硝酸腐她的性能,还能提高镍的硬度、强度、电阻系数与耐热性,但含量过高则
会降低塑性。
（4）碳、硼。
碳和硼的含量能显着影响碳化物和硼化物的析出量,少量的碳能偏聚于
晶界,形成细小二次相,能有效降低裂纹形成倾向,但碳含量过高,易使得晶界变脆,
裂纹易于扩展,降低合金性能;
少量硼对合金的塑性和螺变强度有利,并且能够显着减
小持久缺口敏感性,硼含量过高易降低合金塑性和高温持久性。
碳化销
在表面堆辉技术中,为了进一步提高合金堆燥层的耐磨性,通常在堆煌合金中加入
一定量的硬质粒子,被选用的硬质粒子要求在基体中有较小的溶解度,并且溶点比基体
合金要高,由于碳化鹤具有众多的优点,故通常作为硬质粒子加入到镍基合金和钴基合
金中[2卜26）。
碳化铭的分类及优点
根据碳化妈的获得方法不同,可将其分为铸造碳化鹤、烧结碳化鹤和单晶碳化妈三
类[27_29];
根据碳化销的形态不同,又可将其分为球形碳化鹤和不规则碳化鹤两类[21]。
图
表示碳化鹤作为硬质粒子的一些优点,正是由于碳化鹤具有这些优点,碳化销才作为
一种硬质粒子广泛添加到其它合金粉末中
碳化鹤
的点
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if丨可^nQDmWiftS"
烛i伟3S当S有塑被湿
性性S1If一性合
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图碳化鹤的优点
Fig.Theadvantagesoftungstencarbides
—4-
在表面改性激光堆扞和等离子堆'
焊过程中,碳化鹤通常作为硬质粒子添加到合金堆
辉层中,目前研宄比较多的都是向镍基合金和钴基合金中加入碳化鹤硬质颗粒,这是由
于镍基合金和钴基合金对碳化鹤有良好的润湿性,在磨损过程中,碳化鹤在基体中起抗
磨作用,基体能防止碳化鹤裂纹扩展和承受一定的冲击载荷作用[34]本课题也是
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