马 壮，韦宝权,董世知，张焱鑫，李智超

(1.辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，阜新 123000；2.辽宁科技学院冶金工程学院，本溪 117300；3.丹东华日理学电气股份有限公司，丹东 118000)



氩弧熔覆铁基合金TiB2-Al2O3涂层冲蚀磨损性能研究

马 壮1,2，韦宝权1,董世知1，张焱鑫3，李智超1

(1.辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，阜新 123000；2.辽宁科技学院冶金工程学院，本溪 117300；3.丹东华日理学电气股份有限公司，丹东 118000)

为提高Q255的冲蚀磨损性能，利用氩弧熔覆方法制备了铁基合金TiB2-Al2O3涂层。熔覆层显微硬度最高为913.5 Hv0.2是基体硬度的5.9倍；熔覆层的冲蚀磨损性能较基体提高了1.77～4.22倍。熔池组织均匀细小，XRD分析显示，熔覆层由Fe、Al、TiO2、TiB2、Fe2B、Al2O3相组成。

铁基合金涂层； 氩弧熔覆； 显微硬度； 冲蚀磨损

1 引 言

冲蚀磨损是指液体或固体以松散的小颗粒按一定的速度或者角度对材料表面进行冲击造成的一种材料损耗现象[1]。在航天航空，机械，能源等领域有所应用[2]。氩弧熔覆具有熔覆层厚、熔覆质量高、成分可调、操作简单、工艺灵活等优点[3,4]，同时它能使金属的强韧性与陶瓷材料的高硬度、高耐磨性、高化学稳定性结合起来，使廉价的金属获得耐磨、耐蚀、耐高温等特殊性能[5,6]。本实验选用Q235钢为基体材料，制备铁基合金TiB2-Al2O3涂层。目前金属表面陶瓷涂层的冲蚀磨损性能研究较少[7]，本文研究了不同介质浓度以及不同介质下熔覆层的冲蚀磨损性能。

2 实 验

2.1 试样制备

实验采用Q235为基体，尺寸为100 mm×30 mm×6 mm，采用角磨机打磨试样表面并采用砂纸对打磨后的试样进行精细处理，并用丙酮洗洁净表面，自然风干后使用。依据原位反应原理(3B4C+6TiO2+4Al=6TiB2+2Al2O3+3CO2)，选取原位反应复合型合金粉末，以氩弧熔覆的方法制备TiB2-Al2O3涂层，各合金粉末成分比例按反应中比例添加，合金粉末成分有：还原铁粉、TiO2、Al粉、B4C、硼砂。将称量好的合金粉末(12 g)放于钵中，研磨成粉末，添加适量的水玻璃，搅拌均匀。将搅拌好的粉末放于模具中，放于万能试验机下，压制到Q235钢板表面，待风干后使用。

2.2 氩弧熔覆工艺参数

采用WS-500逆变式半自动焊接装置对压制好的试样进行焊接，工艺参数如表1。

表1 活性氩弧焊接工艺参数Tab.1 The process parameters of A-TIG

2.3 组织结构分析

选用Axiovert 40 MAT型金相显微镜进行金相观察；X-射线扫描采用DMAX-RB型衍射仪进行测定，并确定组成熔覆层的物相，试验参数：Cu靶Kα辐射，工作电流150 mA，Ni滤波片，狭缝尺寸DS=IO，RS=0.3 mm，SS=IO，管电压40 kV，扫描速度10°/min，扫描范围10°～90°；选用S-3400N扫描电镜对试样进行成分分析。

2.4 熔覆层的性能测试

采用HV-1000Z型显微硬度计，载荷选择0.2 kg，从距离熔覆层表面1 mm的位置开始沿深度方向，每隔500 μm测试一个点；冲蚀磨损采用MSH型离心式冲蚀磨损试验机，实验条件：流体介质分别选取水或人工海水(成分见表2)，以及50-70目石英砂，按一定比例放入(5000∶1600、5000∶2800、5000∶4000)，冲蚀速度分别选取200 r/min 、300 r/min、400 r/min冲蚀角度为90°，冲蚀时间120 min。

采用SPSS 19.0软件对数据进行分析处理，计量资料以（均数±标准差）表示，采用t检验；计数资料以（n，%）表示，采用χ2检验，以P＜0.05表示差异具有统计学意义。

表2 人工海水成分Tab.2 Artificial seawater composition

3 结果与讨论

3.1 熔覆层的组织结构

图1为熔覆层的X射线衍射图。由图1可知熔覆层中除了Fe、Al、TiO2以外，还有大量的TiB2、Fe2B存在，以及较多的Al2O3相，然而TiC含量相对很少，其中TiB2和处于亚稳定态的Fe2B均为硬质相，Al2O3为氧化物的增强相。由生成相可知，在进行熔覆时，熔池内发生了原位反应，即发生了B4C、TiO2的分解并与B、Ti、Al的原位合成，尽管Al2O3生成量相对较多，但生成物中硼化物相、含Ti化合物相对较少，且有Al、TiO2剩余，因此熔池反应不充分。

图1 熔覆层的XRD结果Fig.1 XRD result of TIG cladding

3.2 熔覆层组织分析

图2为熔覆层组织的500倍金相照片，图中a为熔覆层顶部组织的的金相照片，由图可以明显看出熔覆层组织多为圆形且分布均匀、密集，圆形组织内部多数有黑色的部分。图2中b为熔池内部组织，由图可以看出，熔覆层的组织多数为细小的枝晶组织，方向基本一致且比较细小，由金相组织能够看到一次枝晶，二次枝晶更为细小，很难看清；图2中c为焊缝及两侧组织，由图可以看出焊缝两侧组织均分明、区别较大，能够明显分辨。焊缝内的熔池部分组织较为细小，且分布凌乱、形状大小不一；在焊缝以外的热影响区内，其组织为针状，且粗大。图2d为熔覆层内部5000倍扫描电镜下的组织，从图中可以看出，在晶界处有连续析出的第二相，在晶粒内部有少量黑色点状物质析出。

图2 熔覆层组织(a)熔覆层顶端(b)熔池内部(c)焊缝区(d)熔覆层高倍SEMFig.2 Cladding layer organization

图3 表面典型组织Fig.3 Surface of the typical organization

图4 熔覆层显微组织Fig.4 Cladding layer microscopic structure

图3为熔覆层表面典型组织在高倍数的金相照片。图中组织形状为圆形或者扁长形，组织分布均匀但是大小不一，有些扁长状组织有长大成条状的趋势，而且几乎每个圆形组织中间都有黑色析出物，由X-射线分析可知，白色组织是α-Fe基体，其中黑色的部分为Fe3C，白色块状组织为TiB2，且白色块状组织中间黑色物质可能是Al2O3等析出物。

图4为熔覆层内部显微组织，图5为EDS点扫描结果，从点扫描结果分析可知，图谱15处主要有Fe、Si、Al、O、B等元素，没有Ti的析出而在图谱16处有部分Ti呈点状析出，证明原位反应进行不充分。图6为熔覆层内部面扫描结果，如图所示， O、B等元素分布均匀，而Al、Ti等元素分布出现局部偏聚现象。

图5 点扫描图谱Fig.5 Spot scan atlas

图6 面扫描图谱(a)O Kα1;(b)B Kα1 2;(c)Ti Kα1;(d)Al Kα1Fig.6 Area scan atlas(a)O Kα1;(b)B Kα1 2;(c)Ti Kα1;(d)Al Kα1

3.3 硬度分析

图7 活性剂对熔覆层显微硬度的影响Fig.7 Influence of active flux on microhardness of cladding layer

3.4 介质浓度对冲蚀性能的影响

图8 水砂比为5000∶1600时的失重曲线Fig.8 Curve of erosion weightlessness with the water-sand ratio of 5000∶1600

不同介质浓度冲蚀速度均采用300 r/min。由图8可知，当水砂比为5000∶1600时基体总共失重270.97 g/m2、熔覆层总失重71.69 g/m2，熔覆层耐冲蚀磨损性能是基体的3.78倍。由图9可知，当水砂比为5000∶2800时，基体总失重为336.55 g/m2，而熔覆层总失重为79.62 g/m2，熔覆层耐冲蚀磨损性能是基体的4.22倍；由图10可知，水砂比为5000∶4000时，基体失重为479.59 g/m2，熔覆层失重为270.37 g/m2，熔覆层的冲蚀磨损性能是基体的1.77倍。

由以上分析可知，随着介质浓度的提高，基体和熔覆层的耐磨性均有所下降，而且随着浓度的升高，熔覆层相对于基体的冲蚀性能提高倍数下降。产生此类现象的原因是，砂粒的浓度较低时，试样在高速旋转下被撞击的几率小，因此总体的失重较小；而熔覆层中有新生成的硬质相，能够抵挡因冲击而造成的质量损失；但是当浓度过大时，硬质相不能抵挡冲击而脱落，造成失重增加且耐冲蚀磨损性能下降[8]。

图9 水砂比为5000∶2800时的失重曲线Fig.9 Curve of erosion weightlessness with the water-sand ratio of 5000∶1600

图10 水砂比5000∶4000时的失重曲线Fig.10 Curve of erosion weightlessness with the water-sand ratio of 5000∶4000

3.5 海水介质对冲蚀性能的影响

图11 转速为200 r/min时海水腐蚀失重曲线Fig.11 Curve of erosion wightlessness in seawater with speed of 200 r/min

图12 转速为300 r/min时海水腐蚀失重曲线Fig.12 Curve of erosion wightlessness in seawater with speed of 300 r/min

流体介质为人工海水，水砂比为5000∶2800。当转速为200 r/min时(图11)，基体总失重为206.45 g/m2、熔覆层总失重为65.75 g/min，熔覆层的耐冲蚀磨损性能是基体的3.14倍。当转速为300 r/min时(图12)，基体总失重为298.43 g/m2、熔覆层总失重为88.41 g/m2，熔覆层的耐冲蚀磨损性能是基体的3.38倍。当转速为400 r/min时(图13)，基体总失重为416.13 g/m2、熔覆层总失重为106.78 g/m2，熔覆层的耐冲蚀磨损性能是基体的3.90倍。

图13 转速为400 r/min时海水腐蚀失重曲线Fig.13 Curve of erosion wightlessness in seawater with speed of 400 r/min

随着转速的增加，基体和熔覆层的失重量均有所增加，且基体失重增加明显，但是熔覆层增加不明显，是由于选用的腐蚀介质为海水，因此在冲蚀作用下呈现出腐蚀与冲击磨损双重作用的结果。由此可知熔覆层在腐蚀与冲蚀双重作用的结果下具有较高的耐冲蚀磨损性能，熔覆层中形成的组织能够有效的抵抗冲蚀对材料的损害作用。

当介质浓度为5000∶2800时，转速为300 r/min时，由水砂实验和海水实验结果对比可知，在其他条件相同的前提下，采用海水介质一组的冲蚀磨损失重大于采用自来水一组。产生此种现象的原因主要是海水中多为氯化物组成，其中Cl-对金属物质具有强腐蚀性能，在冲蚀过程中试样的失重是由海水腐蚀与砂粒对试样冲击双重作用的结果，因此采用海水介质时试样的失重要高于自来水介质。

4 结 论

(1) 利用原位反应复合型合金粉末,制备TiB2-Al2O3涂层，涂层由Fe、Al、TiO2、TiB2、Fe2B、Al2O3相组成;

(2)熔覆层的组织为细小、致密枝晶组织，其硬度最高值为913.5 Hv0.2是基体的5.9倍;

(3)水砂比分别为5000∶1600、5000∶2800、5000∶4000，相应的熔覆层耐冲蚀磨损性能分别是基体的3.78倍、4.22倍、1.77倍;

(4)流体介质为人工海水，转数分别为200 r/min、300 r/min、400 r/min，熔覆层耐冲蚀磨损性能分别是基体的3.14倍、3.18倍、3.90倍。

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Erosion Wear Performance of TiB2-Al2O3Argon Arc Cladding Iron-based Alloy Coating

MAZhuang1,2,WEIBao-quan1,DONGShi-zhi1,ZHANGYan-xin3,LIZhi-chao1

(1.College of Engineering Materials Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.School of Metallurgical Engineering,Liaoning Institute of Science and Technology,Benxi 117300,China;3.Dandong Huari Rigaku Denki Co.,Ltd.,Dandong 118000,China)

Fe based alloy TiB2-Al2O3coating was prepared by argon arc cladding method in order to improve the erosion wear performance of Q255.The highest micro-hardness of the cladding layer is 913.5 Hv0.2and is 5.9 times of that of the matrix.The erosion wear resistance of the cladding layer is increased by 1.77-4.22 times comparing with that of the matrix.The micro-structure of the weld pool is small and uniform.XRD results show that the cladding layer is composed of Fe, Al, TiO2, TiB2, Fe2B and Al2O3phases.

iron base alloy coating;argon arc cladding;microhardness;erosion wear

马 壮(1963-)，男,博导.主要从事表面改性及材料强韧化方面的研究.

韦宝权，硕士研究生.

TG456.9

A

1001-1625(2016)09-2810-06