热喷涂及热处理对 45 钢表面组织和性能的影响
王瑞权，邱葭菲，林 波，韩秋华，王雨怀
电焊机
内容导读：喷焊工艺对镍基自熔合金粉末涂层组织和性能究竟有哪些影响？喷焊层能否与基体有良好的结合强度？为了解决这些问题，本文进行了实验研究，得出了理想的成果。
摘要：采用金相显微镜、扫描电镜分析和显微硬度测试等手段，研究了喷焊及回火温度对镍基自熔合金粉末涂层组织和性能的影响。结果表明：在结合面上，元素互相扩散，形成亮白色带状的过渡层，基体母材区受热较少，组织变化不大。碳元素扩散进入喷焊层后，与 Cr 形成(Fe，Ni)23C6及 Cr 的碳化物，这些硬质相阻碍喷焊层晶粒的张大，致使晶粒细化，在 45 钢中形成粗棒状或块状组织。喷焊层与基体之间形成了良好的冶金结合，合金元素在喷焊层与基体界面附近连续分布，保证了较高的结合强度。
关键词：45 钢；镍基合金；喷焊；显微组织
0前言
随着海洋经济的迅速发展，船舶运输已经成为世界各国经济、文化交流的主要手段之一。船舶长期航行于海洋中，受到摩擦、碰撞以及海水腐蚀等因素影响，设备会发生腐蚀和损坏，当损坏到一定程度时，设备将不能正常工作和运转，产生各种各样的机械故障。在设备修复过程中，应用热喷涂修复某些严重磨损或腐蚀的零件表面，可以延长易磨损、易腐蚀零件的使用寿命，降低维修费用，减少船舶的停运时间。在国外，热喷涂应用于船舶的表面防护与修复已经有二十多年的历史，成效显著，而我国这方面的应用刚刚起步。针对船舶的不同破坏形式，急需研究适合我国国情的低成本、高性能的热喷涂涂层，以解决船舶快速修复和船舶的海水腐蚀等问题[4－5]。Ni65A粉末是高硬度 Ni－Cr－B－Si 系自熔性合金粉末，较高含量的铬使镍基产生固溶强化，并增强其耐蚀性和抗高温氧化能力，过量的铬与 C、B生成硬度极高的硬质相，弥散分布在基体中，大大提高了合金焊层的耐磨和耐蚀性能。本研究以 Ni65A为合金涂层，在 45 钢表面制备喷焊层，研究喷焊和回火温度对镍基自熔合金粉末涂层组织和性能的影响。
1 试验材料和方法
1．1试验材料
试验选用的基体材料为 45 钢；涂层材料选用镍基自熔性合金粉末，牌号Ni65A
1．2试验方法
试验采用两步法工艺，工艺流程为：预热→喷粉→重熔→冷却。喷涂前，用微碳化焰对已表面净化和粗化的基材预热。当加热到预定温度时，开始喷粉，使熔滴均匀地喷射在基体表面，喷涂层有一定厚度后进行重熔，喷焊后热扩散处理工艺如表 2所示。
喷焊试验的基本工艺参数为：氧气压力 0．4MPa，氧气流量 310～360L／h，乙炔压力 0．05～0．07 MPa，乙炔流量 430～560 L／h，送粉量 1．5 kg／h，最佳喷粉距离 100～120mm，预热温度 230℃～270℃。
1．3检测方法
用线切割将喷焊试样沿垂直于涂层表面方向加工成 10 mm×10 mm×10 mm 的正方体，按标准制备成检测试样。预磨抛光后，用 90％HNO3＋10％HF 的腐蚀剂腐蚀 20 s，在 XJP－3A 型金相显微镜上进行组织形态观察；在 MHV2000 型硬度计上进行硬度测定。在 MX－2600FE 型扫描电镜上观察涂层形貌，利用能谱仪对喷涂试样不同区域进行成分分析。
2 试验结果与分析
2．1 喷焊层表面形貌
喷焊层表面的微观组织如图 1 所示。可以看出，涂层表面没有宏观裂纹和气孔等缺陷。但是 45钢基体喷焊层上能够明显看到有玻璃状的颗粒沉积在涂层表面，这是由于当合金粉末被加热到其熔点时，硅和硼扩散到颗粒的外表面，并与氧化物反应形成硼－硅酸盐，而这一产物有助焊性质，在熔合完毕后形成玻璃状颗粒沉积在涂层表面，当在 700 ℃保温 1 h 时，硼－硅酸盐发生扩散，使得璃状沉积颗粒减少甚至消失；在 840 ℃保温 1 h 时，由于温度高于某些硼－硅酸盐熔点，使得玻璃状颗粒又开始出现，但数量和大小均有一定的降低。喷焊层的形成是一个快速加热和快速冷却的过程，得到的是一种非平衡亚稳组织。在冷却过程中首先析出初生枝状晶，然后在初生枝晶间形成共晶组织，共晶组织也是由细小枝晶和各种化合物相所组成。
2．2喷焊层截面组织形貌
喷焊层截面组织形貌如图 2～图 4 所示，可以看出喷焊层与基体组织明显不同。喷焊层组织均匀致密，通过一条白亮的区域与基体结合在一起(见图2a)。根据结合部位的组织结构特点，可将 Ni65A 喷焊层与基体结合部分组织划分为三个区域[6]：喷焊区、界面区(或过渡层)和基体母材区。由图 3 可知，下层为喷焊层组织，枝晶较细，灰白亮柱状枝晶为碳化物，灰色基体为金属间化合物。喷焊层底部属于典型的平面晶组织，且枝晶组织粗大；而喷焊层顶部是较规则的树枝状共晶组织且枝晶细小。
过渡层宽约 10～20 μ m，其宽度主要受重熔温度、喷涂速度和涂层厚度等因素的影响。图 4 是喷焊区组织的 SEM 形貌，可以很明显地看到灰色基体上弥散分布白色组织，基体上还许多黑色颗粒和少量灰晶状相：白色块状组织应为 Fe、Cr的 C 化物及 Ni 基固溶体；而灰色基体应是富 B 的Ni、Fe、Cr化合物，其中还固溶了 Cr 等元素。灰白色的小颗粒相很小，同样为 Cr 化合物，但是能谱分析发现其有硼元素，因此该相很可能为 Cr、B 的化合物。
2．3 涂层显微硬度分析
涂层显微硬度沿涂层深度分布情况如图 5 所示。
显微硬度主要分布在三个区域，呈梯度状态分布，这与喷焊试样横截面的组织形貌是一一对应的，即－1、－2 点处硬度为 45 钢基体硬度，0 点为涂层界面层硬度，1、2两点为合金过渡层硬度，3、4、5 点为喷焊层硬度。其喷焊层硬度远远高于 45 钢基体硬度，并随扩散加热温度升高而硬度差距增大。
随扩散温度提高，涂层硬度增大，在840 ℃保温 1 h 盐水冷却，涂层硬度高达 HV1 082。
2．4合金元素扩散分析
显微硬度的变化与组织和成分变化有关，显微硬度在界面处发生明显的变化，母材中的硬度向着界面方向逐渐增加，涂层中硬度向着界面方向逐渐降低，这显然是由于元素的扩散使母材中合金元素含量增加使其得到强化，硬度提高。这种硬度呈梯度分布的特征进一步说明，合金元素的扩散使得复合涂层与母材之间不再是简单物理结合，而是牢固的冶金结合。
由图 6～图 9 可以看出，45 钢基体喷焊层经高温扩散后，Fe 向 Ni 中扩散量大于 Ni 向 Fe 中扩散量，当达到基体相变温度点以上时保温，元素扩散非常明显，生成柱状晶硬质相，且抗高温氧化性良好，中间白亮层为 Ni－Fe 间形成致密金属间化合物，不仅有利于提高涂层质量，更能增强喷焊层与基体结合力。
在喷焊过程中，45 钢基体的表层首先达到相变温度并开始相变，由于冷却速度较快，第二相来不及析出，留在组织中的残余应力较大，对涂层结合力和性能产生不利影响。涂层存在的残余应力多为拉应力，而涂层与基体结合取决于结合强度和残余应力的综合作用，高温扩散能改善组织稳定性并降低残余应力，主要通过加热提高合金元素的自由能，增强元素扩散能力，析出沉淀相，减少残余应力。Ni65A粉末中含入 C、Cr、B、Si 等元素，火焰重熔时温度较高。一方面，合金元素溶解起到了固熔强化作用；另一方面，C、Cr、B、Ni 等合金元素在冷却过程中形成一些细小的共晶化合物，这些硬质相弥散在固溶体间显著增加了第二相强化作用，因此Ni基涂层有较高的硬度[7]。图 10 为 Fe、Cr、C 三种元素在喷焊层高温处理后不同位置的含量分布情况，可以看出，从基体到涂层 Fe 元素含量逐渐减少，而Cr 和 C 元素的含量逐渐增高，因此，从基体到涂层硬度逐渐增加。3
结论
(1)在 45 钢表面喷涂 Ni65A 粉末，喷焊区组织为镍固溶体基体上弥散分布着硬质颗粒相；元素在结合面上相互扩散，形成带状亮白色的过渡层，基体的母材区热影响不大，组织变化较小。
(2)碳元素扩散进入喷焊层后，与 Cr 形成(Fe，Ni)23C6和 Cr 的碳化物，这些硬质相阻碍喷焊层晶粒的长大，致使晶粒细化，在 45 钢中形成粗棒状或块状组织。
(3)经高温扩散后，出现(Ni，Fe)合金金属间固溶体化合物，涂层与基体的成分扩散受结合界面处基材表层温度的影响，当基材表层温度足够高时，基材中元素 Fe 向涂层中扩散量较大，扩散距离较长，在界面处就能够形成致密完整的(Ni，Fe)单相固溶体组织的白亮层。
图略
参考文献略
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