电弧熔敷用高熵合金粉芯丝材熔敷层的摩擦磨损行为

彭勇　卫宁　张扬　张文杰　邓瑶　李小平

摘要：通过研究电弧熔敷不锈钢高熵合金粉芯丝材在不同摩擦条件下的摩擦磨损行为，为实现电弧现场快速修复和成形在耐磨性能方面提供可靠的保证。将高熵合金组成的 Fe、Co、Ni、Cu四种金属元素以粉末按等原子比制成不锈钢高熵合金粉芯丝材，通过电弧熔敷方式熔敷在不锈钢表面。采用Nanovea Tribometer摩擦磨损仪和Nanovea PS50表面轮廓仪测试和分析焊道表面的耐磨性。高熵合金以FCC相不均匀散布在不锈钢焊层中，焊道耐磨损性能高于不锈钢基材，焊道磨损体积和磨损率均比基材及308粉芯焊丝降低30%，高熵合金的FCC相对不锈钢耐磨性能有强化作用。随着磨损载荷和速率的增加，高熵合金焊道的摩擦系数均逐渐降低，磨痕的深度、宽度、磨损体积均在增加;在当载荷为2 N、4 N，磨损速率为100 r/min、200 r/min时，焊层的耐磨性是不銹钢基材及JQ-308不锈钢粉芯丝材的1.5倍，主要表现为磨粒磨损和粘着磨损;当载荷为6 N、8 N，速率为300 r/min、400 r/min时，焊层的耐磨性是不锈钢基材及JQ-308不锈钢粉芯丝材的2倍，主要表现为粘着剥落磨损。将性能优异的高熵合金应以粉芯方式应用于电弧熔敷中，可实现实际环境下关键零部件现场电弧快速修复或表面强化。

关键词：高熵合金;粉芯丝材;不锈钢;电弧熔敷;摩擦磨损

中图分类号：TG422.3 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）01-0034-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.05

0 前言

高熵合金是多种合金元素按等原子比合成的一种新型合金材料[1]。相比于传统的单主元或双主元合金，多主元使其具有高熵效应，且原子不易扩散，形成的结构简单、不易形成金属间化合物，这使得高熵合金具有优异的耐磨性和塑性[2-6]。Sajid

Alvi[7]等人采用放电等离子体烧结法制备了一种 CuMoTaWV高熵合金复合材料进行研究，结果表明其由常温到高温的耐磨适应性良好。根据合成金属元素的主元组成不同，其各方面性能有着明显的差异，这使得高熵合金有着重要的应用[8-9]。

粉芯丝材（Cored wire）也称管状丝，根据所需选择金属外皮和配置内部粉芯。金属外皮主要选择塑性较好的低碳钢带或者其他合金或金属带[10-11]。S. Krishnan[12]等研究金属药芯焊丝P91钢埋弧焊，结果表明使用金属药芯焊丝可使焊接速度提高20%，与实心焊丝相比，焊丝沉积率提高42%，使用金属芯填充焊丝对中高厚度P91钢进行脉冲电流气体保护金属电弧焊可提供更高的沉积速率和焊接速度，并增强焊缝性能[12]。粉芯部分可根据设计需要选择各种金属合金、氧化物、碳化物、陶瓷等粉末按比例混合后作为填充物。粉芯丝材兼具实心丝材和粉末的优点，拔丝容易，并且使不导电的粉末材料也能应用于电弧熔敷或电弧的对焊[13]。

近年来，粉芯丝材得到越来越多的运用与开发，如王照峰[14]等研制FeCrNi/WC粉芯丝材，得到的涂层综合力学性能优异，具有较高的结合强度、高致密度、较好的耐热震性能和耐磨损性能。G.N.Sokolov等研究了GMAW工艺（将焊条分成两根，焊条振动，并用填充焊丝冷却焊池金属），减少了电弧对纳米颗粒的热影响，并改善了其向固化金属的质量转移具有细晶粒的复合金属在成核中心的影响下以TiCN纳米粒子簇的形式形成。在焊池中引入具有超分散TiN颗粒的填充药芯焊丝，可提高熔敷金属的电阻Fe-C-Cr-Mo-Ni-B系统对500 ℃的磨料磨损的影响[15]。而粉芯丝材在电弧应用主要在电弧喷涂，在电弧熔敷中的应用较少。研究将高熵合金作为粉芯、以不锈钢为基材制成新型高熵合金粉芯丝材，通过电弧熔敷在不锈钢表面，对其耐磨性和磨损机制进行研究。从材料角度将性能优异的高熵合金应用于电弧熔敷中，为各种实际环境下的现场电弧快速修复提供了一定的应用意义。

1 试验

实验以Fe粉（80～100目），Co粉（80～100目），Ni粉（80～100目），Cu粉（80～100目）以原子比1∶1的比例混合，在行星式球磨机中干磨30 min，磨制均匀，真空干燥24 h制成丝材粉芯。以308不锈钢带为基材，用U型槽圈丝法的传统制丝方式制成直径1.2 mm的高熵合金粉芯丝材，其中高熵合金粉芯填充量为25.5%。

采用ESAB逆交式氩弧焊机，丝材焊接示意如图1所示。在308不锈钢基板上进行单道焊接，采用直流连续送丝的TIG焊，钨极直径6 mm。在焊接电流120～200 A、焊接速度10～20 cm/min、送丝速度150～200 cm/min，焊接角度30°～60°区间进行了大量实验。无焊接质量缺陷参数如表1所示。

采用Nanovea Tribometer微型摩擦磨损试验仪在室温下测试不锈钢基材和高熵合金焊层的耐磨性能，试样尺寸15 mm×10 mm×5 mm，摩擦表面经过打磨抛光，干摩擦条件下摩擦偶件为高铬刚轴承钢球，直径6 mm，采用往复式磨损方式，摩擦长度10 mm。采用不同的载荷（2 N、4 N、6 N、8 N）、不同的转速（100 r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min）和时间5 min对试样进行测试。采用显微镜和扫描电镜分析摩擦磨损后的三维形貌与磨损形貌。

采用HD-XpretPRO型X射线衍射仪分析高熵合金焊道的物相组成。采用SIGMA 500场发射扫描电镜分析磨损后表面形貌，倍率分别为200倍和1 500倍。采用X射线能谱仪对高熵合金焊道表面进行元素分析，通过面扫描方法观察表面元素分布及含量。

由于高熵合金焊丝焊接时粉芯合金并非均匀散布在焊道中，不同位置密度并不相同，采用质量损失的方法误差较大，因此选择采用轮廓仪计扫描表面轮廓计算磨损体积的方法作为测试磨损率的标准。扫描参数为：扫描区域2 mm×2 mm，步长10 μm，扫描速度3.33 mm/s。试样的磨损率为

2 结果与讨论

2.1 高熵合金焊丝焊道物相分析

高熵合金焊丝焊道物相分析如图2所示。由图2可知，高熵合金焊丝焊道合金表面存在两种简单相——高熵合金FCC相和不锈钢相，且两相强度相差较小。根据Jade软件分析，采用谢乐公式[式（3）]计算得出：不锈钢相晶粒尺寸为26.6 nm，FCC相晶粒尺寸为24.8 nm。可见不锈钢和FCC相强度基本一致，晶粒大小均匀。

对焊道表面进行EDS分析，如图3所示。可以看出，金属合金元素基本均匀分布在焊道表面，不锈钢本身具有的Fe、Cr元素较为富集，而粉芯添加的其他金属元素含量比较平均，烧损量相对较低且氧含量较少，说明高熵合金粉芯在焊接过程中烧损量不大，并能稳定地在焊层中形成固溶体。

对高熵合金焊道截面进行金相分析。腐蚀液采用硝基盐酸（3HCl·HNO3），是濃盐酸（HCl）和浓硝酸（HNO3）按体积比为3∶1组成的混合物，其高熵合金焊层显微组织如图4所示，其中图4a、4b为腐蚀时间20 s的金相组织，可以看出基材为简单的奥氏体，但是焊层并未显示明显的组织结构。腐蚀5 min后得到焊层组织结构如图4c、4d所示，可以明显看出焊层大部分为片状珠光体，其中包裹简单FCC相，且不均匀地分布在焊层中。

2.2 高熵合金焊丝、不锈钢基材及常用JQ-308粉芯丝材的摩擦性能

对基材、高熵合金焊道及常用JQ-308粉芯丝材焊道进行不同载荷的磨损实验，结果如图5所示。在不同载荷下，高熵合金焊道的磨损体积和磨损率都低于基材，降低幅度为30%，磨损宽度和磨痕最大深度均有所降低。这说明高熵合金粉芯在熔敷过程中的高熵合金相提高了表面的塑性，提高了耐磨性能，分布于焊层中的高熵合金相对不锈钢有强化作用。

根据基材和高熵合金焊道磨损结果分析，在载荷6 N、摩擦速率200 r/min下的磨损结果稳定准确，以上述参数为例说明基材和高熵合金焊道在磨损行为上的差异，测得的摩擦系数如图6所示，可以明显看出，不锈钢基材的摩擦系数略大于高熵合金丝材，且基材在摩擦2 min后摩擦系数出现明显的波动，而高熵合金丝材摩擦系数基本趋于稳定，平均为0.52。而常用不锈钢粉芯丝材摩擦系数较为稳定，平均为0.39。摩擦剖面图如图7所示，不锈钢基材和高熵合金丝材焊道的耐磨性测试结果如表2所示。

不锈钢基材和高熵合金丝材焊道的磨痕SEM图如图8所示。

可以看出，在6 N、200 r/min摩擦参数下，不锈钢基材的表面发生了严重的磨粒磨损，不锈钢表面材料在钢球摩擦下呈颗粒状大量剥离（见图8b中A区域），且不均匀地分布在摩擦表面和基材表面，从而加剧了磨损，也导致摩擦系数出现不均匀的波动。而高熵合金丝材焊道表面并没有出现大量的磨粒，反之出现细小的犁沟，表面材料发生轻微的材料转移，随着摩擦的进行，材料粘着的加强使得材料表面出现一定的平滑区域（见图8d中B区域）[16]。可见在不锈钢中加入高熵合金，在焊接过程中形成的高熵合金简单的FCC相对不锈钢表面有一定的强化作用，在相同的摩擦参数下，减缓了材料表面的剥离，加强了材料的结合力。

2.3 磨损载荷和磨损速率对高熵合金焊道耐磨性能的影响

取高熵合金焊道试样在摩擦速率200 r/min、摩擦时间5min条件下不同磨损载荷的摩擦系数如图9a所示。由图9a可知，在不同载荷下，试样的摩擦系数变化趋势基本相同，当加载力为2 N时，摩擦系数平均约为0.71;当加载力为8 N时，摩擦系数平均约为0.52。随着加载力的增大，摩擦系数逐渐降低，但是降低程度相对较小，当加载力为6 N和8 N时，摩擦系数变化很小。高熵合金焊道在加载力6 N、摩擦时间5 min的条件下，不同磨损速率的摩擦系数如图9b所示。可以看出，试样的摩擦系数很快趋于稳定，并且随着摩擦速率的增加，摩擦系数逐渐下降，摩擦速率为100 r/min时，平均摩擦系数为0.58;当摩擦速率为400 r/min时，平均摩擦系数为0.33。

不同载荷的磨损测试结果如表3所示，随着加载力的增大，磨痕宽度和深度都随之增大，使得试样的磨损体积和磨损率都随之增加。这是由于加载力的增大增加了磨损过程中摩擦钢球对材料表面的切削作用，增大了材料变形量和转移量，从而导致材料的磨损体积增大。不同磨损速率的测试结果如表4所示，可以看出，随着磨损速率的增加，磨痕的深度、宽度、磨损体积都在增加。由于在相同时间内，摩擦偶对试样表面的摩擦次数增加，表面材料被反复转移而出现裂纹并剥落，也使得磨损率随着摩擦速度的增加而增加。

不同载荷下的高熵合金焊丝焊道的磨损形貌的SEM图片如图10所示。可以看出，随着加载力的增大，磨痕宽度不断增大。当加载力较小时，材料表面只是产生细微的磨粒散布在材料表面。随着加载力的增大，磨粒在摩擦球压应力作用下粘着在材料表面，并随着摩擦的进行不断地堆积增厚，所以加载力的不同对材料磨损情况影响较大[17-18]。磨损速率较低时，随着加载速率的增加，部分黏着层不断增厚。当速度增加到300～400 r/min时，堆积过高的黏着层由于高频率的切削作用，表面开始出现裂纹，并且开始剥离试样表面。说明试样表面的磨损机制和磨损速率存在密切关系，当速度较低时磨损机制表现为粘着磨损，当磨损速率较大时则表现为剥落磨损[19-21]。

3 结论

（1）以308不锈钢为基材，由Fe、Co、Ni、Cu四种合金元素按原子比1∶1制成的高熵合金粉芯丝材，通过电弧熔敷在不锈钢表面得到高熵合金焊道，高熵合金以简单的FCC相不均匀散布在不锈钢焊层中，焊道耐磨损性能高于不锈钢基材，焊道磨损体积和磨损率较基材降低30%，研究表明高熵合金的FCC相对不锈钢耐磨性能有强化作用。

（2）通过对高熵合金焊道的磨损实验得出，当载荷为2 N、4 N，磨损速率为100 r/min、200 r/min时，焊层的耐磨性是不锈钢基材及常用不锈钢粉芯丝材的1.5倍，主要表现为磨粒磨损和粘着磨损，当载荷为6 N、8 N和速率为300 r/min、400 r/min时，焊层的耐磨性是不锈钢基材及常用不锈钢粉芯丝材的2倍，主要表现为剥落磨损。

（3）将高熵合金组成的金属元素按等原子比制成高熵合金粉芯丝材并通过电弧的方式熔敷在不锈钢表面。从材料角度将高熵合金应用于电弧熔敷中，通过粉芯丝材方式将性能优异的高熵合金应用于不同的电弧场所，为实现电弧现场快速修复提供了可靠保证。

参考文献：

[1] 温晓灿，张凡，雷智锋，等. 高熵合金中的第二相强韧化[J]. 中国材料进展，2019，38（3）：242-250.

[2] JULIUSZ D，MAREK Z，WITOLD K，et al. Demystifying the sluggish diffusion effect in high entropy alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds，2019（783）：193-207.

[3] 彭竹琴，李俊魁，卢金斌，等. 稀土CeO2对AlCoCuFeMnNi高熵合金组织与性能的影响[J]. 材料工程，2018，46（8）：91-97.

[4] YE Y F，WANG Q，LIU C T，et al. High-entropy alloy：challenges and prospects[J]. Materials Today Volume，2016，19（6）：349-362.

[6] 李美艳，张琪，韩彬，等. 多主元高熵合金组织性能及塑性变形的研究进展[J]. 材料热处理学报，2019，40（1）：1-8.

[7] SAJID A，FARID A. High temperature tribology of CuMo-TaWV high entropy alloy[J]. Wear，2019（426-427）：412-419.

[8] X FU，C A SCHUH，E A OLIVETTI. Materials selectionconsiderations for high entropy alloys[J]. Scripta Materialia，2017（138）：145-150.

[9] C MATHIOU，A POULIA，E GEORGATIS，et al. Microst-ructural features and dry-Sliding wear response of MoTa-NbZrTi high entropy alloy[J]. Materials Chemistry and Ph-ysics，2018（210）：126-135.

[10] 黄林兵，余圣甫，邓宇，等. 电弧喷涂粉芯丝材的研究进展与应用[J]. 材料导报，2011（3）：63-65.

[11] 刘政军，贾华，李萌. 自保护药芯焊丝堆焊原位合成TiB2-TiC颗粒对堆焊合金组织性能的影响[J]. 材料工程，2018，46（7）：106-112.

[12] S Krishnan，D V Kulkarni，A De. Pulsed current gas metalarc welding of P91 steels using metal cored wires[J]. Jou-rnal of Materials Processing Technology，2016（229）：826-83.

[13] CHU Q L，ZHAN M，LI J H，et al. Experimental investig-ation of explosion-welded CP-Ti/Q345 bimetallic sheet filled with Cu/V based flux-cored wire[J]. Materials and Design，2015（67）：606-614.

[14] 王照鋒，彭伟，秦文平. 高速电弧喷涂FeCrNi/WC粉芯丝材的研制与性能研究[J]. 表面技术，2006，35（5）：17-25.

[15] G N Sokolov，I V Zorin，A A Artem’ev，et al. Thermal and wear-resistant alloy arc welding depositions using compo-site and flux-cored wires with TiN，TiCN and WC nanop-articles[J]. Journal of Materials Processing Technology，2019（272）：100-110.

[16] BAI X，JIN Y X，LU X，et al. Friction and wear performance of in-situ （TiC+TiB）/Ti6Al4V composites[J]. Rare Metal Materials and Engineering，2018（12）：3624-3628.

[17] 周陈新，罗明军，李乐乐，等. TiB2钢结硬质合金摩擦磨损行为[J]. 材料热处理学报，2018，39（8）：114-121.

[18] JOEL V，YU J，TAPANI A P，et al. Adhesive friction and wear of micro-pillared polymers in dry contact[J]. Polymer Testing，2019（73）：258-267.

[19] 周仲炎，庄宿国，杨霞辉，等. Ti6Al4V合金激光原位合成自润滑复合涂层高温摩擦学性能[J]. 材料工程，2019，47（3）：101-108.

[20] MOSTAFA A. Microstructure，wear and friction behavior of nanocomposite materials with natural ingredients[J]. Trib-ology International，2019（13）：184-190.

[21] AKBARPOUR M R，ALIPOUR S. Wear and friction pro-perties of spark plasma sintered SiC/Cu nanocomposites[J].Ceramics International，2017（43）：13364-13370.