等离子喷焊铁/镍混合基喷焊层Q345复合板的制备

李逸飞,钟维榕，邹昌盛，王浩男，于宏辰*

(1.长春工程学院 应用技术学院,吉林 长春 130021;2.长春工程学院 机电工程学院,吉林 长春 130021)

火力发电作为我国北方目前使用最为广泛的发电形式，对国民经济发展具有重要意义[1-2].然而，在发电厂机组运行过程中，锅炉受热面管面临着高温、固体物料冲蚀、烟气腐蚀等恶劣工况，极易造成管壁腐蚀、磨损减薄甚至泄漏，给锅炉的安全运行带来巨大隐患[3].随着能源结构改革和材料科学的发展，大批新型金属材料应用于电厂锅炉受热面管.其中TP347奥氏体钢由于具有较高的强度、塑性及较强的耐腐蚀性而得到广泛应用[4-5].虽然该钢种的使用很大程度上减少了火电机组的腐蚀爆管次数，但对减轻管壁磨损减薄效果仍不明显.等离子喷焊(Plasma Spray Welding)是以高能量密度的离子弧作为热源，实现涂层与基材之间、涂层颗粒内部之间冶金结合的焊接技术.该技术具有熔覆率高、成本低廉及生产率高等优势，可以有效提高喷涂层的耐磨性，可广泛应用于电站锅炉受热面管的表面处理[6].

目前，通常使用镍粉对钢铁进行等离子喷焊处理，可以有效提高材料表面的耐磨、耐腐蚀性能，但镍粉熔化形成的熔滴与钢铁润湿性较差，喷焊层与钢铁基体的界面结合强度较小且在界面处存在较大微观残余应力.不仅施焊过程中喷焊层容易出现裂纹，并且在外力作用下喷焊层也会过早脱落，从而影响材料的使用寿命.与镍基粉末相比，铁粉形成的熔滴与钢铁润湿性较好，很大程度上保证了喷焊层的质量，并逐渐成为镍基粉末的良好替代品[7].然而，由于喷焊过程中冷却速度较快，所形成的喷焊层往往硬度较高，最终导致喷焊层塑性大幅下降，使得材料使用寿命缩短.因此，对原有喷焊粉末进行成分设计是提高喷焊层塑、韧性的重要途径.众所周知，钢铁中加入镍元素可以扩大奥氏体区，使材料在室温保持奥氏体组织.不仅如此，具有面心立方结构的奥氏体组织很大程度上能够提高喷焊层的塑韧性，从而增强材料的使用寿命[8-10].

因此，本文将铁、镍基合金粉末作为喷焊材料，利用等离子喷焊技术对其进行表面处理，达到调控喷焊层组织及晶体结构的目的，提高强度的同时，喷焊层塑、韧性也有所提升.有效减少锅炉运行过程中奥氏体不锈钢管壁因腐蚀、磨损减薄而发生爆管的次数，保证火电机组的正常运行.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

使用尺寸为300 mm×70 mm×8 mm的Q345钢，其主要化学成分如表1所示.喷焊材料选用目数为200目的Fe55型Fe基自熔性合金粉末和Ni60型Ni基自熔性合金粉末，其主要化学成分如表2所示.选用目数为140～300目的ZrC陶瓷颗粒作为增强相，以期提高铁基合金喷焊层的力学性能.

表1 Q345钢的化学成分

表2 Fe55型 Fe基自熔性合金粉末、Ni60型Ni基自熔性合金粉末主要化学成分

1.2 实验过程

利用等离子喷焊设备(GAP 2001DC)在其表面制备了含有5.0 wt.% Ni粉的铁基合金喷焊层.焊接前对Q345钢进行机械清理.首先，设计简单正交实验以达到优化最佳喷焊工艺的目的，具体参数如表3所示.在等离子喷焊中，焊接电流、送粉速度以及焊接速度是最重要的焊接工艺参数，根据这3个参数，设计相应的3因素3水平正交实验表，以求能够优化出最佳的焊接工艺.根据本文之前的研究，将离子气、保护气的进气量设置为1.2～1.4 L·min-1、10～12 L·min-1.

表3 正交实验设计明细

实验后通过观察焊缝宏观形貌、熔池深度、余高高度以及显微硬度等对焊缝成形系数及硬度较低的工艺进行排除，进而优化出最佳的喷焊工艺.对利用优化工艺制备的试样进行切割取样，利用光镜(Carl Zeiss-Axio Imager A2m)对其进行金相观察与物相分析；利用显微硬度计(1600-5122VD Microment 5104)进行显微硬度测试；利用夏比摆锤冲击实验机(PTM2000)对试样进行冲击测试(样品尺寸为10×10×55 mm3)开V型坡口，用300J的锤子试验，实验温度为25 ℃.最终获得性能最优的等离子喷焊层.

2 结果与讨论

图1为正交试验后所得到的9组焊缝样品的宏观形貌.

图1 正交实验样品焊缝宏观样貌

从图1中可以看出，通过等离子喷焊进行表面处理所得到的焊缝成型较为均匀，没有明显缺陷产生.

图2为正交实验样品焊缝截面图，根据焊缝截面照片对焊缝熔宽、熔深、余高进行测量.进而计算出焊缝成形系数.所得的焊缝成形系数及相应尺寸如表4所示.众所周知，焊缝成形系数过大，会使得焊缝附近材料具有强烈的应力集中，影响材料使用寿命.而焊缝成形系数过小则会降低焊缝整体强度.根据表中所计算的焊缝成形系数，1号样品焊缝成形系数太大，容易出现应力集中，而8号样品焊缝成形系数太小，对焊缝整体强度产生负面作用，因此首先排除1号和8号工艺.

图2 正交实验样品体视显微镜焊缝截面图

表4 焊缝成型系数详细表

图3为正交实验样品Q345金属基体层的光镜组织.由于等离子喷焊过程释放能量较高，热影响区往往会出现组织变化等现象.然而从图3可以看出，焊缝基体附近组织并未发生明显变化仍为铁素体+珠光体组织.这说明使用等离子喷焊对金属表面进行处理，可以有效避免焊缝附近金属材料组织变化.

图4为正交实验样品熔合区金相组织.熔合区作为力学性能最差的关键部分，影响着整个焊缝的使用寿命.然而从图4可以看出，熔合区附近组织均匀，基体与喷焊层结合较好，未发现明显焊接缺陷且两者结合方式为冶金结合.

图4 正交实验样品熔合区金相组织

图5为正交实验样品喷焊层金相组织，喷焊层组织晶粒统计结果如图6所示.从图中可以看出，除3号样品外，其余工艺样品喷焊层组织为粗大的树枝晶，而3号样品中金相组织呈现为细小的球状晶.并且，7、8、9号样品树枝晶粒尺寸较大(高于22 μm).其余具有树枝晶组织的样品晶粒尺寸为～21 μm.值得注意的是，3号试样金相组织晶粒尺寸最为细小为～16 μm.

图5 正交实验样品喷焊层金相组织

图6 正交实验样品晶粒统计图

对正交实验样品进行显微硬度测试，具体测试位置如图7所示.分别对喷焊层、熔合区及基体处进行全方位的硬度检测，每个区域测试硬度3个点并取平均值.最终硬度测试结果如表5所示.从表中可以看出，具有细小球状金相组织的3号试样喷焊层、熔合区及基体硬度均要高于其他工艺制备出的材料硬度.并且对各试样进行冲击试验后发现，3号样品冲击韧度较高为～180 J·cm-2，而其他试样冲击韧度为～150 J·cm-2.因此，优化出具有高性能的铁/镍混合基Q345复合板工艺参数电流为60A，送粉量为35%，焊接速度为40 mm·min-1，离子气流量为1.2～1.4 L·min-1，保护气流量为10～12 L·min-1.

图7 正交实验样品显微硬度测试位置示意图

表5 正交实验样品维氏硬度测试详细数据

对最优工艺参数条件下制备的喷焊层进行XRD测试如图8所示.从图中可以看出，由于Ni的加入，使得焊缝金属在凝固过程中奥氏体区加大，使喷焊层在室温下获得一部分奥氏体组织，这部分奥氏体组织的存在很大程度上提高了喷焊层的塑、韧性.不仅如此，通过XRD测试还发现了Cr7C3化合物，CCr化合物的存在会使喷焊层的整体硬度提高，这也是导致喷焊层具有较高硬度的原因.

角度图8 最优工艺喷焊层XRD衍射图

3 结 论

(1)等离子喷焊最优焊接工艺参数：电流为60A，送粉量为35%，焊接速度为40 mm·min-1，离子气流量为1.2～1.4 L·min-1，保护气流量为10～12 L·min-1.

(2)由于Ni的加入，使喷焊层在常温下获得奥氏体晶，具有球状奥氏体晶粒的喷焊层组织呈现最优的力学性能，喷焊层硬度为707Hv，冲击值为180 J·cm-2.

(3)由于粉末中存在大量Cr元素，在焊缝凝固过程中会析出大量弥散的Cr7C3增强相颗粒，从而产生弥散强化效果，使得喷焊层硬度大幅提高.