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弧比變化對電火花沉積Ni201修複層界（jiè）麵行為的影（yǐng）響

2016-12-14 來源：江西（xī）理工大學作（zuò）者：趙運才劉宗陽楊雷雷

摘要：再製造修複設備工藝參數選（xuǎn）擇是決定修複層質量的關鍵因素。利（lì）用電火花（huā）沉積技術，在Q235鋼表麵製備Ni201修複改性層，對（duì）比分析弧比取不同（tóng）值時對修複層質量的影響，並利用掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、X射線衍射(XRD)等檢測方法，研究了修（xiū）複層與基體結合界麵的微觀結構、元素分（fèn）布（bù）及相組成。結果表明：弧（hú）比取值在35％～45％之（zhī）間時，修複層組織（zhī）均勻致密（mì），基體元（yuán）素與修複層元素相互擴散形成冶金（jīn）結合，修複層主要由Fel9Ni、C03Fe7、Fe0．9Si0．1和CO．055Fel．945相組成。

關鍵詞：電（diàn）火花沉積；弧比；Q235鋼；界麵行為

0. 引言

電（diàn）火花沉積(electro—spark deposition，ESD)技術實質上是一種微弧焊接工藝Ⅲ，是在惰性（xìng）氣體環境中，利用旋（xuán）轉電極與（yǔ）基體接觸（chù）形成的微弧脈衝（chōng）放電產生高密度能量，瞬間（jiān）產生高溫，將電極材（cái）料熔滲到金屬表麵形成合金強化層的一種（zhǒng）表麵修複強（qiáng）化技術。利用（yòng）電火花沉積技術在機械零件受損部位沉積修複改性層，可以修（xiū）複並提高（gāo）受損（sǔn）零部件的機械（xiè）使用性（xìng）能，從而延長機械產品的使用壽命，降低（dī）製（zhì）造成本，因此，電火花沉積技術在軍工、航空航天、醫療、礦山、汽車行業等領域得到了廣（guǎng）泛的（de）應用口。3]。隨著（zhe）表麵工程領域技術的不斷發展，電火花沉積技術已經成為（wéi）再製造技術中（zhōng）一（yī）項重要的製造工（gōng）藝。

由於電火花沉（chén）積技術在再製（zhì）造領域具有重要意義，許多學（xué）者采（cǎi）用不同的電火花沉積工藝參數，對修複（fù）層的微觀組織及力學性能等進行了不同（tóng）角度的研究，但目前針對不同電火花沉積工藝參數下（xià）製備Ni201修複層界麵行為（wéi）影響的研究（jiū）較少，且Ni201抗腐蝕、耐高溫性能良好，用作修複工件表麵缺陷（xiàn）的材料可以得到表麵質量（liàng）高、加工性能好的修複層，因此，本（běn）文（wén）利用電火花沉積技術，采用不同的弧比(微弧放電時間（jiān）長短的百分比)作為（wéi）主要（yào）對比參（cān）數，在Q235鋼表麵沉積Ni201修複層，對不同參數下的修複層質量進行對比研究，並對修（xiū）複（fù）層與基體結合界麵的顯微組織、物象組成（chéng）、元素分布進（jìn）行研（yán）究（jiū）分析，以期為（wéi）電火花沉積技術在（zài）再製造領域（yù）的實際應（yīng）用（yòng）與推廣提供理論依（yī）據。

1.實驗（yàn）材料和方法

1．1沉積材料及工藝參數

電火（huǒ）花沉（chén）積工藝采用DHD一6000型（xíng）電（diàn）火花沉積設備，修複層由人工手持沉積槍在氬氣保護（hù）下製備完成，放電脈衝輸出頻率40～1200 Hz可調，弧比、轉速0～100％連續（xù）可調。電極材料為$2 mm的Ni201，主要化學成（chéng）分(質（zhì）量分數（shù）)見表1基體材料為Q235鋼，沉積時基（jī）體試樣尺寸為50 mm×50 mm×10 mm。實驗前，先用400目砂紙將基體待（dài）沉積麵的氧化（huà）層除（chú）去，再用丙酮溶液對基體進行（háng）清洗去汙並風幹，依據沉積設備使用（yòng）說（shuō）明（míng）書，按照表2中的沉積工藝參數進行電火花沉積，沉積（jī）時電極伸出沉（chén）積（jī）槍（qiāng）的長度為10 mm。

表1 電極材料的主要（yào）化學（xué）成分(質量分數) ％

表2 沉積工藝參數

1．2 Q235鋼焊接性能分析

基體Q235鋼的（de）化學成分（fèn）如表3所示，根（gēn）據國際焊接學會(IIW)推薦的碳當量公式：

表3 Q235鋼的主要化學成分(質量（liàng）分數) ％

1．3 實驗方法

修複層製備完成後，利用線切割將沉積試樣製成10 mm×10 mm×10 mm的檢測試樣，依次分別用800、1500、3000目的砂（shā）紙和金相拋光機（jī）將檢測試樣橫截麵拋光至光亮（liàng）的鏡麵。對於用於金相組織（zhī）觀察的試樣，其基（jī）體Q235鋼部分用4％的硝酸酒精溶液腐蝕（shí），Ni201修複層（céng）部分用王（wáng）水腐蝕（shí）。對（duì）於用於其（qí）他檢測項目的試樣，最後統一用4％的硝酸酒精溶液腐蝕，以備檢測。

采用MLA650F型掃（sǎo）描（miáo）電子（zǐ）顯微鏡(SEM)對修複層與基體結合界麵的顯微組織進（jìn）行觀察（chá）分析，結合能譜儀(EDX)分析修複層元素分布情況，采用Empyrean型X射線衍（yǎn）射儀對修複層（céng）物相成分進行分析。

2. 實驗結果與討（tǎo）論

2．1 修複層界麵形貌分析

電火花（huā）沉積參數（shù）弧比取值35％和45％時所（suǒ）獲得（dé）的修（xiū）複層界（jiè）麵形貌分別如圖1a和（hé）圖1b所示。由圖（tú）1a可以看出，修（xiū）複層光滑致密，沒有細微的孔洞、裂縫等微觀缺陷，修複（fù）層（céng）與基體緊密結合。圖1b則表現出（chū）明顯的（de）修複缺陷，結合界麵處的基體一側存（cún）在（zài）一條顯微（wēi）裂縫(約3～5μm)，這可能是由（yóu）於多次單點沉積（jī）後（hòu）釋放的熱量產（chǎn）生的熱（rè）應（yīng）力經疊加後超過基體強度導致的。由於修複層製備完成後基體殘餘（yú）熱量的大小是由沉積過程中單次微弧脈（mò）衝放電釋放的能量決定的，而單次微弧脈衝放電釋放的能量大小（xiǎo）與弧比取值（zhí）大小有關，弧比代表的是微弧放電時間長短的百分比，因此隨著弧比取（qǔ）值的增大（dà），微弧放電時問（wèn）得到延長，電極與基體每次接觸釋放的能量（liàng）增加，多次單點沉（chén）積後對基體的累積熱輸入量也隨之增加，導致熱應力增大（dà），當熱應力大小超過基體自身的強度時，將會在靠近熔合線的基（jī）體一側產生顯微裂紋。因此修複層質量（liàng）的好壞與電火花沉積時弧比取值範（fàn）圍的（de）控製緊密相關。由以上分析（xī）可知，在Q235鋼表麵沉積Ni201修複層時，弧比取（qǔ）值應在35叱左右．不宜韶討45％。

圖1 修複層界麵形貌

2．2 結合界麵顯微組織分析

以下均為其他參數不變的情況下（xià），弧比取（qǔ）值為40％時獲得的實驗結果。圖2所示為（wéi）基體Q235的金（jīn）相組織，可看出，組織中主要分布著片狀（zhuàng）鐵素體和（hé）珠（zhū）光體，由於放大倍數較小(20倍)，因此珠光體呈（chéng）現為一團黑色。圖3所示為電火花（huā）沉積（jī）Ni201的修複層組織，主要是呈柱狀晶形態的鑄態組織，其中（zhōng）含（hán）有少量的夾雜。圖4所示為（wéi）弧（hú）比取值40％時得到的修複（fù）層（céng）結合界麵。由結合界麵（miàn）宏觀形貌(圖4a)可看出（chū），修複層與基體結合緊密，結合處沒有出現縫隙等熔合缺陷，基體一側（cè）零星分布著一些黑色物（wù）質，這是沉積過程中析出（chū）的碳化物因腐蝕過度而變黑。圖4b為（wéi）電火花沉積Ni201修複層與基體結合（hé）處

橫截麵的SEM照片（piàn），可看出，在修複層區域，修複

圖4 修複層橫截麵圖(弧比40％)

層組織均（jun1）勻致密，部分區域留有少量拋磨的劃痕，沒有明（míng）顯被酸腐蝕的痕跡，與基體相比，修複層的耐腐蝕性較好，由於修複（fù）層中的主要元素為Ni，容易被鈍化形成鈍化膜，所以可有效降低腐蝕敏感性，提高被修複（fù）零（líng）件的抗腐蝕性。

修複層區域A處是電火花沉積過程中形成的微（wēi）小孔洞(約1 gm)，可（kě）能與下麵兩個因素（sù）有關：一是沉積時電極（jí）材料與基體接（jiē）觸瞬間產生的（de）高（gāo）溫將電極和基體材料熔化甚至汽化，保護氣體（tǐ）流量在某一時（shí）刻的（de）不穩定可能導致空氣溶解於熔融（róng）的金屬中，在迅（xùn）速凝固過程中，空（kōng）氣沒有及（jí）時排出導致形成微小（xiǎo）氣孔；另一因素是受到電火（huǒ）花沉積加熱、熔化、凝固過程中產生的拉伸熱應力影響，導致產生微孔。經（jīng）4％的硝（xiāo）酸腐蝕後，區域B的（de）組織（zhī）結構與基體相同，電火花沉積時，在脈衝放電瞬（shùn）間釋放的高密度能量的作用下，放電區域（yù）中的電極材料和基（jī）體材料被熔融成流體金屬，並相互熔（róng）合，冷卻之後形成（chéng）區域B的組（zǔ）織結構（gòu），由此說明（míng）電火花（huā）沉積是電極材料與基體材料合金熔合的過程。從圖4b中可以看出，部分區域出現（xiàn）低於基體原始界麵的不規則熔合線（xiàn），由（yóu）於沉積過程采用人工手持沉積槍操作（zuò），不（bú）可避免地（dì）在一（yī）些微小區（qū）域發生脈衝放電能量不均勻的情況，導致基體表麵熔化程度不同，因此熔合線並非理想的（de）直線。熔合線（xiàn）靠近基體（tǐ）一側出現密集而（ér）又（yòu）細小（xiǎo）的白色晶體組織，由於（yú）基（jī）體中的鐵（tiě）素體受到電火花微弧放電瞬間產生高溫的影響，發生再結晶現象，故而使得此處的組織被細化而形成了細小的晶體組織，該組織可以（yǐ）起到改善基體硬度和強度的作用。從圖4b還可以（yǐ）看出，基體部（bù）分也出現了少量的微孔(區域C)，C處的微孔形成原因不同於修複層A處，電火花沉積在（zài）冷卻凝固階段的冷卻速率約為105K／s，由於快速冷卻（què），在沉（chén）積過程中會有少量的元素偏析，使已凝固部分的晶界前（qián）沿生長受到阻礙，導致基體產生微小孔洞。

2．3 結合界麵（miàn）主要元素分布

圖5所（suǒ）示為電火花沉（chén）積層界麵結合處主（zhǔ）要元素（sù）的（de）線掃（sǎo）描能譜結果，掃描長（zhǎng）度為41,am，可（kě）以看出（chū）Fe、Ni、Co三種主（zhǔ）要元素相互擴散明顯，元素的質（zhì）量分數呈梯度變（biàn）化的趨勢（shì），主要元素的質量（liàng）分數的梯度分布表明修複層與基體的結合（hé）方式為（wéi）冶金結合。元（yuán）素Fe的質量分（fèn）數由修複層到基體逐漸增大，說明（míng）Fe主要是由基體向修複層擴散，而在修複（fù）層中Fe的質量分數也很高，可能是由於沉積過程中產生的高（gāo）溫使沉積點處的基體處於熔融（róng）狀態，當旋轉電極與基體接（jiē）觸時，部分液態基體金（jīn）屬附著凝（níng）固在電極表（biǎo）麵形成一層包裹層，一方麵阻礙了電極元（yuán）素向基體（tǐ）擴散（sàn），另一方麵也使得元素Fe隨著電極材料沉積到修複層中，導致Fe元素在修複層中的（de）質（zhì）量分數較高。元素Ni的質量（liàng）分數由修複層（céng）到基體逐漸減小，說明Ni主要是由修複（fù）層向基體方向擴散，在深入基體一定距離時，Ni元素的質量分數減小到2％左右，雖然這些元素在基體與修複層都有分布，但分布區域很小，這是由於沉積時基體與修複層材料熔合區域（yù）的溫度雖然很高，但大部分熱量是通過基體釋放，冷卻凝固的（de）速度極快，導致元素擴散不夠充（chōng）分。Co元素分（fèn）布的變化不明顯（xiǎn），由於（yú）沉積（jī）過（guò）程中作為溶質的Co金屬半徑(o．125 nm)與溶劑Fe金屬半徑(0．126 nm)接近，兩（liǎng）者易（yì）於形成置換固（gù）溶體，產生固溶強化作用，因此在（zài）基體與修複層中都分布著一定質量分數的Co元（yuán）素。元素Fe和Ni的線掃描曲線在熔合線靠（kào）近修複層一側出現了一段狹小的緩衝（chōng）平台（tái）區域，由此表明在界麵結合處必然存在一個修複層與基體熔合的過渡區，過渡區域的存在證明沉積過程中（zhōng）基體元素與修複層（céng）元素之間確實發生了相（xiàng）互（hù）擴散的（de）現象。結合元素質量分數變化曲線與電（diàn）火花沉（chén）積（jī）的特點分析，過渡區域的（de）形（xíng）成可能與修複層被（bèi）基體元素稀釋和熔（róng）融合金快速凝固有關。

圖5結合界麵兀（wū）素線掃描結果

2．4修複層界（jiè）麵的物相分析

對Ni201修複層與基體（tǐ）的結合界（jiè）麵進行X射線衍射分析，結果如圖6所示。分析圖中物（wù）相衍射峰可知，修（xiū）複層界麵結合處主要由Fel9Ni和C03Fe7以及少量CO．055Fel．945和FeO．9Si0．1等相組成。CO．055Fel．945相的產生可以（yǐ）證明在（zài）修複層界麵處有馬氏體相的存在。修複層中含有的過渡族元（yuán）素Fe與Si形成的硬質相FeO．9Si0．1可以（yǐ）提高修複層的硬度。在電火花沉積過程中，作為電極材料的Ni201與（yǔ）基體Q235鋼表麵（miàn）接觸瞬（shùn）間會產生5000～25 ooo K的高溫（wēn），電極與基體在高溫的作用下熔化，此時在結（jié）合界麵處的基體一側會有大量（liàng）的Fe元素隨（suí）著熔化的過程擴散到熔融的電極材料中（zhōng），在凝固階段，基體與修複層結合界麵處形成了大量的Fel9Ni、C03Fe7與少量的FeO．9Si0．1，可以幫助改善基體Q235鋼的耐蝕性（xìng）能。經分析，上述（shù）新（xīn）相的存在證明電極材料中的元素與基體（tǐ）元素發生了冶金化學反應。這個過程中可能發生（shēng）的主要反應方程式如下：

圖6修複層結（jié）合界麵XRD衍（yǎn）射圖

可見，沉積到Q235基體上的Ni201修複層，兩者不僅微觀組織發生了變化，而且也發生反應形成了新的產物，說明Ni201修複層不是在Q235基體表麵簡單（dān）的機械堆積（jī），由此也證明（míng）Ni201修複層與基體Q235鋼的主要結合方（fāng）式為冶金結合（hé）。

3. 結論

(1)電火花沉積Ni201改性修（xiū）複層，弧比取值35％時，修複層與基體結合緊密（mì），修複層界麵熔合線處實現光滑過渡，無明顯修複缺陷；而弧比取值45％時，結合界麵（miàn）處出現明顯沉積裂紋。弧比取40％時，修複層界麵狀況與弧比取值35％時相（xiàng）似，修複層組織均勻致（zhì）密，修複層組織（zhī）為柱狀（zhuàng）晶形態。

(2)修複層與基（jī）體結合處發生了以（yǐ）元素Fe和Ni為主的相（xiàng）互擴散現（xiàn）象，表（biǎo）明電火花沉積是一個合金熔合的過程。

(3)Fel9Ni、C03Fe7及少（shǎo）量CO．055Fel．945和硬質相FeO．9Si0．1等新相的產生，說明Ni201修複層與Q235基體（tǐ）中的元素發生了冶（yě）金反應，修複層為冶金結合層。

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