層間溫度對(duì)ZTA/高鉻鑄鐵復(fù)合材料界面結(jié)合性的影響

韓佳源 焦云征 黃智泉

摘要：選用自主研發(fā)的高鉻鑄鐵型明弧自保護(hù)藥芯焊絲在ZTA增強(qiáng)高鉻鑄鐵基復(fù)合材料試塊上進(jìn)行不同層溫的堆焊實(shí)驗(yàn)。利用體式顯微鏡、光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)熔敷金屬及復(fù)合材料進(jìn)行組織與界面觀察，并用定量金相法對(duì)熔敷金屬碳化物體積百分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明：不同層溫下熔敷金屬均為典型的高鉻鑄鐵組織，其組織由初生碳化物、共晶萊氏體、馬氏體以及殘余奧氏體組成，隨著層間溫度的降低，碳化物體積百分?jǐn)?shù)逐漸升高，在層溫為30 ℃時(shí)熔敷金屬碳化物體積百分?jǐn)?shù)可達(dá)55.17%。層間溫度越低，焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力通過(guò)應(yīng)力釋放裂紋越細(xì)密均勻，層溫30 ℃時(shí)，ZTA顆粒未見(jiàn)裂紋以及界面剝離的情況，適用于復(fù)合材料的堆焊。

關(guān)鍵詞：層間溫度;復(fù)合材料;界面結(jié)構(gòu);組織分析;堆焊

中圖分類號(hào)：TG457.1 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）05-0109-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.20

0 ? ?前言

金屬基復(fù)合材料通常指在金屬基體中加入無(wú)機(jī)非金屬增強(qiáng)體復(fù)合而成的新材料。金屬基體主要保證復(fù)合材料的宏觀形態(tài)與基本物理特性，增強(qiáng)體體現(xiàn)復(fù)合材料的特殊性能與功能，用作增強(qiáng)體的無(wú)機(jī)非金屬包括金屬氧化物、金屬氮化物和金屬碳化物等[1-3]。ZTA（ZrO2韌化Al2O3）陶瓷屬于復(fù)合型金屬氧化物陶瓷，相比于單純的Al2O3陶瓷具有更優(yōu)異的耐磨性和韌性，ZTA顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵基復(fù)合材料廣泛用于制作磨煤機(jī)磨輥、襯板[4]等耐磨部件。高穎超[5]等采用粉末燒結(jié)法制備了陶瓷預(yù)制體，然后采用鑄造法制備了陶瓷顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵基復(fù)合材料，并在磨煤機(jī)磨輥上進(jìn)行了應(yīng)用，磨損5 000 h未見(jiàn)磨輥斷裂及掉塊的現(xiàn)象。陶瓷顆粒與金屬間的潤(rùn)濕角大于90°，且金屬相與陶瓷相之間不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此金屬基體與陶瓷顆粒之間的界面處是復(fù)合材料的薄弱環(huán)節(jié)。劉侃等人[6]通過(guò)改變預(yù)制體粘結(jié)劑中Ti含量來(lái)研究ZTA顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵基復(fù)合材料的界面結(jié)合情況，w（Ti）為15%的粘結(jié)劑制備的預(yù)制體具有一定的強(qiáng)度與抗沖擊性能，在高鉻鑄鐵液鑄滲情況下能保持結(jié)構(gòu)與尺寸，基體與ZTA顆粒結(jié)合界面緊密，無(wú)空隙、孔洞等缺陷。周謨金等人[7]選用包覆有B4C粉末的ZTA顆粒制作了高鉻鑄鐵基復(fù)合材料，在無(wú)壓鑄滲過(guò)程中與陶瓷顆粒和高鉻鑄鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成反應(yīng)型界面過(guò)渡區(qū)，得到了結(jié)合緊密的陶瓷與金屬反應(yīng)型界面。

ZTA顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵基復(fù)合材料的制備工藝和界面研究已較為成熟，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在工程上也得到廣泛應(yīng)用，但此類工件在磨損失效后直接報(bào)廢，是一次性使用產(chǎn)品，造成極大浪費(fèi)。目前針對(duì)此類復(fù)合材料堆焊修復(fù)方面的研究未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。文中采用Pluse MIG-500RP焊機(jī)在ZTA顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵基復(fù)合材料上進(jìn)行堆焊，旨在研究層間溫度對(duì)堆焊熔敷金屬、復(fù)合材料組織及其界面結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用母材為鑄造法生產(chǎn)的ZTA顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵基復(fù)合材料，其中高鉻鑄鐵化學(xué)成分如表1所示，ZTA顆粒物理性能和力學(xué)性能如表2所示。焊絲為自主研發(fā)的φ1.6 mm自保護(hù)藥芯焊絲，其熔敷金屬實(shí)測(cè)化學(xué)成分如表3所示。

1.2 試驗(yàn)方法

選用Pluse MIG-500RP焊機(jī)，ABB機(jī)器人進(jìn)行焊接，共堆焊4層，每道焊完立即噴水冷卻。熔敷金屬總厚度為8 mm，焊接工藝規(guī)范如表4所示。堆焊位置如圖1所示，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，焊道距離蜂窩狀陶瓷復(fù)合區(qū)縱向距離為10 mm，適用于復(fù)合材料的堆焊。測(cè)溫點(diǎn)為下一焊道中間位置如圖2所示。利用Thermo ARL 3460 OES光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析;利用ZEISS SteREO Discovery V8體式顯微鏡進(jìn)行宏觀形貌觀察;利用ZEISS Axio Scope A1金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析;利用Phenom XL G2臺(tái)式掃描電子顯微鏡對(duì)界面進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果分析

2.1 層間溫度對(duì)復(fù)合材料界面的影響

焊前ZTA顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵基復(fù)合材料宏觀形貌如圖3所示。掃描電鏡下ZTA顆粒與高鉻鑄鐵界面結(jié)合情況如圖4所示。由圖3、圖4可知，高鉻鑄鐵緊密包裹ZTA顆粒，未見(jiàn)界面處發(fā)生剝離脫粘的情況。掃描電鏡下ZTA組織如圖5所示，可見(jiàn)焊前ZTA顆粒完整無(wú)缺陷。焊前復(fù)合材料顯微組織如圖6所示，灰色部分為ZTA顆粒，白亮色部分為鑄造高鉻鑄鐵區(qū)，其中初生碳化物呈現(xiàn)出條狀及近似六邊形形狀，其余部分由馬氏體及少量殘余奧氏體組成。中間的黑色條帶部分為試樣磨制過(guò)程中ZTA顆粒因硬度高，ZTA顆粒表面高于高鉻鑄鐵，對(duì)基體高鉻鑄鐵產(chǎn)生了陰影效應(yīng)而產(chǎn)生的條狀區(qū)域。

焊后復(fù)合材料宏觀形貌如圖7所示，線框部分為堆焊高鉻鑄鐵產(chǎn)生的應(yīng)力釋放裂紋。由圖7a可見(jiàn)，層溫為30 ℃時(shí)裂紋自熔敷金屬向下擴(kuò)展，寬度逐漸收窄，最終止于熔敷金屬，并未開(kāi)裂到復(fù)合材料區(qū)。分析原因是堆焊層間溫度較低，焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力通過(guò)熔敷金屬中的應(yīng)力釋放在裂紋中充分釋放，殘余應(yīng)力較小而不足以使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展;由圖7b可知，層溫60 ℃時(shí)裂紋同樣自熔敷金屬向下擴(kuò)展，最終止于母材的高鉻鑄鐵區(qū)，雖未開(kāi)裂至復(fù)合區(qū)，但能觀察到復(fù)合材料區(qū)陶瓷顆粒出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象;當(dāng)層溫為90 ℃時(shí)（見(jiàn)圖7c），ZTA顆粒出現(xiàn)了開(kāi)裂現(xiàn)象，裂紋寬度明顯增大，應(yīng)力釋放裂紋自熔敷金屬向下擴(kuò)展至復(fù)合區(qū)，寬度逐漸收窄，與ZTA顆粒在熱脹冷縮作用下產(chǎn)生的裂紋相遇并連通。

焊后掃描電鏡下復(fù)合材料界面形貌如圖8所示。圖8a為層溫30 ℃時(shí)界面形貌，可見(jiàn)金屬基體有效包裹ZTA顆粒，ZTA顆粒與高鉻鑄鐵界面與焊前一致，未見(jiàn)明顯變化，分析原因是在焊接熱循環(huán)作用下產(chǎn)生的體積收縮與膨脹在高鉻鑄鐵和ZTA顆粒的韌性調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)，此時(shí)ZrO2增韌Al2O3陶瓷的特性得到充分發(fā)揮。ZrO2在常壓下及不同溫度下具有立方（c-ZrO2）、四方（t-ZrO2）、單斜（m-ZrO2）三種不同晶體結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力誘導(dǎo)作用下多晶型ZrO2向單斜晶轉(zhuǎn)變，體積發(fā)生膨脹，微裂紋閉合，相當(dāng)于微裂紋在尖端應(yīng)力場(chǎng)作用下ZrO2晶型轉(zhuǎn)變吸收了能量，起到增韌效果[8-10]，故未見(jiàn)裂紋及ZTA顆粒斷裂的情況發(fā)生。圖8b所示為層溫60℃時(shí)界面形貌，ZTA顆粒發(fā)生了層狀斷裂，且顆粒產(chǎn)生了塊狀剝落的情況，此時(shí)高鉻鑄鐵與ZTA顆粒的韌性無(wú)法完全抵消焊接熱循環(huán)造成的基體膨脹，ZTA顆粒在高鉻鑄鐵的擠壓作用下發(fā)生斷裂。圖8c所示為層溫90℃時(shí)界面形貌，可見(jiàn)復(fù)合材料界面處已經(jīng)產(chǎn)生了剝離，且界面處陶瓷顆粒呈現(xiàn)出塊狀剝落，ZTA陶瓷顆粒內(nèi)部出現(xiàn)剝落坑和貫穿性裂紋，高鉻鑄鐵在壓應(yīng)力作用下也呈現(xiàn)出塊狀剝落現(xiàn)象。ZTA顆粒與基體高鉻鑄鐵塊狀剝落形貌如圖9所示。

2.2 層間溫度對(duì)熔敷金屬顯微組織的影響

不同層間溫度下的熔敷金屬顯微組織如圖10所示，由圖可知，熔敷金屬組織屬于典型的高碳高合金鑄鐵材料，由初生碳化物、共晶萊氏體、馬氏體及殘余奧氏體組成[11]。圖中白亮色近似六邊形組織為先共晶碳化物，先共晶碳化物之間分布著共晶碳化物與奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組成的共晶組織。不同層溫下組織無(wú)明顯差別，利用Miaps-M軟件對(duì)碳化物占比進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果顯示不同層溫下碳化物占比差別不大，層溫30 ℃時(shí)最高，可達(dá)55.17%。分析原因是焊后冷卻速度大，層間溫度越低，初生碳化物液相停留時(shí)間越短，形成數(shù)量越多，占比越高。

2.3 層間溫度對(duì)熔敷金屬應(yīng)力釋放裂紋的影響

不同層間溫度下熔敷金屬應(yīng)力釋放裂紋如圖11所示，可以看出，在層溫30 ℃時(shí)應(yīng)力釋放裂紋最細(xì)密且均勻，層溫60 ℃與90 ℃時(shí)裂紋間距較大且分布不均勻，不利于焊接應(yīng)力的充分釋放，易導(dǎo)致材料在服役過(guò)程中出現(xiàn)整塊剝落的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）在ZTA顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵基復(fù)合材料表面進(jìn)行堆焊時(shí)，焊接熱源距離復(fù)合區(qū)10 mm，層溫60 ℃與90 ℃均會(huì)導(dǎo)致陶瓷顆粒斷裂，且層溫90 ℃條件下陶瓷顆粒與高鉻鑄鐵呈現(xiàn)出塊狀剝落狀態(tài)，層溫30 ℃條件下對(duì)復(fù)合材料界面結(jié)合性無(wú)影響，呈現(xiàn)出高鉻鑄鐵緊密包裹ZTA顆粒的狀態(tài)。

（2）不同層間溫度條件下的熔敷金屬組織均由初生碳化物、共晶萊氏體、馬氏體及殘余奧氏體組成。隨著層間溫度降低，碳化物體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，在層溫為30 ℃條件下體積分?jǐn)?shù)最高，可達(dá)55.17%。層溫30 ℃條件下應(yīng)力釋放裂紋最為細(xì)密均勻，焊接應(yīng)力釋放得最充分。即在層間溫度為30 ℃時(shí)適用于ZTA顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵基復(fù)合材料的焊接。

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