镍基等离子熔覆堆焊层的空蚀特征与性能
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等离子熔覆Ni基耐磨涂层制备及摩擦学性能闫明明;杜三明;刘超;张永振【摘要】以商用WF260合金粉末为原料,采用等离子熔覆技术在20钢表面制备镍(Ni)基耐磨涂层.在室温干摩擦条件下,采用MM-200型摩擦磨损试验机测试涂层的摩擦磨损性能.采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)及X射线衍射仪(XRD)等对涂层的微观结构和组织成分进行了表征.研究结果表明:所制涂层呈层片状分布,与基体的冶金结合良好,表面存在孔隙现象.组织中存在大量的树枝晶,等离子熔覆层中主要物相为γ-(Ni,Fe)、(Fe,Cr,Ni)mCn、Cr2Ni3、BPO4及Fe5C2.20钢的磨损率为1.90 mm3/min,涂层的磨损率为0.26 mm3/min,大幅改善了基体的耐磨性.涂层的磨损机制为磨粒磨损以及氧化磨损,其主要强化机制为弥散强化和固溶强化.【期刊名称】《河南科技大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2019(040)001【总页数】5页(P1-5)【关键词】等离子熔覆;Ni基涂层;磨损率;耐磨性【作者】闫明明;杜三明;刘超;张永振【作者单位】河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室,河南洛阳471023;河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471023;河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室,河南洛阳471023;河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471023;河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室,河南洛阳471023;河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471023;河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室,河南洛阳471023;河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471023【正文语种】中文【中图分类】TB360 引言表面改性技术对于改善传统材料的服役性能有着十分重要的作用,已成为众多专家学者的研究热点[1-2]。
等离子堆焊粉末参数要求一:Ni 60A是高硬度的镍铬硼硅合金粉末,自熔生、润湿性和喷焊性优良,而且熔点比较低,喷焊层具有硬度高、耐腐蚀、耐磨、耐热特点,难以切削,以湿式磨削为宜。
适用于氧—乙炔火焰或等离子喷焊工艺,常用于耐蚀、耐磨、特别是耐滑动磨损零件的预防性保护和修复,如拉丝滚筒、凸轮、柱塞、轧钢机的输送辊、气门等。
粉末化学成份(W t℅)C Cr Si B Fe Ni0.5-1 14-19 3.5-5.0 3.0-4.5 ﹤8.0 余量粉末熔化温度:960-1040℃喷焊层硬度:HRC:58-62注意事项:1.请严禁按氧-乙炔火焰或等离子喷焊工艺的要求施焊。
2.采用中小型喷枪时,宜选用-150目的粉末,采用大型喷焊枪时宜选用-150/+300目的粉粉末。
3.合金粉如有吸潮现象,使用前应进行干燥处理(120℃,保温1小时)。
二:Ni15是低硬度的镍硼硅自熔合金粉末。
自熔性润湿性较好,喷涂层耐腐蚀,有较好的抗高温氧化性,机械加工性能很好,该产品是本公司专门为修复铸件而开发的,具有独特的喷焊特性和机械加工性能,熔合后铸件的热影响区很小。
适用于氧-乙炔火焰焊工艺,主要用于铸造业,修补铸件缺陷,如发动机气缸、机床导轨等。
粉末化学成份(W t℅)C Li Si B Fe Cu Ni ﹤0.1 ﹤0.1 1.6-2.4 0.8-1.4 ﹤0.5 8.0-10 余量粉末熔化温度:1020-1150℃喷焊层硬度:HR:150-180注意事项:1.请严禁按氧-乙炔火焰喷焊工艺的要求施焊。
2.在喷焊造型复杂的工件时,具体的操作工艺将影响成攻率,有问题请向本公司咨询3.合金粉如有吸潮现象,使用前应进行干燥处理(120℃,保温1小时)。
三:Fe45是中等硬度的铁镍铬硅硼合金粉末。
自熔性较好,具有较好的耐磨性,可以切削加工。
适用于氧-乙炔火焰或等离子喷焊工艺,常用于阀门密封面以及农业、运输、建筑机械的易磨损部位的修复或预防性保护。
等离子堆焊镍基合金粉末的组织与性能徐国建;高飞;杭争翔;张国瑜;邱晓杰【摘要】In order to improve the performance of valve body in complete nuclear power equipment, the microstructure morphology and composition distribution of cladding layer were analyzed with the optical microscope(OM), scanning electronic microscope(SEM), X ray diffractometer(XRD), electronic probe microanalysis(EPMA) and energy dispersive spectrometer(EDS), the hardness of cladding layer was measured with the microhardness tester,and the wear resistance of cladding layer was analyzed with the wear tester. The results show that the cladding layer is mainly composed of hypereutectic microstructure, and the microstructure of cladding layer includes the plane crystal growth area, hypoeutectic microstructure area,eutectic microstructure area and hypereutectic microstructure area from the fusion line to the cladding surface. The metallic phases in the cladding layer are the γ-Ni, CrB, Cr2B, Cr7C3and Cr23C6phases, the primary phase consists of boride(CrB or Cr2B) and carbide(Cr7C3or Cr23C6), and the eutectic microstructure consists of Ni and Fe-rich austenitic solid solution or Ni-rich austenite solid solution. The average hardness of cladding layer surface is above 50 HV, which is about as 3 to 5 times as that of substrate. Compared with the base metal,the wear resistance of cladding layer increases by about 9 times.%为了提高核电成套设备的阀体性能,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电子探针显微分析仪和能谱仪分析了堆焊层的组织形态和成分分布,利用显微硬度计测量了堆焊层的硬度,利用磨损试验机分析了堆焊层的耐磨性.结果表明,堆焊层主要由过共晶组织组成,从熔合线到堆焊表面堆焊层组织依次为平面晶生长区、亚共晶组织区、共晶组织区和过共晶组织区.堆焊层金属相由γ-Ni、CrB、Cr2B、Cr7C3和Cr23C6组成,初晶相由硼化物(CrB或Cr2B)和碳化物(Cr7C3或Cr23C6)组成,而共晶组织主要由富(Ni,Fe)奥氏体固溶体或富Ni奥氏体固溶体组成.堆焊层表面平均硬度达到50 HV以上,约为基体硬度的3~5倍,与母材相比堆焊层的耐磨性约提高了9倍.【期刊名称】《沈阳工业大学学报》【年(卷),期】2018(040)002【总页数】6页(P133-138)【关键词】等离子堆焊;过共晶组织;共晶组织;亚共晶组织;初晶相;奥氏体固溶体;硬度;耐磨性【作者】徐国建;高飞;杭争翔;张国瑜;邱晓杰【作者单位】沈阳工业大学材料科学与工程学院,沈阳110870;沈阳工业大学材料科学与工程学院,沈阳110870;沈阳工业大学材料科学与工程学院,沈阳110870;沈阳工业大学材料科学与工程学院,沈阳110870;南京中科煜宸激光技术有限公司研究院,南京210038【正文语种】中文【中图分类】TG406由于具有良好的延展性、低温韧性及抗腐蚀性,SUS316LN不锈钢广泛应用于核电成套设备中,但SUS316LN不锈钢的耐磨性较差[1-3].为了进一步提高SUS316LN不锈钢的耐磨性和抗氧化性,采用等离子堆焊方法在其表面制备了Ni 基合金强化层,研究了SUS316LN等离子堆焊Ni基合金粉末的最佳工艺参数,在最佳工艺参数条件下分析了堆焊层的成形特点、冶金缺陷特性、组织形态及性能特征.1 试验1.1 试验材料试验材料为SUS316LN不锈钢与WELPC-6镍基合金粉末.SUS316LN不锈钢的化学成分为w(C)≤0.03%,w(Si)≤1%,w(Mn)≤2%,w(Ni)=12%~15%,w(Cr)=16%~18%,w(Mo)=2%~3%,w(N)=0.12%~0.22%,余量为Fe.WELPC-6镍基合金粉末的化学成分为w(C)=0.73%,w(Si)=4.28%,w(Cr)=14.56%,w(Co)=0.09%,w(B)=3.37%,w(Fe)=3.8%,余量为Ni.1.2 试验装置等离子堆焊枪体原理如图1所示.图1 等离子堆焊枪体原理Fig.1 Principle of plasma cladding gun body枪体主要由钨电极、内喷嘴、外喷嘴与保护气喷嘴等组成.等离子堆焊的最佳规范参数是堆焊电流为56~68 A,电弧电压为26 V,旋转工作台旋转速度为0.35r/min,送粉速度为1.5~4.5 g/min,送粉气体流量为4 L/min,等离子气体流量为0.8 L/min,保护气体流量为15 L/min,钨电极直径为3.2 mm,预热温度为643~698 K.采用大越式磨损试验机进行堆焊层耐磨性试验,磨损试验机的工作原理如图2所示.图2中B为摩损轮半径,v为摩损轮转速.摩擦轮材质为AISI D2钢,其硬度为58 HRC,磨损过程中施加载荷为185.22 N,磨损距离为400 m,磨损速度为0.308 m/s.由耐磨性试验结果可以获得堆焊层的摩擦系数,其计算表达式[4]为u=M/rP(1)式中:M为摩擦力矩;r为摩擦轮半径;P为施加载荷.图2 磨损试验装置示意图Fig.2 Schematic wear test device2 结果与分析2.1 堆焊层的断口形貌图3为堆焊层的裂纹形态及断口形貌.如图3a所示,当在未预热的条件下进行堆焊时,堆焊层会形成大量裂纹,裂纹开裂方向几乎与熔合线垂直,且裂纹终止于熔合线,而不向热影响区扩展.如要消除堆焊层裂纹,需对零部件进行643 K以上的预热处理.如图3b、c所示,在堆焊层的裂纹断口处可以观察到山峰状形貌及解理台阶,且部分断口呈现准解理断口特征.堆焊层裂纹断口表面的EDS分析结果如图4所示.由图4可知,堆焊层裂纹断口表面存在Cr元素富集区域,初步推断这些富Cr物质由碳化物或硼化物组成[5-7],这些富Cr物质的存在为准解理断裂提供了必要条件.2.2 堆焊层的显微组织等离子堆焊层的XRD图谱如图5所示.由图5可知,堆焊层金属相由γ-Ni、CrB、Cr2B、Cr7C3和Cr23C6组成.图3 堆焊层的裂纹形态及断口形貌Fig.3 Morphologies of cracks and fracture surface of cladding layer图4 堆焊层裂纹断口表面的EDS分析结果Fig.4 EDS analysis results on fracturesurface of cladding layer在最佳堆焊规范条件下等离子堆焊层的显微组织如图6所示.由图6可见,堆焊层内部无缺陷产生.通过分析堆焊层的金相组织可知,从熔合线到堆焊表面堆焊层组织依次为平面晶生长区(图6中平面晶生长区过小,故未能标注)、亚共晶组织区、共晶组织区和过共晶组织区.过共晶组织中的初晶相形态呈现长条状(见图6a)、星状(见图6b)、针状(见图6c)和块状(见图6d).共晶组织的形态呈现菊花状(见图6e)和普通形态(见图6f).此外,初晶相最大尺寸约为20 μm[8].图5 堆焊层的XRD图谱Fig.5 XRD spectrum of cladding layer图6 等离子堆焊层的显微组织Fig.6 Microstructures of plasma cladding layer 等离子堆焊层组织的EPMA分析结果如图7所示.图7 堆焊层组织的EPMA分析结果Fig.7 Results of EPMA analysis for microstructuresof cladding layer由图7a可见,长条状初晶相中Cr、B含量较多,Ni、Fe含量较少,C含量基本保持不变,因此,初步判定该长条状初晶相为CrB(或Cr2B)相.由图7b可见,菊花状共晶组织的深色部分中Cr、B含量较多,浅色部分中Ni、Fe含量较多,C含量基本保持不变,因此,初步确定该共晶组织由γ-(Ni,Fe)+Cr2B(或CrB)组成.由图7c、d可见,针状及块状初晶相中Cr、C含量较多,Ni、Fe含量较少,B含量基本保持不变,因此,初步确定该初晶相为Cr7C3(或Cr23C6)相.堆焊层普通形态共晶组织的EDS分析结果如图8所示.由图8可见,堆焊层共晶组织的浅色部分中Cr、Fe含量较多,深色部分中Ni含量较高.因此,初步确定该共晶组织由γ-Ni+(Cr,Fe)23C6(或(Cr,Fe)7C3)组成[5].图8 堆焊层共晶组织的EDS分析结果Fig.8 EDS analysis results for eutectic microstructurein cladding layer2.3 堆焊层的显微硬度由母材到堆焊层表面的硬度分布如图9所示.由图9可知,堆焊层平均维氏硬度超过50 HV,母材维氏硬度约为150~200 HV,与母材相比堆焊层硬度提高了3~5倍.CrB(或Cr2B)、Cr7C3(或Cr23C6)等硬质相的存在,导致堆焊层的硬度存在峰值,这是因为这些硬质相能够起到耐磨骨架作用,因而可以显著提高堆焊层的耐磨性[8].图9 堆焊层硬度分布Fig.9 Hardness distribution for cladding layer2.4 堆焊层的磨损性能等离子堆焊层的磨损试验结果及磨损表面状态如图10所示.由图10a可知,堆焊层的摩擦系数约为0.51~0.58,母材SUS316LN不锈钢的摩擦系数约为0.62~0.69.由图10b可知,等离子堆焊层的磨损失重约为380 mg,母材SUS316LN不锈钢的磨损失重约为3 426 mg,与母材相比堆焊层的耐磨性提高了约9倍.由图10c可以观察到,堆焊层磨损表面存在碳化物或硼化物相,这些硬质相在磨损过程中起到了耐磨骨架作用,因而大幅度地提高了堆焊层的耐磨性[9-10].3 结论通过对等离子堆焊层的制备工艺、组织及性能进行研究,获得了如下结论:1) 从熔合线到堆焊表面堆焊层组织依次由平面晶生长区、亚共晶组织区、共晶组织区和过共晶组织区组成,堆焊层金属相由γ-Ni、CrB、Cr2B、Cr7C3和Cr23C6组成.2) 堆焊层过共晶组织中的初晶相由硼化物(CrB或Cr2B)和碳化物(Cr7C3或Cr23C6)组成,且堆焊层初晶相最大尺寸约为20 μm,而共晶组织主要由富(Ni,Fe)奥氏体固溶体或富Ni奥氏体固溶体组成.图10 堆焊层磨损试验结果及磨损表面状态Fig.10 Wear test results and wear surfacestate for cladding layer3) 堆焊层中形成了碳化物和硼化物等硬质相,这些硬质相具有较高的硬度,且弥散分布于基体中,使得堆焊层的平均硬度达到50 HV以上,约为母材硬度的3~5倍.4) 堆焊层的摩擦系数约为0.51~0.58,母材SUS316LN不锈钢的摩擦系数约为0.62~0.69,与母材相比堆焊层的耐磨性提高了约9倍.参考文献(References):【相关文献】[1] 刘珊珊.Ni基合金堆焊性能的研究 [D].沈阳:沈阳工业大学,2015.(LIU Shan-shan.Research on Ni-base alloy welding performance [D].Shenyang:Shenyang University of Technology,2015.)[2] 杨晓雅,何岸,张海龙,等.核电用 316LN 奥氏体不锈钢延性断裂阈值研究 [J].热加工工艺,2015,44(21):94-97.(YANG Xiao-ya,HE An,ZHANG Hai-long,et al.Study on ductile fracture threshold of 316LN austenitic stainless steel for nuclear power [J].Hot Working Technology,2015,44(21):94-97.)[3] 赵彦华,孙杰,李剑峰.KMN 钢激光熔覆 FeCr 合金修复层组织性能及耐磨、耐蚀性研究 [J].机械工程学报,2015,51(8):37-43.(ZHAO Yan-hua,SUN Jie,LI Jian-feng.Research on microstructure properties and 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Science and Technology,2007,29(10):999-1004.)。
等离子熔覆耐磨处理技术青岛海纳等离子科技有限公司一、等离子熔覆技术简介等离子金属表面熔覆处理技术(等离子束金属表面原位冶金技术)是我公司在堆焊以及激光熔覆的基础上自主研发的提高金属表面性能的一项新技术,利用该技术可在金属零部件的表面获得一层具有特殊性能的合金熔覆层,以提高金属零部件的耐磨损、耐冲击和耐腐蚀性能,熔覆层与基体为冶金结合,结合强度高。
该项技术获得了多项国家专利,并且在2008年荣获“国家级科技进步奖二等奖”,以及“中国煤炭工业科学技术奖二等奖”和“中国机械工业科学技术奖二等奖”等多项奖励。
等离子熔覆技术的基本原理是在柔性高温等离子束流作用下,将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、反应、凝固,等离子束离开后自激冷却,从而实现表面的强化与硬化。
2002年12月份通过了对负压等离子束熔覆金属陶瓷涂层技术和数控等离子熔覆强化机床的鉴定,鉴定结论认为该项技术与设备是等离子表面冶金领域的一项重大创新,填补了一项空白,总体技术达到了国际领先水平。
等离子熔覆已在抗冲击耐磨损防腐蚀方面显示其很大的优越性和强大的生命力。
等离子熔覆的特点是:(1)等离子束能量密度高,熔覆耐磨层与基体为冶金结合,结合强度高,不脱落。
(2)无需喷砂等前处理过程,生产工艺简单,降低了生产成本,提高了生产效率。
(3)整个熔覆过程在数控系统控制下实现,自动化程度高,适合进行批量工业化生产。
.(4)对使用环境要求低,无需设备降温、除尘等辅助要求,操作简单,设备维修维护容易。
(5)电热转换效率高,能效比高。
(6)熔覆过程稀释率低,熔覆层性能容易控制。
(7)粉末适用范围广,可使用铁基、镍基、钴基等粉末熔覆。
(8)根据使用要求不同,熔覆层单层厚度可调(0.5mm~6.0mm)。
二、等离子熔覆耐磨处理系列设备DRF-2型数控等离子熔覆耐磨处理设备1、可对中部槽的中板进行耐磨处理。
2、可对平面零部件进行耐磨处理。
3、采用先进的数控技术,根据需要编好程序后自动完成熔覆过程,自动化程度高。
等离子堆焊Ni基合金粉末熔覆层性能研究宇文利,刘秀丽,李伟华(石家庄职业技术学院建筑工程系,河北石家庄050081)摘要:采用等离子堆焊技术在@235钢表面分别堆焊Ni-W-C合金粉末和Ni-Cr-W-mn系复合粉末熔覆层。
利用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪(XRD)及磨损试验机对两种镍基合金熔覆层的微观组织及耐磨性进行了研究。
结果表明,Ni-W-C合金粉末熔覆层显微组织主要为!-Ni,Cr7C3,WC,(Ni,Fe)3(B,C)等,Ni-Cr-W-mn系复合粉末熔覆层显微组织主要为!-Ni,!-(Ni,Fe),WC,W2C,mn31si12,Cr23C6,Cr7C3,NiB,Ni2B等。
Ni-Cr-W-mn系复合粉末较Ni-W-C合金粉末熔覆层耐磨性提高近10倍。
Ni-Cr-W-mn系复合粉末熔覆层通过多元素固溶强化及生成大量金属间化合物提高了熔覆层的硬度及耐磨性。
关键词:等离子堆焊;显微组织;硬度;耐磨性中图分类号:TG174.444 文献标识码:A 文章编号:0254-6051(2006)10-0041-03Study on Properties of Melt-coated Layers with Nickel-based Alloy Powders byPlasma-arc Surfacing WeldingYU Wen-Ii,LIU Xiu-Ii,LI Wei-hua(ArchitecturaI Engineering Department,shijiazhuang VocationaI TechnoIogy Institute,shijiazhuang Hebei050081,China)Abstract:Two kinds of nickeI-based aIIoy powders were deposited on the surface of@235steeI by pIasma-arc surfacing weIding.One was Ni-W-C powders,the other was Ni-Cr-W-mn composite powders.The microstructures and wear resist-ance of two kinds of meIt-coated Iayers were characterized by opticaI microscope,scanning eIectron microscope,X-ray diffractometer and wear tester,and the wear mechanism was aIso discussed.The resuIts show that the microstructure ofcoated Iayers of Ni-W-C and Ni-Cr-W-mn composite powders mainIy consist of!-Ni,Cr7C3,WC,(Ni,Fe)3(B,C)etc.and!-(Ni,Fe),!-Ni,WC,W2C,mn31si12,Cr23C6,Cr7C3,NiB,Ni2B etc.respectiveIy.The wear resistance of the sur-face using Ni-Cr-W-mn composite powders were10times higher than that of Ni-W-C powders.The meIt-coated Iayer with Ni-Cr-W-mn composite powders is strengthened by soIution strengthening of many kinds of aIIoy eIements and intermetaI-Iics.Key words:pIasma arc surfacing weIding;microstructure;hardness;wear resistance3 结论(1)激光熔覆后材料由表及里可分为熔覆区、结合区、热影响区和基体。
等离子喷涂镍基可磨耗封严涂层抗腐蚀及耐磨性能分析于方丽;白宇;吴秀英;王海军;吴九汇【摘要】High-efficiency supersonic atmospheric plasma spraying was used to fabricate Ni-C and NiCrAl-BN abradable seal coatings. The erosion wear, corrosion resistance and wear resistance of plasma-sprayed coatings were comparatively studied.Experimental results showed that the libricating phases were homogeneously distributed in the as-sprayed coatings while their average size of the coating was much fine compared with Ni-C coating, and the former also showed higher surface hardness than the latter. Meanwhile, it was found that the erosive mass loss increased with the increase of impingement angle from 30° to 90° and the relative erosion rate of NiCrAl-BN coating was only a half of that of Ni-C coating. Due to the formation of corrosion product around the flake graphite, the corrosion resistance of NiCrAl-BN coating was better than Ni-C coating in dilute hydrochloric acid (1vol%). However, the hydrochloric acid could permeate the NiCrAl-BN coating through the pores, which resulted in the localized corrosion of metal phases. In addition, we also observed that the friction coefficient of NiCrAl-BN coating significantly decreased from room temperature to 400℃ owing to the formation of large-scale self-lubricating film that resulted from the improvement of plasticity and fluidity of BN.%采用高效能超音速等离子喷涂沉积Ni-C及NiCrAl-BN可磨耗封严涂层,对比研究两种涂层的抗冲蚀磨损、耐腐蚀及摩擦磨损性能。
堆焊镍基耐蚀层工艺的研究与应用于建平;陈彩侠【摘要】Through welding experiment,confirming three kinds of welding method,overlaying Inconel 625,Incoloy 825 Nickel-based w elding material on the carbon steel material,the welding layer deposited metal chemical composition,mechanical properties,microstructure and resist-intergranular corrosion can satisfy the technical requirements of customer and ASME specifications.All have been applied in the company's production and manufacturing,and the effection is good.%通过焊接工艺试验,采用手工钨极氩弧焊、脉冲-自动氩弧焊、熔化极气体保护焊三种焊接方法在碳钢母材上分别堆焊lnconel 625、Incoloy 825镍基焊材,其堆焊层熔敷金属的化学成分、力学性能、金相组织、抗晶间腐蚀能力均满足客户技术要求及ASME规范要求.此镍基焊材已应用于生产制造中,且效果良好.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2017(047)009【总页数】6页(P18-23)【关键词】碳钢;堆焊层;镍基焊材【作者】于建平;陈彩侠【作者单位】上海中洲特种合金材料股份有限公司,上海201815;南德认证检测(中国)有限公司上海分公司,上海200070【正文语种】中文【中图分类】TG455随着油气田、石油化工、海洋石油工程等装置设备的要求不断提高,很多设备需要良好的耐高温、耐腐蚀及较高的机械强度等性能,但价格昂贵。