铌元素对等离子堆焊镍基合金组织与性能的影响

摘要

耐磨材料在石油、化工、核电及采矿等行业中得到快速发展，性能改进的需求也随之而来。Ni-Cr-B-Si系镍基合金由于其熔点低，流动性好，具有良好的耐蚀、耐磨、耐热和抗氧化等综合性能，成为比较理想的耐磨合金。等离子堆焊(PTAW)技术由于具有母材稀释率低、堆焊层致密无缺陷及冶金结合性好等优点已经广泛应用在耐磨合金的堆焊强化中。
　　本文采用等离子堆焊技术在304L不锈钢表面堆焊镍基合金及加入铌粉的复合镍基合金，利用金相显微镜、扫描电镜、电子探针、XRD衍射仪、荧光光谱分析仪、显微硬度计以及磨损试验机等设备，研究焊接电流，铌粉含量等对不同镍基合金堆焊层组织结构、显微硬度及耐磨性能的影响。
　　结果表明，通过衍射图谱及能谱分析，可知Nb/Ni40和Nb/Ni60复合合金粉末堆焊层中均出现了NbC相，证明在等离子堆焊过程中，NbC强化相可以由掺杂的Nb粉和镍基合金粉末中的C元素反应合成。Nb的加入量为2.5wt％时，NbC相成型性不好;加入量为5wt％时，NbC相成型性良好;当加入量超过10wt％时，多余的Nb元素扩散到共晶组织中性能多元共晶化合物。
　　在等离子堆焊复合合金过程中，焊接电流显著影响着基材的稀释率及堆焊层的厚度，电流过低使堆焊层过薄，电流过高使稀释率增加，导致堆焊层中铁元素过多，影响堆焊层性能。
　　在Ni40合金粉末中加入不同含量的Nb粉后，堆焊层组织出现了明显变化，随着加入量的增加，铬化物由基本形态变成针片状（2.5wt％），小花状(5wt％)，条状（10wt％）和网状(15wt％)，树枝晶趋于细化，体积分数呈增加趋势，分布在晶间的铬化物数量也在减少。通过分析比较，发现在140A电流下，加入5wt％Nb粉所得的堆焊层性能最好。
　　在Ni60合金粉末加入不同含量的Nb粉后，堆焊层组织也发生了明显改变，随着Nb粉的不断加入，铬化物由基本形态变成板条状、块状和小花状(2.5wt％)，板条状、针状和小花状（5wt％），麦穗状（10wt％）和羽毛状（15wt％）。通过分析比较，堆焊电流为140A时，Nb粉加入量为5wt％时堆焊层的性能相对最好。