等离子喷焊试验部分

2 试验部分

2.1试验材料

1. 喷焊基体材料：尺寸为100 mm×100 mm×16 mm的低碳钢。

2. 合金粉末：Hoganas公司生产的Co基合金粉末( HMSP2541 )，颗粒度53~120 µm，

具体化学成分如下表2.1。

表2.1 HMSP2541Co基合金粉末的化学成分（质量百分比，%）

合金成分 C Mo Cr Ni Si Fe HMSP2541 1.4 1 29.5 3 1.45 3 3. Cr3C2粉末：粒度为80~180 µm。

2.2试验方法

2.2.1 焊前准备

为确保喷焊工艺和质量的稳定性，在喷焊试验之前需对基体进行去污处理。具体方法为：将钢板用清水冲洗并吹干，然后用120 #金相砂纸打磨平滑，最后用丙酮除去表面油污，吹干备用。

2.2.2 混合喷涂粉末制备

使用机械混合法在Co基合金粉末中添加Cr3C2 粉末，Cr3C2 的质量分数( 质量分数，wt% )分别为5 %、10 %和20 %。

2.2.3 焊接工艺

试验采用PTA-400E3-HB型等离子弧喷焊机进行喷焊，在开始喷焊前，先按下摆动和行走按钮，对试样进行居中校直，然后按试验确定的工艺参数进行等离子弧喷焊。具体工艺参数见表2.2。每次喷焊均采用经过优化的工艺参数，以保证试验具有可比性。

表2.2 等离子喷焊工艺参数

转弧电压(V) 转弧

电流

(A)

送粉量

(g/min)

行走

速度

(mm/min)

摆动

宽度

(mm)

摆频

(Hz)

离子气

(m3/h)

送粉气

(m3/h)

保护气

(m3/h)

43~45 232~237 50 54 26 26 0.40 0.3 0.70

2.3 喷焊层组织结构分析和性能测试

2.3.1 试样的制备

为防止切割时发热对喷焊层的影响，采用电火花切割方式切割金相试样和XRD 试样。为了真实反应喷焊层的实际情况，在切割时，将引弧和收弧部分去除，选取中间部位。

2.3.2 XRD相结构分析

用线切割将喷焊层从基材上切下，用自来水和丙酮溶液依次洗净涂层上的油污，吹干后经砂轮打磨，保证所剩部分均为喷焊层。然后再用自来水和丙酮溶液清洗并吹干。将洗净并吹干的合金层用JW-1型固体粉碎机碾磨成粒度约为185 μm的细粉末。

X射线衍射（XRD）是在D8advance型多晶X衍射仪上进行的。X射线衍射采用Cukα靶材，用Ni作为滤光器，加速电压50 kV，电流150 mA，衍射角范围为30o~100o，采用步进扫描，每步停留1 s，步长为0.02°。

根据所得衍射数据，作出衍射图谱，并利用X射线衍射数据库查出衍射峰所对应的物相，以确定合金喷焊层的物相组成。

2.3.3 显微组织分析

切割后的喷焊试样的剖面在砂轮机上进行打磨，直到平整为止。再用砂纸对喷焊面进行细磨，依次选用100#、200#、400#、600#、800#砂纸，直至观察面看不到划痕。最后在抛光机上用粒度为2.5 μm的人造金刚石抛光膏进行抛光，抛光时先把抛光布浸湿，并把抛光膏均匀地涂抹在抛光布的中央，在抛光过程中还需要不断喷水，而且抛光时间不宜过长。

抛光后的试样及时用清水冲洗，用湿棉花擦掉抛光面残留的水迹，经酒精冲洗后再用吹风机吹干。用棉花蘸取王水（HNO3：HCl＝1：3）均匀擦拭制备好的喷焊层的剖面数秒左右，腐蚀好的试样迅速在流动清水下冲洗，用酒精冲掉表面水迹，用吹风机吹干。

利用金相显微镜和扫描电子显微镜进行金相组织观察，并用扫描电镜附件（能谱仪EDS）进行微区成分分析。

2.3.4 硬度试验

用维氏硬度计对试样进行显微硬度测试，硬度试样为沿喷焊层的横截面截取试样，将截取的试样按照金相观察试样的方法制备。显微硬度的测量是在HV-1000显微硬度计上测得的。在试样上自熔合线向近表面均匀取几个点，注意取点时的距离保持不变，测试其硬度。计算显微硬度是用所测得的菱形压痕的对角线的长度，取其平均值来来计算其大小。实验时的加载力为9.8 N，持续时间为20 s。根据

GB/T4340.1-1999金属维氏硬度值表转化，可以求得所测部位的显微硬度。也可以用如下公式对维氏硬度值进行计算。

HV=1854000×1÷(a+b/4)2 ，(a ，b 为菱形对角线的长度，为实验所记录的

数据) 2.3.5 扫描试验

做扫描试验的试样可以和拍金相照片的用同一组。如同照金相照片一样，分别对试样的近熔合区层、中间区和近表面区做放大1000倍、2000倍和5000倍的SEM 图。

2.3.6 纳米压痕试验

纳米压痕试样要求上下面要平整，并且要保持两个试样是相同的高度，以便进行纳米压痕时，同一个槽内可以对两个试样进行测试，从而提高测试的效率。

纳米硬度的测量在Nailo Indenter XP 型纳米压痕仪上进行。其位移分辨率小于0.01 nm ，载荷分辨率小于50 nN 。采用三棱锥形金刚石压头，预设最大载荷为500 pN ，探头的最大压深为500 nm ，Poisson 比取值为0.25。允许热漂移速率为0.05 nm/s ，且在计算目标晶粒的力学数据前利用纳米压痕仪附带的处理软件除去热漂移效应的贡献。

图2.1为Co 基合金喷焊层的载荷-位移曲线。可以看出，在300 mN 的载荷下，压头发生的位移约为1350 nm 。采取连续韧度测量技术( CSM )得到连续载荷下目标组织的纳米压痕硬度–位移曲线，通过对纳米压痕硬度–位移曲线的分析获得目标组织的硬度。

L o a d O n S a m p l e (m N )

Displacement Into Surface (nm)

图2.1 Co 基合金的载荷-位移曲线