电弧堆焊轻质多主元合金熔覆层技术学习体会

文献概况与技术前沿

本文出自安徽理工大学机械工程学院和南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室，发表于《中国表面工程》2021年第34卷第1期，作者黄绍服等人采用电弧堆焊方法在TC4钛合金表面制备Al-Ti-Cu轻质多主元合金熔覆层。轻质多主元合金（LMPEA）是近年来材料科学领域的研究热点，其独特的晶体结构和力学性能使其在航空航天领域具有极大的发展潜力。本文将轻质多主元合金与钛合金表面改性相结合，拓展了轻质合金的应用范围。

熔覆层的微观组织与相组成分析

XRD相分析结果

熔覆层主要存在BCC结构的AlCu₂Ti相，以及少量的CuO相和Fe₂Ti₃O₉相。AlCu₂Ti相是一种BCC结构的金属间化合物，具有优异的强度和硬度；CuO相是氧化铜，属于碱性氧化物，对熔覆层的性能影响较小；Fe₂Ti₃O₉相是钛铁氧化物，来源于TC4基体中的铁元素与氧的反应。

从相组成的角度来看，AlCu₂Ti相是熔覆层的主要承载相，其BCC结构赋予了熔覆层较高的强度和硬度。少量氧化物相的存在虽然可能影响熔覆层的致密性，但在微米尺度上对整体性能的影响有限。

SEM微观形貌特征

熔覆层枝晶形态整体呈现为花瓣状。这种独特的枝晶形貌是电弧堆焊快速凝固条件下多主元合金的典型特征。在快速凝固过程中，溶质原子的偏析程度降低，枝晶的生长方向更加随机，形成了类似花瓣的形貌。这种形貌有利于提高熔覆层的致密性和均匀性，减少了微观偏析带来的性能波动。

微观成分分布

EDS能谱分析可以揭示熔覆层中Al、Ti、Cu等元素的分布情况。在多主元合金中，各元素的原子半径差异较大，在快速凝固条件下可能产生微观偏析，导致局部区域的成分偏离设计值。花瓣状枝晶的枝晶间区域可能存在富铜或富铝的偏析区，这些区域的力学性能可能与枝晶主干存在差异。

力学性能与耐磨性评价

硬度与耐磨性

在室温下，熔覆层的平均硬度为340.8 HV，干摩擦磨损失效形式为粘着磨损和氧化磨损。与45钢相比，熔覆层的耐磨性更强，磨损体积是45钢的85%。这一结果表明，Al-Ti-Cu轻质多主元合金熔覆层在保持较低密度的同时，实现了优于普通碳钢的耐磨性能。

从磨损机理来看，粘着磨损是由于摩擦表面在接触应力作用下发生局部粘着，随后在相对滑动中被撕裂；氧化磨损是由于摩擦热导致表面氧化，形成氧化膜后被磨粒或摩擦对偶体剥离。两种磨损机制并存说明熔覆层在干摩擦条件下同时面临机械磨损和化学磨损的双重挑战。

密度与比强度

熔覆层的密度为4.88 g/cm³，压缩率为26%，压缩强度为1187 MPa，比强度约为2.661×10⁵ (N·m⁻²)/(kg·m⁻³)，接近Ti合金的比强度，属于比强度较高的轻质合金。这一结果验证了轻质多主元合金作为轻量化材料的应用潜力。

从工程应用的角度来看，4.88 g/cm³的密度远低于普通碳钢（约7.8 g/cm³），但比强度接近Ti合金水平，这意味着在相同载荷条件下，使用轻质多主元合金熔覆层的零件可以显著减轻重量，同时保持足够的结构强度。

工艺特点与质量控制要点

绞股焊丝的应用

本文采用Al-Ti-Cu绞股焊丝作为堆焊材料。绞股焊丝是将多根不同成分的焊丝绞合在一起的复合焊丝，在焊接过程中各根焊丝同时熔化，熔池中的成分均匀混合，有利于获得成分均匀的熔覆层。相比单根焊丝，绞股焊丝的优势在于：一是成分均匀性好，减少了微观偏析；二是焊接工艺稳定性高，熔池流动性好；三是焊接效率较高，适合大面积堆焊。

冶金结合质量

熔覆层与TC4基体呈现出良好的冶金结合。这一结果表明，Al-Ti-Cu合金与TC4钛合金之间的热膨胀系数匹配性较好，在冷却过程中产生的残余应力处于可控范围内。TC4基体中的Al元素与熔覆层中的Al元素具有相同的元素来源，有利于熔合区的成分过渡和结合质量。

质量控制建议

在实际生产中，轻质多主元合金熔覆层的质量控制应重点关注以下方面：一是熔覆层的成分均匀性，通过EDS面扫或线扫分析验证各元素的分布均匀性；二是熔覆层的致密性，通过金相显微镜或扫描电镜检查是否存在气孔、裂纹等缺陷；三是熔覆层的硬度分布，通过显微硬度测试验证硬度梯度是否符合设计要求；四是熔覆层与基体的结合强度，通过剪切试验或剥离试验验证结合质量。

学习心得与行业启示

本文将轻质多主元合金这一前沿材料体系引入电弧堆焊领域，为表面改性技术开辟了新的方向。从钢管和管件行业的角度来看，轻质多主元合金熔覆技术可以在以下场景中找到应用：一是航空用钛合金管件的表面耐磨改性；二是航天用轻质合金结构的表面强化；三是高端装备中轻量化与耐磨性兼顾的关键部件。

从技术发展的角度来看，轻质多主元合金的研究仍处于实验室阶段，距离工业化应用还有相当的距离。主要的挑战包括：一是熔覆层的成分均匀性控制；二是熔覆层的残余应力控制；三是熔覆层的服役性能评估；四是熔覆工艺的可重复性和稳定性。解决这些问题需要材料科学、焊接工程、力学和计算模拟等多学科的协同攻关。