卓金管件有限公司TIG电弧堆焊条件下Ni基熔覆层的微观组织及性能研究——学习体会
文献背景与研究意义
本文发表于《热加工工艺》2022年第51卷第24期，由西安航天动力机械有限公司与西安理工大学材料科学与工程学院合作完成，获国家自然科学基金和西安市科技计划项目资助。研究针对Q345低碳钢基体，设计了3组不同Fe含量的镍基金属粉芯焊丝，采用TIG（GTAW）沉积方法制备"3种过渡层+Inconel 625熔覆层"的梯度结构，系统研究了熔覆层的微观组织、元素分布、物相组成和硬度性能。该研究对于解决低碳钢基体上镍基熔覆层的稀释问题具有重要的理论指导意义。
稀释率问题与过渡层设计
在低碳钢基体上直接堆焊镍基合金（如Inconel 625），面临的核心技术挑战是稀释率问题。Q345钢中的Fe元素会大量溶入熔覆层，导致：
- 熔覆层Ni、Cr含量降低，耐蚀性能下降；
- Fe含量升高促进Laves相（(Ni,Fe)₂₃₋₆(Cr,Mo,Fe)₆）大量析出，导致硬度升高但韧性下降；
- 熔覆层组织偏离设计合金的平衡组织，性能不可预测。
本文提出的"过渡层"策略是解决稀释问题的有效途径。通过设计不同Fe含量的中间过渡层，逐步过渡从Q345钢到Inconel 625的成分梯度，减少基体对最终熔覆层的稀释影响。
过渡层设计参数
| 过渡层编号 | Fe含量设计（质量分数%） | 设计目的 | 预期稀释效果 |
|---|---|---|---|
| 过渡层1 | 高Fe含量（接近基体） | 与基体良好熔合 | 降低界面稀释率 |
| 过渡层2 | 中Fe含量 | 成分梯度过渡 | 平衡稀释与结合 |
| 过渡层3 | 低Fe含量（接近Inconel 625） | 保护最终熔覆层 | 确保熔覆层成分 |
微观组织与物相分析
晶粒形貌演变
本文通过OM和SEM观察发现，在凝固温度的影响下，熔覆层由界面至顶部形成了不同的晶粒形貌。这一现象与TIG堆焊的热循环特征密切相关：
- 界面区域：受基体高温影响，晶粒沿热流方向生长，呈现柱状晶特征；
- 中部区域：热输入相对稳定，晶粒呈等轴晶向柱状晶过渡；
- 顶部区域：热输入较低，凝固温度梯度大，晶粒细小且呈等轴晶。
物相组成
熔覆层主要由以下物相组成：
| 物相 | 晶体结构 | 形成条件 | 对性能的影响 |
|---|---|---|---|
| γ-Ni基体 | FCC | 主要相，Ni、Cr、Fe固溶体 | 提供基体强度和韧性 |
| Laves相 | HCP（六方密排） | Fe含量较高时析出 | 提高硬度，降低韧性 |
| MC相 | FCC（M=Cb, Ta, Mo, W） | Nb、Mo等元素富集 | 弥散强化，提高高温强度 |
元素分布与微观偏析
EDS分析揭示了熔覆层内元素分布的不均匀性：
- Ni、Cr、Fe元素主要富集在晶内（γ-Ni基体中）；
- Mo、Nb在晶间聚集，形成MC相和第二相粒子。
这种微观偏析是凝固过程中的正常现象，但过大的偏析程度会导致性能不均匀。本文发现，随着Fe元素含量的增加，过渡熔覆层中元素偏析程度有所减缓，不规则形状的Laves相含量减少。这一发现具有重要工程意义——适当控制过渡层的Fe含量，不仅可以减少Laves相的有害析出，还可以改善元素分布均匀性。
硬度性能分析
显微硬度测试结果表明：
| 区域 | 平均硬度（HV0.2） | 硬度分布特征 |
|---|---|---|
| Q345基材 | 约180~200 | 均匀 |
| 过渡层上部 | 略低于熔覆层 | 受重复热输入影响 |
| Inconel 625熔覆层 | ≥200 | 均匀，高于基体 |
Inconel 625熔覆层平均硬度达到200 HV0.2以上，得益于合金元素的固溶强化和第二相粒子强化作用。值得注意的是，过渡层上部由于重复热输入影响，硬度值略低——这是TIG堆焊多层沉积过程中的典型现象，后续层的热输入对前一层产生再结晶软化效应。
工程应用思考
梯度熔覆层的工程价值
从工程应用角度，本文提出的"过渡层+Inconel 625"梯度熔覆方案具有以下优势：
- 降低稀释率：通过成分梯度设计，将最终熔覆层的稀释率控制在可接受范围内；
- 改善结合强度：过渡层与基体的成分差异小，冶金结合良好；
- 优化性能匹配：梯度结构避免了基体与熔覆层之间的性能突变，减少界面应力集中。
TIG堆焊工艺参数优化方向
基于本文研究结果，TIG堆焊工艺参数的优化应重点关注：
- 电流大小：影响熔池尺寸和稀释率，需根据焊丝直径和堆焊层厚度调整；
- 焊接速度：影响热输入量和凝固速度，进而影响晶粒尺寸和物相组成；
- 层间温度：多层堆焊时，过高的层间温度导致前层组织粗化和硬度下降；
- 保护气体流量：确保熔池充分保护，避免氧化和氮化。
与现有技术的对比
| 技术方法 | 稀释率控制 | 生产效率 | 设备成本 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| TIG堆焊 | 中等（需过渡层） | 低 | 低 | 精密修复、小面积堆焊 |
| 激光堆焊 | 低 | 高 | 高 | 大面积高效堆焊 |
| HVOF喷涂 | 极低 | 高 | 高 | 超厚堆焊层 |
| 电渣堆焊 | 较高 | 高 | 中 | 大厚度堆焊 |
总结与启示
本文通过系统的微观组织研究和性能测试，揭示了TIG堆焊条件下镍基熔覆层的凝固行为、物相演变和性能特征。"过渡层+Inconel 625"的梯度设计策略为低碳钢基体上镍基熔覆层的稀释率控制提供了有效的技术路径。微观偏析对物相组成和性能的影响规律，为后续工艺参数优化提供了理论依据。对于从事表面工程技术的焊接技术人员，本文的研究方法和结论对于开发新型梯度熔覆层具有重要的参考价值。未来，随着计算材料学的发展，通过相图计算和凝固模拟预测熔覆层组织演变，将进一步提升梯度熔覆层的设计精度和性能可靠性。