表面毛化对巴氏合金MIG堆焊层界面组织及结合强度的影响学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于《表面技术》2021年第50卷第10期，由南华大学阙铭鑫等作者完成，受国家自然科学基金（51975270, 51705287, 51505210）和湖南省自然科学基金（2019JJ40245）资助。研究以Q235钢为基体，采用MIG焊堆焊SnSb11Cu6巴氏合金，系统考察了表面毛化形貌（直槽与网格槽）、槽深（0.15 mm与0.3 mm）和槽间距（1 mm与1.5 mm）对界面组织及结合强度的影响。巴氏合金在大型旋转机械轴承中的应用极为广泛，其堆焊修复质量直接关系到设备运行的可靠性。

试验设计与关键参数

作者设计了系统的正交试验方案，通过X射线衍射仪（XRD）、金相显微镜、扫描电镜（SEM）和X射线能谱仪（EDS）等手段对堆焊层进行多维度表征。核心试验参数与结果如下：

试验结果表明，毛化处理使巴氏合金与钢基体间的结合强度从无毛化试样的39.67 MPa提升至毛化试样的50.14 MPa，提升幅度约26.4%。这一提升幅度在实际工程中具有显著意义，因为巴氏合金轴承的失效往往始于界面脱粘。

界面组织与结合机理分析

作者通过微观表征揭示了毛化处理提升结合强度的三个协同机理：

第一，毛化处理虽然降低了巴氏合金与钢基体的浸润性，但显著增加了接触面积。在直槽毛化中，接触面积的增加主要沿槽长方向展开；在网格槽毛化中，接触面积的增加呈二维网格分布。

第二，毛化凹槽中嵌合的巴氏合金形成了机械咬合作用，类似于榫卯结构。这一机理在高载荷工况下尤为关键，因为机械咬合能有效抵抗剪切应力。

第三，毛化轮廓边缘的材料在焊接热循环作用下易于熔化，促进了界面处的金属间化合物生成。XRD分析证实了界面处存在Fe-Sn等金属间化合物相，这些化合物是化学结合的重要来源。

值得注意的是，虽然网格槽毛化试样可以获得比直槽毛化试样更大的接触面积，但网格槽的轮廓峰对三相线位移产生了更强的钉扎作用，导致巴氏合金的浸润性更差。两种效应的相互抵消使得不同毛化参数试样的结合强度变化不大，这一发现具有重要的工艺指导意义——在实际生产中，直槽毛化因其加工简便性和等效的结合强度，更具工程实用性。

工程应用与工艺建议

从钢管与管件制造的角度来看，巴氏合金堆焊修复技术主要应用于以下场景：一是大型管道法兰面的巴氏合金衬里修复；二是泵壳、阀体等承压部件的巴氏合金堆焊；三是异径管连接面的巴氏合金保护。在这些应用中，表面毛化处理作为前处理工艺，对提升堆焊层与基体的结合质量具有不可替代的作用。

在实际工艺实施中，建议采用以下参数范围：毛化槽深控制在0.3 mm（较深槽能提供更好的机械咬合），槽间距控制在1 mm（较密间距能增加单位面积接触点），优先选用直槽毛化（加工简便且效果相当）。毛化加工可采用铣削、激光刻蚀或化学蚀刻等方法，其中激光刻蚀在精度控制方面具有明显优势。

本文的研究为巴氏合金堆焊修复提供了科学的前处理方案，其揭示的界面结合机理对理解其他异种金属堆焊系统的界面行为也具有普适性参考价值，值得在更广泛的工程场景中进行推广验证。