1、南京理工大学硕士研究生学位论文开题报告姓 名： 伍钢 学 号： 112161358 学 科： 材料学 所在院系： 材料学院 指导教师： 余进 年 月 日填注：本表内容尽可能打印,宋体小四号，单倍行距。一、 拟选定学位论文的题目名称钢(不锈钢)基体上 CMT 双丝堆焊镍基合金工艺研究二、 选题的科学意义和应用前景在石油化工管道、热交换器、船舶等产品中腐蚀现象特别突出，很容易造成巨大的损失和浪费，甚至出现安全事故；尤其在石油化工阀门管道等领域，不锈钢的防腐产品有时候并不能胜任苛刻的腐蚀环境，这时需要使用 Ni 基高温耐腐合金，尽管很贵重，成本较高，依旧是不可避免的，目前也有很多表面技术熔敷镍基合金
2、，例如激光熔敷、等离子喷涂、电镀等，但这些方法存在一定的问题（激光设备贵重、等离子喷涂结合力不够强、电镀效率不高等） ，因而寻找经济的表面技术迫在眉睫。 本课题针对 Q235 以及奥氏体 304 不锈钢表面堆焊 Inconel625Ni 基合金的焊接工艺探究，采用奥地利 Fronius 公司生产 的 CMT-TWIN 双丝焊接设备，探索实现优质焊接成型堆焊层的工艺参数，以实现堆焊层与基体的可靠连接。研究焊接工艺主要包括焊接参数（电压、电流、送丝速度、焊接速度等）对焊缝成形以及组织的影响，并对最佳成型试样作相关的力学性能测试、金相组织分析、成分测试，在此基础上进行总结和展望。三、 背景科研项目情
3、况简介CMT 焊接技术是一种全新的 MIG 氩弧焊，热输入小、无飞溅、成形美观，而双丝焊技术具有效率高、热输入小等优点，CMT-TWIN 双丝焊接技术融合了 CMT 技术和双丝焊接技术，这中集成技术有利于实现大面积的堆焊工艺。与此同时在碳钢表面堆焊镍基合金这种防腐层，这样不仅可以提高材料使用寿命和性能，而且还能够节约贵重金属的使用，大大降低了成本。而且目前现有的激光熔敷焊方法虽然也能制备较优质的合金层，但裂纹不可避免，另外激光设备成本高昂，不易大批生产；等离子喷涂技术也比较成熟，但是孔隙度和结合力仍然是面临的主要问题；电镀虽然也能获得均匀的镀层，但是制造成本较高、生产效率也不是很理想；综上所述
4、，CMT 双丝焊接技术堆焊镍基合金的工艺研究不仅具有现实意义更具有研究意义。四、学位论文主要研究内容（罗列本学位论文研究的主要问题，例：本学位论文主要包括以下几个方面的研究内容：1、纳米流体的制备：主要研究。2、纳米流体输运参数实验研究：主要研究。3、纳米流体聚集结构导热系数理论研究：主要研究。4、）（1）探究 CMT-Twin 这种新型焊接技术在 Q235 和 304 不锈钢上堆焊 inconel625 的工艺规范以及影响因素。（2）通过讨论单因子的影响后，进行正交工艺优化试验，找到最佳工艺参数。（3）利用最佳规范堆焊出大面积无宏观缺陷的合金层，并对其进行金相组织、力学性能、耐磨性能、成分等
5、进行测试。（4）对参数不良时的焊接缺陷进行分析和提出相应预防措施。五、 预期解决的主要问题（对每个预期解决的问题介绍其难点所在、国内外研究的现状和趋势、解决问题的基本思路和技术路线、预期解决到什么程度）问题 1：堆焊镍基合金容易出现热裂纹 目前的试验研究结果表明，镍基合金的可焊性很差，容易出现热裂纹缺陷，目前采取的主要措施是：1、 严格控制焊丝和母材中的 S、P 等元素的含量，减少或者避免低熔点共晶物质的生成。2、 采取焊前预热、焊后缓冷以及优化焊接热输入。预热和缓冷不仅可以减少焊接残余应力，而且也能使成分均匀化，减小偏析，进一步减小裂纹倾向。问题 2：如何调节工艺参数来减少电弧干扰采用两台
6、CMT 双丝焊机，在两台电源之间增加一个协同装置，从而减少两个电弧之间的影响作用，避免电弧干扰导致的磁偏吹和焊接不稳定以及气孔等缺陷，采取协同和脉冲可以避开两者的电流作用。问题 3：双丝焊热源模型的建立董克权等人分别以高斯热源模型及双椭球形热源模型为基础，推导出两种模型用于双丝焊的计算公式，建立了合适的有限元模型。在充分考虑各种边界条件下，对两种模型所建立的温度场进行了计算，得到 25 钢的双丝焊接瞬态温度场的分布规律。两种模型的仿真结果与工艺试验结果比较表明，双椭球形热源模型比高斯热源模型更适合双丝焊的三维有限元分析。哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室孟庆国等人通过对双丝焊电弧形态
7、及熔滴过渡路径进行分析，发现双丝焊时前丝和后丝的电弧均向两丝中间偏转，利用此现象解释了模拟结果误差产生的原因。并以此为基础，对双椭球形热源模型进行修正，提出了双丝焊的热源模型，利用提出的模型进行计算得到的结果和测量结果吻合良好。问题 4：焊接热源高度集中，温度场分布极不均匀，在焊缝附近应采用足够细密的网格划分以达到必要的精度，结果造成自由度数目庞大，解题规模大。国内外学者采用网格自适应技术，网格自适应技术是一种根据求解精度的需要，自动调整网格粗细以便高效处理存在局部大梯度分布问题的方法。最早由 McDill 等人提出，并在焊接领域得到应用。在网格自适应技术中，关键问题之一是网格细分判据的设定。
8、H.Runnemalm 等人对不同的网格划分判据进行研究，发展出综合优化判据，使网格划分更加合理。解决问题的基本思路和技术路线：在焊缝及其附近的部位用加密的网格，这样考虑了在焊缝处温度梯度变化较大等因素，能够在保持精度的同时减少网格的数量。因为只有在热源附近才有较大的温度梯度，所以在移动热源的情况下，离热源较远的其它部位，即使也处于焊缝及其周围的区域，也没有很大的温度梯度。在这种情况下，如果还采用较密的网格，就会导致大量密网格的同时出现，造成存储空间的浪费，大幅度提高运算成本。因此，较理想的方法是，随着热源的移动，加密网格也跟着移动，这称为动态可逆的自适应网格技术。它允许根据自适应误差准则自动
9、细化网格，在误差减小到一定程度后，自动回到细化前的较稀疏的网格状态。这种技术可有效地处理有移动边界的场问题，在焊接分析时，可使运动的焊枪前沿和熔池等部位始终保持细密的网格，而焊后逐渐冷却的焊缝可恢复稀疏网格。六、开题条件（包括学术条件、设备条件、经费概算及其落实情况）1、学术条件我教研室一直从事先进材料、特种材料以及异种难焊材料的工艺研究，并致力于焊接过程自动控制、弧焊机器人应用技术、焊接设备与机电一体化技术等方面。近年来又进行焊接自动化、智能化领域的研究工作，并指导多名硕士研究生对脉冲TIG焊、CO 2焊动态过程控制的研究工作，进行了异种铝合金、铜钢异种金属和镁铝异种金属的双丝焊研究工作，弧
10、焊机器人任务规划技术应用软件、专家系统软件设计研究，焊接过程的数值模拟，车体炮塔弧焊机器人焊接质量控制技术的研究、大口径弹带熔覆焊技术研究、弧焊电源与控制技术、机电一体化焊接设备、气体保护焊和等离子焊接技术的研究等，取得了令人瞩目的成就。2、设备条件奥地利Fronius 生产的CMT 双丝焊设备，扫描电镜，电子拉伸试验机，ANSYS软件。3、经费概算和落实情况总共经费预计需要 5 万元，现已落实。七、文献综述（通过对文献的整理和归纳，对应“学位论文主要研究内容”一栏所列出的问题，介绍国内外学者对这些问题的研究结果及对其前景的看法。 ）1.1 选题背景和研究意义众所周知，钢铁材料由于其储存丰富、
11、成本低廉且有较优良的综合力学性能，成为现代化制造业以及工程中应用最为广泛的一类材料。我国不仅是钢材生产大国，也是消耗大国；随着全球经济的发展，世界范围内钢铁消耗总量也会随之增加，尤其是钢板的需求量也会大幅度提高【1、2】 。而钢铁材料中，碳钢（含碳量小于 2.11%）凭借其良好的韧塑性而成为用途最为广泛的钢铁材料，通过添加相应的合金元素（Cr、Ni、Mo 等等）可以进一步优化其性能，在机械电子、汽车、船舶等工业领域发挥着重要的作用。虽然碳钢的用量很大，但是和其他金属材料一样，都容易发生腐蚀现象，腐蚀与材料所处环境密切相关【3】尤其在石油化工管道、热交换器、船舶等产品中腐蚀表现特别突出【4、5】
12、 ，容易造成巨大的损失和浪费，甚至出现安全事故；据相关统计，我国每年由于腐蚀造成的经济损失（包括防腐投入）高达 5000 亿人民币，大约占我国 GDP 总值的5%【6 】 。因而，为了提高材料寿命、减小损失和材料浪费，金属材料的防腐工作迫在眉睫，相关研究人员也做了许多广泛的科研工作。目前，在碳钢表面进行改性已成为防腐工作的主要方向，包括激光熔敷、等离子喷涂、电镀、CVD 等等的表面技术都得到了系统而广泛的研究【7】 。 不锈钢是碳钢表面防腐的有效涂层材料，这方面的报道和研究也很多，但是在某些苛刻的腐蚀环境中仍然会有防腐能力不足的问题。镍基合金具有良好的耐高温氧化、耐磨、耐腐蚀等优异的性能，是理
13、想的耐高温防腐材料，尤其是一些不锈钢不能完全胜任的场合，比如石油化工、海洋作业等【8】 。本课题以碳钢（Q235 ）和不锈钢（304）为基体材料，利用 CMT-TWIN（即冷金属过度双丝焊）技术，在基体表面堆焊镍基合金（inconel625） ，以期获得致密结合良好的包覆层，达到良好的高温防腐效果。尽管激光焊、等离子电弧等堆焊技术已经有了广泛的研究，但是成本较高，而且堆焊层依旧存在一些缺陷（裂纹、气孔、不致密等） 。CMT-TWIN 这种新型的焊接技术基于 CMT 单丝焊接方法【9】发开而来，不仅成本相对低廉，热输入小，基体对堆焊层的稀释率也低；另外双丝堆焊效率高，因而是一种非常具有前景的表面
14、改性焊接技术，本文探究此种方法的堆焊工艺性不仅具有研究价值更具有实际意义。1.2Ni 基高温合金概述在现代燃气涡轮发动机的制造过程中，镍基高温合金的用量几乎占到整个高温合金用量的 80%，镍基合金在中高温度下具有优异综合性能，能够长时间在高温下工作，并且能够抗腐蚀和磨蚀，因而是在高温零部件中应用相当广泛，得到许多超合金冶金研究者的青睐。镍基高温合金除了在石油化工输送管道、热交换器、高温废液处理等方面应用，更多的使用在航空领域 1000下工作的零部件中，比如航空发动机的叶片、涡轮机构、燃烧室。因此，对镍基高温合金的研究不仅关系到社会主义现代化的工业建设，而且还与航天航空等国防事业密切相关。1.2
15、.1Ni 基高温合金的发展历程Ni 基高温合金是以 Ni 为基体（含量50%） ，在 6501000之间内拥有较高的强度和良好的抗氧化、抗腐蚀能力的高温合金【10】 。这种多功能合金材料是在 Cr20Ni80 合金基础上发展问世的，同时为了满足 1000左右高温强度、蠕变抗力、疲劳度和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求，合金中加入了大量的强化元素（W、Mo、Ti 等） ，以保证其优越的高温综合性能。镍基高温合金按制造工艺，可分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金。按强化方式，可分为固溶强化高温合金、时效强化高温合金和氧化物弥散强化高温合金。镍与其他合金元素可组成不同的体系，其性能也各异
16、，如 Ni- Cr 系、Ni- Fe-Cr 系、 Ni-Cr-Mo 系等。Ni 基高温合金在整个高温合金体系（Ni 系、Co 系、Fe 系）占据了绝对重要的地位，它的开发和使用始于 20 世纪 30 年代末期，是在喷气式飞机的出现对高温合金的性能提出更高要求的背景下发展起来的。英国在 1941 年首先生产出了 Ni基合金：Ni-20Cr-0.4Ti，之后为了提高蠕变强度又添加元素 Al，成功研制出 Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al 系列合金；美国于 40 年代中期，苏联 40 年代后期，中国于 50 年代中期都成功研制出镍基高温合金，50 年代初真空熔炼技术为炼制高含 Al 和 Ti 的
17、镍基合金开辟了道路，50 年代后期采用熔模铸造技术发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60 年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。从四十年代到七十年代，Ni 基合金的工作温度从 700提高到了 1100【11】 。随后科学界的研究主要集中于合金成分的改进和生产工艺的更新上。1.2.2Ni 基高温合金中元素的作用在所有的高温合金中，Ni 基合金的组成最复杂，在受热耐蚀环境中用途广泛，也是最受科研学者们关注的对象。从来材料学的角度出发，结构和成分决定性能，而镍基高温合金中冶金元素对其综合性能也有着复杂交错的影响。除了常见的需要控制的 P、S 等杂质元素以外，镍基合
18、金中通常还需要添加含有十余种甚至更多的合金元素，比如Cr、Co 、W、Mo、Re、C、B、Ta、Nb、Ti、Al、Zr 、Hf 等等，用以改善镍基合金的性能和组织。（1）Ni 的作用。Ni 基体为面心立方结构，组织非常稳定，从室温到高温不发生同素异型转变，因而作为基体非常有利。Ni 具有很高的化学稳定性，在 500以下几乎不被氧化，常温下也不受潮湿、水及某些盐类水溶液的作用；另外 Ni 在硫酸及盐酸中溶解很慢；镍具有很大的合金化能力，这为改善镍的各种性能提供潜在的可能性【12】 。（2）Cr、Co 的作用。它们主要能起到固溶强化 基体的作用，对合金的抗热腐蚀性非常有利。Cr 可促进颗粒状碳化物
19、在奥氏体晶界上弥散析出（或者沉淀）强化晶界，还可以保护合金表面不受 O2、H 2S 等作用而产生高温氧化和热腐蚀。一般而言，具有耐热腐蚀性能要求的合金都含有较高的 Cr，细化保护膜晶粒，有助于提高其抗高温氧化性【13】 ，但 Cr 的高温强化效果会大大低于 Mo、Nb、Ta、Re 等稀土元素，而且高 Cr 也会促进TCP 相的形成，恶化合金组织的稳定性。Co 主要进于 基体，降低 基体的堆垛层错能，减小 Al、Ti 等在基体中的溶解度，从而增加 相的数量和提高 相的溶解温度，这些对于提高合金的蠕变抗力有着显著的增强效果。此外 Co 还可以增加 Cr、Mo、W 等元素在 基体的溶解度，减少二次碳
20、化物的析出，改善晶界附近碳化物的形态【14】 。但是 Co 也明显降低合金的初始熔化温度，这对于高温合金不利，因此其含量应控制在合理的范围。（3）W、Mo 的作用。这两种元素对于 基体和 相都有强烈的固溶强化作用，加入这些元素可提高原子间结合力，提高合金的再结晶温度 T 和扩散激活能 Q，因此可以有效地提高合金的热强性和持久性能【15】 。Mo 比 W 的效果更为显著，只有加入不小于(7%8%)W 时才显著地改善合金的热强性。但是使用温度更高(1000)时，W 的强化作用较显著【16】 。但它们都能促进 TCP 相形成，尤其是 Mo 等偏析元素在枝晶间富集，对合金的组织稳定性非常不利。而且 W
21、、Mo 在高温氧化条件下，极易形成挥发性的氧化物，因此难以形成致密的氧化膜保护层。在有硫酸盐的环境中，易发生酸性熔融反应而产生严重的热腐蚀。特别是高 Mo 的合金，常发生灾难性的腐蚀后果。因此 Mo 含量一般限定在2%以内。（4）Re 的作用。自扩散对于合金的蠕变性能至关重要，而金属元素的自扩散常数决定于熔点、晶体结构和原子价等等。Re 具有很高熔点和密排六方晶格结构，这种特点不仅对提高合金的蠕变强度大有益处，而且对于合金的抗氧化性能也有利。但 Re 价格昂贵，主要应用在单晶高温合金中。周永军等人对稀土元素的影响进行了讨论，表明稀土原子偏聚于晶界，且主要偏聚于晶界的压缩区；晶界区稀土间相互作用
22、表明稀土原子相互排斥，在晶界区形成有序相，稀土与 S 杂质相互吸引，其结果分散和固定部分杂质，能改善镍基合金的高温性能【17】 。（5）C 、B 的作用。这两种元素均是高温合金中重要的晶界、枝晶间强化元素。C和 B 可以结合一定数量的 TCP 相形成元素，从而提高组织稳定性。C 在镍基高温合金地位显著，倍受广大科研者的关注【18-22】 。镍基高温合金中常见的碳化物有MC、M6C、M23C6 等，其中 MC 型碳化物具有 FCC 结构，点阵常数介于 0.418-0.468nm范围内，且一般呈点状、条状和骨架状三种形态分布于合金内的枝晶间和晶界上。MC 型碳化物并不稳定，在 7501040温度范
23、围内会发生缓慢的分解，最后析出颗粒状的M6C、M23C6 碳化物【23 】 。 M6C 型碳化物具有复杂 FCC 结构，在一些 W、M 含量高的铸造镍基高温合金中，结晶时就能析出 M6C，它们十分稳定，并且很难通过热处理方法予以消除。M23C6 型碳化物在高 Cr 合金中常见，晶体结构为复杂 FCC 结构，点阵常数在1.05-1.07nm 之间。M3B2 是镍基高温合金中常见的硼化物，其点阵常数在 a=0.572-0.585nm，c=0.311-0.320nm 之间，另外也会少量的 M4B3、MB12 等其它硼化物。但加入过多的 B，在晶界上容易形成硬而脆的化合物，甚至降低镍基合金的热加工性和
24、塑性。（6）)Ta、Nb、Ti、Al 的作用。这些元素均是 相形成元素，能够置换 Ni3Al 中 Al原子的位置；在高温合金中添加这些元素之后，能促进 相的析出从而减慢 相的聚集长大过程，最终可提高镍基高温合金的高温强度。与此同时，Ta、Ti、Nb、是 MC 型碳化物形成元素，它们能够加快 MC 的析出，起到强化晶界的作用。高 Ti 可以提高对合金的抗热腐蚀性，而高 Al 则有利于提高合金的抗高温氧化性；Ta 元素则不仅能有效地提高镍基合金的热强性，而且同时还能增加合金的抗氧化性能和耐腐蚀性能；但是 Nb 电负性比较强，容易促进 TCP 相的析出，而且 Nb 在一定程度上会严重损失合金的抗氧化
25、性能；因此高温合金中的 Nb 含量一般均低于 2%【24】 。对合金性能有利的最佳晶界结构为细小的碳化物颗粒弥散地分布在 相膜层中【25】 。 然而长期时效期间， 晶界粗化会严重加剧，碳化物呈链状分布，最后会降低合金的性能【26】 。因此，应找到一个合适的 Nb/Ti 比值，才能控制好初生 MC 的热稳定性，从而使得晶界粗化速度适当低。在某些 Fe-Ni 基高温合金中，有时也会加入较多的 Nb，促使 Ni3Nb 相的析出，但这种相与基体点阵参数相差较大，引起较大程度的晶格畸变，可以显著提高合金在一定高温以下的屈服强度。（7）Zr、Hf 的作用。这两种元素都是强烈促进 相的形成元素，强烈偏聚于晶
26、界和枝晶间，起到强化晶界的作用，它们与 S 有比较强的亲合力，因而可以净化晶界，能够有效减少晶间腐蚀的倾向。其中 Zr 的加入还能降低蠕变速率，并显著改善持久缺口敏感性，提高合金的塑性和加工性能，一般和 B 同时加入效果最佳。1.2.3Ni 基高温合金的抗高温氧化性镍基合金在高温条件下，其抗氧化性主要依靠 Al2O3 和 Cr2O3 的氧化膜层保护起作用，所以镍基合金必须至少含有 Al、Cr 两者中的一种，尤其是当强度要求并不主要的时候，要特别注意合金的抗高温氧化性能和热腐蚀性能双重要求。尽管高温合金的氧化性会因合金元素含量而异，而且高温合金的高温氧化行为很复杂，但通常仍以氧化动力学和氧化膜的
27、组成变化来表征高温合金的抗氧化能力。北京科技大学的孙朝阳等【27】通过高温循环氧化实验，研究了 3 种镍基合金在1095和 1150的高温抗氧化行为，并采用扫描电镜(SEM) 和能谱分析 (EDS) 研究了氧化膜表面形貌、氧化膜厚度及成分。结果表明：BSTMUF601 合金的抗氧化性能优于Inconel601 合金和 Incoloy800H 合金，Incoloy800H 合金抗氧化性能最差。1095下合金的氧化动力学曲线呈抛物线规律（如图 1.1） ，1150 下 Incoloy800H 合金抗氧化性显著降低，试样氧化极为严重，温度低于 1150 时合金均体现出良好的抗高温氧化能力。BSTMU
28、F601 和 Inconel601 合金氧化后表面生成一层致密的氧化膜，经分析主要是 Cr 和Al 的氧化物，且氧化膜外层以 Cr 的氧化物为主，氧化膜厚度接近 50m，Incoloy800H 合金表面氧化层中以 Fe 的不同结构氧化产物为主。华中科技大学的陈阳、吴树森等【28】研究了铸造镍基高温合金 Ni48Cr28 在 950-1150内的氧化动力学，其曲线基本符合抛物线规律。检测结果表明该合金的氧化膜最外层是比较致密的 Mn、Cr 氧化混合物，中间层是致密的 Cr2O3 层，内层则是相对疏松的SiO2 层，并且添加稀土元素能够提高其高温抗氧化性。1.2.4Ni 基高温合金的耐腐蚀性Ni
29、基合金不仅在很多工业苛刻的环境中具有优良的的耐腐蚀以及耐高温腐蚀性能【29】 ，而且具有强度高、塑韧性好、加工性能优异等特点，被广泛应用于石油化工、海洋作业、航空航天等领域。宁礼奎等【30】研究了新型定向凝固镍基高温合金 DZ68 的抗热腐蚀性能，并与K438 合金进行了比较。结果表明：热处理态 DZ68 合金组织中几乎没有(+)共晶组织，碳化物尺寸小，其整体组织比较均匀；在热腐蚀过程中发生比较均匀的腐蚀，其外腐蚀层的腐蚀产物主要是 Cr204，内腐蚀层的腐蚀产物主要是 A1203.热处理态 K438 合金组织中存在较多的(+)共晶和数量较多、尺寸较大的长条状碳化物，组织均匀性较差；在热腐蚀过
30、程中发生不均匀腐蚀,其外腐蚀层的腐蚀产物主要是 NiO，内腐蚀层的腐蚀产物主要是 CrS。两种合金中 Ti 元素的偏析有促进其它元素偏析的倾向，使合金组织的均匀性恶化，热腐蚀均匀性变差。在本实验条件下，DZ68 合金的抗热腐蚀性能略好于 K438 合金。Tang【31】等在含 NaCl 和氧气的超临界压强的环境下，讨论了Figure 1.1 1095下 3 种合金的氧化动力学曲线Incoloy800、Incoloy825、 Inconel625 和 HastelloyC-276 镍基合金的腐蚀行为，结果表明Inconel 625 和 HastelloyC-276 在这种特定的环境下表现出良好的
31、耐腐蚀性；检测到氧化物膜层的主要成分是 NiO、NiCr2O4 以及 Cr2O3，并对镍基合金腐蚀机制进行了讨论。Christopher M. Wyliea【32】等研究了热处理和 Cr 含量对镍基合金耐蚀性的影响，结果表明：热处理对合金耐蚀性的影响不容忽略，含 Cr 量相对低（12.5%）时，其耐蚀性能也会随之降低，而且在 pH=2.5 时，稳定性也会大大降低，并且出现间隙腐蚀；在低 Cr 和 Mo 的区域其组织在腐蚀环境下会发生选择性溶解；Cr 含量高达 25 wt % 时表现出超强的耐腐蚀，可能与 Cr 在合金组织中的均匀分布有关。1.3 Ni-基合金涂层的制备方法1.3.1 激光熔覆技
32、术激光熔覆技术，是一种先进的表面改性技术，它是利用高能量激光束使添加在表面的改性材料和基体的表面熔化，从而形成具有某些特殊功能（耐磨、耐高温腐蚀等）及小的稀释率，并且与基体为冶金结合的涂层。激光熔覆可以在低成本的材料上制备高性能的表面，因此可以降低能耗，并且由于激光熔覆形成的界面层是冶金结合，因而比热喷涂、气相沉积等方法的结合强度高。这种特殊的涂层可以使材料表面具有好的耐磨、耐腐蚀、润滑及抗氧化等所需能力；也可以形成一些功能涂层（防辐射、隐形） ，同时保持基材好的韧性及强度。整体而言，激光设备贵重，虽然生产效率高，但成本较高昂。Lu 等【33】通过激光熔覆的方法在奥氏体不锈钢 AISI321
33、上形成了含有 Ni-Mo-Si，由 Mo2Ni3Si 组成的初树枝晶及晶间 Mo2Ni3Si/NiSi 共晶组成的无缺陷的硅化物涂层，以改善其耐磨性能。结果表明，随着接触应力及摩擦速度增加，覆层质量损失几乎不变，覆层表面光滑未表现出黏着特征，而不锈钢的磨损率却随之迅速增加。李养良等【34】研究表明，由于熔覆层与基体良好的冶金结合，以及基体与涂层元素固溶强化和碳化物等析出相的强化作用，在 45 钢基体上熔覆 Ni 基合金时，激光熔覆层磨损量约为基体的 1/3。张松等【35】利用激光熔覆技术在 Monel400 合金表面制备了镍基合金改性层，涂层与基体呈冶金结合，无气孔、裂纹等宏观缺陷，熔覆层主要
34、由 -Ni 固溶体、多元共晶体及初生碳化物、硼化合物等相组成，合金化区为平面晶和柱状晶组织，熔覆区为树枝晶和共晶组织；选择优化的激光辐照工艺进行熔覆处理时，可获得性能优异的镍基合金改性层，与 Monel400 合金基体相比，镍基合金激光改性层的显微硬度大约是基体的 7 倍，摩擦系数明显减小，相对耐磨性提高了 8.6 倍。1.3.2 等离子喷涂技术等离子喷涂等离子喷涂（示意图 1.2）是一种材料表面强化和表面改性的技术，以等离子弧作为热源，非转移弧为二次热源进行表面加热，可以使基体表面具有耐磨耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能；而且还具有熔深浅、稀释率低(5%)、熔覆速度高
35、、成形规则、加工余量小等优点，且易于实现机械自动化，是一种具有发展前景的堆焊工艺。但真空等离子喷涂成本相对很高，且涂层结合强度不是很理想，并不适宜大批量生产。1-离子气， 2-送粉气，3- 刮板式送粉气，4-钨极，5-喷嘴，6-送粉沟槽，7- 工件；8-旋转式直流弧焊电源，9-可控硅直流弧焊电源吴向清等【36】采用等离子热喷涂技术在钢表面制备了镍基合金涂层，利用SEM、XRD 以及电化学测试等方法对镍基合金涂层的微观组织和腐蚀性能进行了研究，结果表明：镍基合金涂层由单质 Ni 相以及固溶体 Cr1.2Ni2.88、FeNi 3、MoO 2 等组成，在NaCl 含量为 5%溶液的中，镍基合金涂层
36、的腐蚀电流密度为 1.2823x10-6A/cm2，仅仅是N80 钢的 1/50；在饱和 CO2 的地层水+3.5%NaCl 溶液的酸性环境中，Ni 基合金涂层的腐蚀电流密度为 1.072x10-6 A/cm2，仅为 N80 的 1/25，对比两种腐蚀环境条件下，镍基合金涂层的极化曲线都出现了明显的钝化趋势，具有良好的耐蚀性能；在盐雾腐蚀环境中，镍基合金涂层的腐蚀速率是 N80 钢的 1/3，因而显著提高了基体的抗腐蚀性能。乔金士，宣天鹏【37】采用预置粉末等离子熔覆方法，在 45 钢表面制得 Ni60 和Ni60+ WC 的复合涂层，借助 SEM、EDS 和 XRD 等手段研究涂层的抗高温氧
37、化性能。结果表明：在氧化膜形成的初期，氧的内扩散控制其氧化速率，在氧化膜形成的后期则以Cr 离子的扩散为主； 涂层氧化膜的主要成分为 SiO2 和 Cr2O3，涂层的抗氧化性由涂层的组织和成分两者共同来决定，WC 颗粒的加入对涂层的抗氧化性有所增强。V. Pershin 等【38】在不锈钢和 Co 的基体上进行了等离子喷涂镍基合金试验，并讨论了温度、速率以及喷涂的粒子大小对试验的影响，测试了涂层与基体之间的粘附强度、孔隙度、显微组织以及在加热基体上的表层氧化物的厚度和成分。不锈钢上的涂层粘附强度由 25时的 10MPa 变化为 650时的 74MPa，孔隙度在高温加热表面时比较低，基体加热后的
38、表层氧化物厚度比较大，但氧化物单独确无法解释粘附强度升高。Co 基加热时其氧化程度比不锈钢的要低得多，同时也表明加热可以提高其结合强度。1.3.3 电沉积技术镍由于具有良好的耐蚀性，室温下抗氧化性能好，并且不与浓硝酸反应，能耐碱腐蚀等特性，广泛用于航空航天、石油化工、汽车电子以及医疗器械等行业。随着工业发展的需求，单一的镀 Ni 技术已不能满足产品多功能、高性能的要求，在电镀镍层中加入其他合金元素或微粒化合物，形成合金镀层或复合镀层，是提高单一电镀镍层综合性能的重要方式，成为研究热点。合金电镀技术是指两种或两种以上金属离子在阴极上共沉积形成均匀致密镀层的一种工艺，金属共沉积过程需要至少一种金属
39、离子能单独从水溶液中电解析出，且共沉积的金属元素的电位相近，在电沉积过程，向镀液中加入不溶性化合物粒子，形成复合镀层，可使镀层具有某些特殊性能或功能【39】 。张乐【40】采用单脉冲电沉积法制备镍基合金镀层，并用 SEM、电化学和失重法，研究了镀液中添加稀土金属元素对镍基合金镀层的组织和耐蚀性的影响；结果表明：镀液中添加适量的稀土能细化镍基合金镀层组织，使镀层表面平整致密，有效地提高镀层的耐蚀性能，当镀液中添加 0.20g/L 稀土元素时，能使镍基合金镀层在 20，1 mol/L HCl 溶液中的腐蚀速率降低 4.9%。盛敏奇等【41】研究了超声波(100 W-100 kHz)对电沉积 Ni-
40、Co 合金层的结构、组织形貌和性能的影响。结果表明：施加超声波能有效减少电沉积过程中浓度差对扩散的影响，促进阴极表面与镀液界面间的电子转移。超声波可降低 Ni-Co 合金层 Co 的含量并细化晶粒，使镍基合金层变得更为平整。超声波影响 Ni-Co 合金层结构和形貌，可提高合金层的硬度以及在 3.5%NaCl 溶液中的耐腐蚀性。1.3.4 双层辉光技术双层辉光离子渗金属的基本原理,是在真空容器内设置阳极、阴极(基体)和源极(需渗材料) 。阳极和阴极及阳极和源极之间各设一个直流(或脉冲)且可调高压电源。当真空室抽Figure 1.2 粉末等离子喷涂示意图真空到极限时，并充入惰性气体达到工作气压后，
41、接通两个直流高压电源，此时使阳极和阴极以及阳极和源极之间分别产生辉光放电，这就是所谓的“双层辉光放电现象” 【42】 。双层辉光离子渗金属技术隶属于等离子表面处理的范围，它是我国学者自主创新的等离子表面改性技术。该技术是在离子渗氮的基础上发展起来的，将只适用于非金属元素渗入的表面技术拓宽至可进行非金属及金属元素单元或多元共渗的领域技术，极大程度扩大了等离子表面合金化技术的应用范围。徐江、谢锡善、徐重【43】研究了在 20 钢和 Cr18Ni9 的基体上，利用双层辉光离子渗技术进行 Ni-Cr-Mo-Cu 多元共渗表面合金化，采用电化学方法对两种基体表面形成的渗层在 5%HCl 中的腐蚀性能进行
42、了测定。结果表明：在两种基体上都能得到类似于源极HastelloyC-2000 合金的表面渗层，在 Cr18Ni9 表面上形成的渗层的耐蚀性能接近HastelloyC-2000 合金，并且优于 Alloy59 合金，在 20 钢基体上的渗层耐蚀性能要优于不锈钢 Cr18Ni9。朱晓林等【44】采用双层辉光等离子表面技术在 Q235 表面制备 Ni-Cr 合金层，结果表明：等离子共渗之后，Q235 钢表面形成了厚度约 12m 的 Ni-Cr 合金层，渗层分布均匀致密，无孔洞裂纹等宏观缺陷，其表面晶粒凝聚成团，呈颗粒状。Ni、Cr 合金元素由表及里呈梯度分布。合金层主要由 FeCr0.29Ni0.
43、16C0.06、Cr 23C6 以及 相组成，与基体呈冶金结合；电化学腐蚀试验表明合金层在 NaCl 溶液中的自腐蚀电位相对于不锈钢正移 25mV，而且还具有比不锈钢更小的腐蚀电流密度，而在 H2SO4 溶液中合金层的腐蚀电位却负移9mV，但其腐蚀电流密度依旧远小于不锈钢，经过计算得出其腐蚀速度相对于不锈钢分别降低 2.35 倍和 1.30 倍，因此双层辉光等离子镍铬共渗可显著提高 Q235 的耐腐蚀性能。1.4CMT 及 CMT-TWIN 焊接技术1.4.1CMT 焊接技术的原理和特点CMT，即 Cold metal transfer（冷金属过渡）的简称，CMT 技术是在钢和铝的焊接、无飞溅
44、起弧技术以及微型焊接需求的基础上发展而来。早在 1991 年，Fronius 就致力于研究钢和铝的焊接。1997 年 Fronius 公司成功开发了无飞溅起弧技术，这项技术为 CMT 的发展奠定了基础。而后经过五年的努力，Fronius 公司在 2002 年成功开发出 CMT 焊接系统，并最终将该技术应用于生产过程中。这里所谓的“冷”实际上是相对于传统MIG/MAG 等焊接方法而言，由于其热输入更小更低，因此而得名。CMT 技术与普通的 MIG/MAG 焊有着三个明显的区别之处【45】：（1）送丝运动与过程控制高度统一。CMT 技术第一次将送丝运动与焊接过程直接地联系起来。当数字化控制系统监测到短路信号时，会实时反馈给送丝机，送丝机则立即作出回应回抽焊丝，从而促使焊丝与熔滴分离，而传统的短路过渡时，熔滴主要是依靠较大电流的电磁收缩力产生脖颈而过渡到熔池，因而这种全数字化的熔滴过渡方式和传统的过渡方式相比完全不同。（2）低热输入。CMT 技术实现了几乎无电流状态下的熔滴过渡。当焊丝与工件发生短路时，电流即转变为很小的短路电流（见图 1.3） ，这时送丝机停止送丝并自动回抽焊丝。正是这样就减少了电弧输入热量作用的时间，短路时电弧熄灭，从而大幅度地降低热输入量。焊接过程就是在“热-冷-热-冷”交替中周期性的循环往复。
