机械制造文摘——焊接分册 深度研究 Ａｌ—Ｔｉ—Ｃ合金体系在ＡＩ表面的氩弧熔覆研究 汤文博，王红锐，曲娜娜 （郑州大学材料科学与．ｘ－￣ｌ．Ｅ，河南，郑州４５０００１） 摘要：为了改善铝合金表面的耐磨性，提高其应用价值，采用钨极氩弧焊，将Ｔｉ，ＡＪ，石墨混合一定比例并 压制成近４０ ｍｍ×１０ ｍｍ×１ ｍｍ的合金粉块，通过调整焊接工艺参数，在纯铝表面熔覆了 —Ｔｉ—ｃ合金体系的 堆焊层。采用扫描电镜和ＸＲＤ射线仪对试样进行组织成分检测及物相分析。结果表明，该涂层成形良好，与基体 呈冶金结合状态，无裂纹，无气孑Ｌ，没有生成ＡＩ，Ｃ，脆性相。但堆焊层中有Ｔｊ，ｃ扩散不完全而偏聚，没有完全生成 ＴｉＣ颗粒。明确了提高焊接热输入将有利于体系反应的完全进行，从而生成ＴｉＣ颗粒增强的复合材料涂层。 关键词：氩弧堆焊；碳化钛；铝基复合材料；涂层 中围分类号：Ｔ．Ｇ１４２ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ＡＩ－Ｔｉ－Ｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ Ａｌ ｂｙ ＴＩＧ ｃｌａｄｄｉｎｇ Ｔａｎｇ Ｗｅｎｂｏ，Ｗａｎｇ Ｈｏｎｇｒｕｉ，Ｑｕ Ｎａｎａ （Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅ ｎａ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ Ｔｉ，ＡＩ，ｇｒａｐｈｉｔｅ ｍｉｘｅｄ ｐｏｗｄｅｒ ａｓ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ．Ｐｒｅｓｓｅｄ ｉｔ ｉｎｔｏ ａ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ ｂｌｏｃｋ ｎｅａｒｌｙ ４Ｏ ｍｍｘｌ０ ｍｍ￣ｌ ｍｍ．Ｂｙ＇ＦＩＧ ｃｌａｄｄｉｎｇ．ｆｏｒｍｅｄ ａ Ａｌ—Ｔｉ—Ｃ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏａｔｉｎｇ ｉｎ ｐｕｒｅ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｄｊｕｓｉｔｎｇ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉｉｔｏｎ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ａｎｄ ＸＲＤ ｒａｙｓ．Ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｆｏｒｍｉｎｇ ａ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｂｏｎｄ ｗｉｈｔ ｔｈｅ ｂａｓｅ，ｎｏ ｃｒａｃｋｓ，ｎｏ ｐｏｒｏｓｉｔｙｓ， ｎｏ Ａ１４Ｃ３ ｂｒｉｔｔｌｅ ｐｈａｓｅ．Ｂｕｔ ｔｈｅ Ｔｉ，Ｃ ｉｓ ｎｏｔ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ａｎｄ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ＴｉＣ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｒｅ ｎｏｔ ｉｍｃｏｍｐｌｅｔｅ ｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ｗｉｌｌ ｈｅｌｐ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ＴｉＣ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｍｉｎｆｏｍｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｏａｔｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＴＩＧ ｅｌａｄｄｌｎｇ；ＴｉＣ；ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｃｏａｔｉｎｇｓ 与工程领域的研究热点之一㈣。目前制备铝 Ｏ前 言 基复合材料涂层的方法多用激光熔覆技术。 由于颗粒增强铝基复合材料具有质量 如张松，康煜平等以Ｔｉ，ＳｉＣ混合粉末作为预 轻、比强度和比模量高、热膨胀系数低、耐高 置合金涂层，利用激光熔覆技术在６ｏ６１铝合 温、耐磨、抗辐射和尺寸稳定性好等特点，在 金表面原位自生ＴｉＣ颗粒增强Ａｌ基复合材 航空航天、汽车、电子、造船和兵器等许多行 料涂层［３１。山东大学田等利用激光熔覆法 业具有广泛的应用前景，成为当今材料科学 在ＺＬ１０８表面得到硬度为１９０ ２１０ＨＶ的熔 敷层，其耐磨性也明显改善【４】。 基金项目：郑州大学研究生创新项目（２００９Ａ０７０８） Ａｌ—Ｔｉ—Ｃ体系原位合成整体复合材料的 ２０１０年第５期 １ 深度研究 机械制造文摘——焊接分册 试样进行组织及成分检测，采用ＸＲＤ射线仪 进行物相分析。 ２试验结果与分析 ２．１焊缝组织的扫描电镜图 在试验所述氩弧熔覆工艺条件下，铝合 研究已获得很大的进展 ，相对激光熔覆技 术，氩弧熔覆具有成本低、热量高、熔深大、易 操作、适应性强等优点。若采用氩弧熔覆成功 制备铝基复合材料涂层，将具有很好的推广 应用价值。但目前并未见到氩弧熔覆制备Ａｌ— Ｔｉ—ｃ合金体系堆焊层的相关报道。 利用钨极氩弧熔覆方法，在铝板表面制 金表面生成了一层呈冶金结合状态，致密的 无孔洞，无裂纹的氩弧熔覆层，其试样形貌如 备了Ａｌ—Ｔｉ—ｃ合金体系的堆焊层，并采用扫 描电镜对堆焊层的组织及成分分布进行了分 析、采用ｘ射线衍射仪对堆焊层的物相进行 了分析，从热力学角度分析了钨极氩弧熔覆 制备Ａｌ—Ｔｉ—Ｃ合金体系中的相关反应。指出 提高焊接热输入，增大熔池高温停留时间，有 利于ＴｉＣ的生成。 １试验材料与方法 １．１试验材料 选用的基体材料为铝板，用线切割机裁 剪为２００ ｍｍｘｌＯ０ ｍｍｘ５ ｍｍ的焊接试板，试 板表面用砂纸充分打磨以去除其表面氧化 膜，并用乙醇或丙酮清洗母材表面。氩弧熔覆 用合金粉末成分为Ｔｉ粉（纯度９９％，粒度７５ ＩＪ．ｍ），Ａ１粉（纯度９８％一９９％，粒度７５ ｍ），石 墨粉（纯度９９％，粒度４８ ｍ），三者按质量百 分比２：７：１依次称取。 １Ｉ２试验方法 将各合金粉末混合均匀，并将模具放置 在铝板上固定好，将合金粉末添加至模具槽 中，盖上槽盖，然后放置在ＹＹ一１００Ｔ四柱油 压机上压制合金粉块，压强值为１．５ ＭＰａ。 将压制好的合金粉块固定在模具中放在 铝板上进行钨极氩弧焊，采用交流焊接，其工 艺参数为：氩气流量为０．６ ｍ ，焊接电流为 １５０ Ａ，焊接速度为１．５ ｎｄｍｉｎ。 １．３试样制备 焊接完成后，将氩弧熔覆处理后的试样 沿横截面取小块制备金相试样，试样经金相 砂纸充分研磨后，再使用抛光机抛光，并用酒 精清洗吹干后，采用Ｑｕａｎｔ一２００扫描电镜对 ２ ２０１０年第５期 图ｌａ所示。 该Ａｌ—Ｔｉ—Ｃ合金体系反应的机理是：当 温度升高至Ａｌ的熔点时，合金中的ＡＩ首先 熔化。由于Ａｌ粉非常细小，表面积大，并且通 过预制块中的“毛细管”扩散渗透迅速地覆盖 Ｔｉ，Ｃ粉末，形成巨大的“熔池”，合金块中的 Ｔｉ，ｃ尽管在Ａｌ中的溶解度很小，但仍有一定 的量溶入Ａｌ液中并通过扩散相接触而发生 合成ＴｉＣ的反应，同时放出大量的热量使温 度快速升高，从而加快Ｔｉ，Ｃ的溶解和扩散， 促使反应的进行和完成［９１。 Ａｌ—Ｔｉ—Ｃ合金体系在焊接过程中，可能产 生的化合物有：ＴｉＡ１３，ＴｉＣ，ＡＬＣ３等，可能发生 的反应有： ４ＡＩ＋３Ｃ＝Ａ１４Ｃ３ （１） Ｔｉ＋Ｃ＝ＴｉＣ （２） Ｔｉ＋３ＡＩ＝ＴｉＡ１３ （３） Ｂａｎｅｒｊｉｔ，ｏ计算了反应式（１），（２）的吉布斯 自由能的变化，认为反应式（１），（２）的吉布斯 自由能在ｌ ４５０ Ｋ左右相等，低于此温度时 ＴｉＣ相对于ＡＬＣ，是不稳定的，热力学上分析 会发生下列反应： ４ＡＩ＋３ＴｉＣ＝Ａ１４Ｃ３＋３Ｔｉ （４） ９Ｔｉ＋Ａ１４Ｃ３＝３ＴｉａＡＩＣ＋ＡＩ （５） Ａ．Ｒ．Ｋｅｎｎｅｄｙｔｎｌ等人通过试验方法验证了 ＴｉＣ在铝熔体中的转变，证明了ＴｉＣ与Ａｌ及 Ａ１４Ｃ 之间的反应是一个可逆反应，在低温下 ＴｉＣ倾向于向Ａ１４Ｃ 转化，高温下反之。氩弧 焊时当熔池高温停留时间较长，体系中ＴｉＣ 较Ａｌ Ｃ，稳定，熔池中趋向于生成ＴｉＣ，而不会 生成不稳定的ＡＬＣ。相。 机械制造文摘——焊接分册 深度研究 从图ｌａ中试样的焊缝组织扫描电镜照 相。两种颗粒大多分布于Ａ１晶粒的晶界上， 片可以观察到，堆焊层与基体呈冶金结合状 宏观分布不均匀，存在局部富集。选取其中一 态，无裂纹，无气孔。从图１ｂ可看出，焊缝组 个局部区域放大到图１ｃ，可以看到所生成的 织除铝基体外主要有两种形态的白色颗粒， 立方状颗粒粒度大多在２—３ ｍ之间。 一种为立方颗粒状物相，另一种为长条状物 ２．２焊缝组织能谱分析 （ａ）焊缝横截面扫描图片 （ｂ）试样焊缝组织ＳＥＭ （Ｃ）局部区域的ＳＥＭ 图１焊缝组织的ＳＥＭ形貌分析 试样的能谱曲线如图２所示，当氩弧作 Ｔｉ—Ｃ的合金体系。由于各元素扩散速度及熔 用于合金粉块时，合金粉块中的Ａｌ先熔化， 池温度等因素的影响，使得Ｔｉ，ｃ元素扩散不 然后Ｔｉ，Ｃ元素向Ａｌ熔体中扩散，生成Ａ１一 完全，局部富集。 Ｋ ０ Ｉ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ Ｅｎｅｒ￣ｋｅＹ Ｅｎｅｒ— ｋｅＶ （ａ）焊缝显微组织 （ｂ）灰色区域能谱分析 （ｃ）亮白色区域能谱分析 图２试样能谱分析 张二林等【ｌ２】人建立了Ａｌ—Ｔｉ—Ｃ体系中反 和Ｔｉ的原子百分比接近于ｌ：１，Ｔｉ元素稍微 应生成ＴｉＣ颗粒的动力学模型。其反应机理 富集。而亮白色区域导电性差，说明Ｃ元素扩 为：首先在碳颗粒的周围形成一层富Ｔｉ的复 散不完全，该区域大量富Ｃ。 合层，Ｔｉ原子扩散穿过该层与Ｃ原子反应生 ２．３焊缝组织的ＸＲＤ衍射分析 成ＴｉＣ，形成的ＴｉＣ从溶液中析出且向外扩散。 图３ａ为试样焊缝组织的ＸＲＤ衍射图 合金块中的Ａｌ熔化后，迅速覆盖合金块 谱，与提高焊接热输入后得到的图３ｂ图来对 中的Ｔｉ，ｃ元素，然后在Ｃ周围形成富Ｔｉ区。 比分析。 由图２可知，试样的焊缝组织灰色区域中Ｃ 由图２可观察出试样的焊缝组织中自色 ２０１０年第５期 ３ 深度研究 ＾＆ ｖ 蠼 机械制造文摘——焊接分册 全生成ＴｉＣ颗粒增强。 瑚 啪 咖 鲫 枷 姗 ｏ （３）采用氩弧堆焊得到的复合材料涂层 中没有发现针状的ＡＩ Ｃ，相。 （４）氩弧堆焊时提高焊接热输入，以提 高熔池高温停留时间，有利于体系的完全反 应，生成ＴｉＣ增强的复合材料涂层。 ｌ＿ＬＩ止 ．Ｌ．－ｊ ■．１．． …… 参考文献 ． 【１】范炯．铝基复合材料的焊接［Ｄ】．南京：南京航空 航天大学，１９９８． 【２】中国机械工程学会焊接学会．焊接手册第２卷： Ｉ 材料的焊接［Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００１： ９４１－９４９． １ 【３】张松，康煜平，文忠，等．铝合金表面激光熔覆 一 原位自生ＴｉＣ增强金属基复合材料涂层【Ｊ】．稀有 ＆ 金属材料工程，２００１，３０（６）：４２２－４２６． 【４ 田，４］耿浩然，郁可，等．铝一硅合金表面激光 鹱 合金化处理【Ｊ］．机械工程材料，２００３，２７（８）：４４－４６． 【５］Ｎｕｋａｍｉ Ｔ．Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｉＴＣ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ／ｉｎ Ａ１ ｍａｔｒｉｘ 【Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌｅｔｔｅｒ，１９９８，１７（４）： ２Ｏ ４０ ６０ ８０ ２６７． ２口（ｏ） ［６ 杨６］滨，王玉庆，张键．铝熔体中原位反应生成 （ｂ）提高热输入后试样的ＸＲＤ衍射图谱 ｉＴＣ颗粒的机制分析【Ｊ】．稀有金属材料工程， 图３堆焊组织的ＸＲＤ衍射结果 １９９７，２６（６）：１２－１７． ｆ７１ Ｔｅｓｓｕｙａ．Ｉｎ ｓｉｔｕ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆＴｉＣ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ 亮区域的主要元素是Ａｌ，Ｔｉ，Ｃ三种，其ＸＲＤ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ【Ｊ］．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ａｎｄ 衍射图谱如图３ａ所示，可知，焊缝组织主要 Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｒａｎ—ｓａｅｔｉｏｎ Ａ，１９９５，２６（７）：１８７７． 是基体Ａｌ组成，同时在图３ｂ中ＴｉＣ衍射峰 ［８】Ｙｕｅｅｌ Ｂ．Ｉｎ ｓｉｔｕ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ＴｉＣｐ—Ａ１ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｂｙ￣ａｃｆｉｎｇ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｗｉｔｈ －Ｔｊ ｍｅｌｔｓ【Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ ｆｏ 的对应位置存在微弱的峰形，没有发现ＡＩ Ｃ。 Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９９，３４：ｌ６５３一ｌ６５７． 等中间相。由以上分析，可以推出试样的焊缝 【９ 张二林，９］曾松岩，曾晓春，等．Ｍ／ＴｉＣ复合材料中 组织中可能存在少量ＴｉＣ增强颗粒，但由于 ｉＴＣ合成的研究【Ｊ】．粉末冶金技术，１９９５（１３）： 粉末中Ｔｉ，Ｃ含量较少，反应不完全，存在局 １７０－１７３． 部富集现象，导致ＸＲＤ射线无法分析出ＴｉＣ ［１０］Ｂａｎｅ￣ｉ Ａ，Ｒｅｉｆ Ｗ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｆｏ Ａｌ—Ｔｉ—Ｃ ｇｒａｉｎ ｒｅｆｉｎｅｒｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ＴｉＣ，Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｔｒａｎｓａｃ— 衍射峰。 ｔｉｏｎｓ Ａ，１９８６，１７（１２）：２１２７－２１３７． ３结 论 ｆ１１１ Ｋｅｎｎｅｄｙ Ａ Ｒ，Ｗｅｓｔｏｎ Ｄ Ｐ，Ｊｏｎｅｓ Ｍ Ｉ．Ｒｅａ－ ｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｍ／ＴｉＣ ｍｅｔｌａ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ【Ｊ］． （１）以Ｔｉ，Ａｌ，石墨为混合粉末，采用氩 Ｍａｔｅｒｉｌａｓ Ｓｅｉｅｎｅｅａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ，２００１，３１６： 弧堆焊，在纯铝表面成功地熔覆了Ａｌ—Ｔｉ—Ｃ ３２－３８． 合金体系的堆焊层，该涂层成形良好，与基体 【１２】张二林，杨波，曾松岩，等．Ｍ／ＴｉＣ中ＴｉＣ反应合 成的动力学模型【Ｊ】．航空材料学报，１９９７，１７（３）： 呈冶金结合状态，无裂纹，无气孔。 ４４－５０． （２）氩弧堆焊得到的复合材料涂层中， 作者简介：王红锐，１９８４年出生，硕士研究生。 Ｔｉ，Ｃ并没有完全扩散熔入Ａｌ基体中，没有完 Ｅｍａｉｌ：ｈｒａｙｚｚｕ＠１６３．ｃｏｒｎｏ ４ ２０１Ｏ年第５期
