Q235钢表面TIG焊堆焊铁基非晶涂层的组织与性能学习体会

文献概况与研究背景

李越等人在2020年《材料导报》第34卷第18期发表的《Q235钢表面TIG焊堆焊铁基非晶涂层的组织与性能》，是一项关于铁基非晶合金表面涂层的创新性研究。南昌大学机电工程学院机器人及焊接自动化重点实验室依托江西省主要学科学术和技术带头人项目（20182BCB22001）的资助，采用TIG焊（钨极惰性气体保护焊）堆焊方法在Q235基板上制备了铁基非晶合金涂层。

铁基非晶合金（Fe-based amorphous alloy）是一种具有独特性能的新型金属材料。非晶态材料没有长程有序的晶体结构，因此具有以下优势：

• 硬度高：非晶态的无序结构使得位错运动受阻，硬度显著高于晶态合金。
• 耐腐蚀性好：非晶态材料没有晶界，减少了电化学腐蚀的活性位点。
• 磁性能优异：铁基非晶合金具有优异的软磁性能。
• 力学性能均匀：非晶态结构各向同性，力学性能均匀。

然而，铁基非晶合金的制备通常需要在极快的冷却速率下（>10⁶ K/s）才能实现非晶化，这限制了其大规模应用。焊接堆焊技术作为一种原位制备非晶涂层的方法，能够在相对较低的冷却速率下实现非晶化，为铁基非晶合金的应用提供了新的途径。

实验方法与技术路线

TIG焊堆焊工艺特点

TIG焊堆焊采用钨极作为非熔化电极，氩气作为保护气体，焊丝作为填充材料。其工艺特点包括：

TIG焊堆焊的热输入相对较小，有利于在非晶合金涂层中保持较高的非晶含量。但同时也意味着熔敷效率较低，对于大面积堆焊应用，需要权衡效率与质量的平衡。

铁基非晶合金的组成

铁基非晶合金通常含有Fe、B、Si、C、Mo、Cr等元素。其中：

• Fe：基体元素，提供强度和磁性。
• B：非晶形成元素，提高非晶化能力，降低晶化温度。
• Si：非晶形成元素，提高硬度和耐腐蚀性。
• C：提高硬度和耐磨性。
• Mo：提高强度和高温性能。
• Cr：提高耐腐蚀性。

非晶合金的化学成分设计需要平衡非晶化能力、硬度、耐腐蚀性等多种性能要求。

组织与性能分析

物相组成与晶化行为

X射线衍射（XRD）分析表明，涂层均匀致密，与基体呈冶金结合。涂层的晶化现象随焊接热输入增大而加剧，其晶化相为α-Fe、Cr₁₂Fe₃₆Mo₁₀和CrFe₄。

这一结果具有重要的技术意义：

1. 热输入与非晶化的关系：焊接热输入越大，熔池温度越高、冷却速率越低，非晶合金的晶化倾向越严重。这意味着在TIG焊堆焊铁基非晶涂层时，应尽量采用低热输入工艺参数，以最大限度保持非晶含量。
2. 晶化相的成分特征：α-Fe是最基本的晶化相，表明铁基非晶合金在热输入过大时会发生铁素体化。Cr₁₂Fe₃₆Mo₁₀和CrFe₄是含铬的间金属化合物，这些相的形成表明铬元素在非晶合金中具有促进晶化的作用。
3. 热输入控制的必要性：从非晶涂层的制备角度，焊接热输入的控制是决定涂层非晶含量的关键因素。过大的热输入将导致涂层完全晶化，丧失非晶合金的独特性能优势。

硬度性能

涂层的平均硬度随焊接热输入的增大而减少，最高可达7.55GPa，为基体的3倍。

7.55GPa的硬度（约762HV）是极为优异的，远超Q235钢基体的硬度（约120~150HV）。这一硬度水平的获得得益于非晶合金的高硬度特性。非晶态结构中没有位错、晶界等晶体缺陷，使得材料的屈服强度接近理论强度，因此硬度极高。

硬度随热输入增大而降低的规律可以从以下方面解释：

• 热输入增大导致晶化程度加深，非晶含量降低，硬度下降。
• 晶化相的硬度通常低于非晶相，晶化相的增多导致整体硬度降低。
• 热输入过大可能导致非晶合金中软相（如α-Fe）的增多，进一步降低硬度。

热稳定性

涂层的起始晶化温度随焊接热输入的增大而降低，最高为506.8℃。

起始晶化温度（Tₓ）是非晶合金热稳定性的关键指标。Tₓ越高，非晶合金在服役过程中的热稳定性越好，越不容易发生晶化。506.8℃的Tₓ值表明，在低于该温度的工况下，涂层能够保持非晶态结构，发挥优异的性能。

Tₓ随热输入增大而降低的原因可能是：热输入增大使熔池温度升高，非晶合金在凝固过程中经历了更高的温度，导致非晶结构的稳定性下降，晶化倾向增强。

工程应用与工艺优化思考

应用领域

铁基非晶涂层在以下领域具有潜在应用价值：

1. 耐磨部件表面强化：7.55GPa的超高硬度使得非晶涂层在耐磨工况下具有巨大的应用潜力，如模具、轧辊、矿山机械等。
2. 耐腐蚀工况：非晶涂层无晶界，耐腐蚀性能优异，适用于化工设备、海洋工程等腐蚀环境。
3. 软磁材料表面：铁基非晶合金的优异软磁性能使其在电磁设备表面具有应用前景。

工艺优化方向

从工程应用角度，我认为以下方向值得深入研究：

1. 多层堆焊策略：采用多层堆焊可以降低每层的热输入，同时通过后续层的覆盖改善表面质量。但需要注意层间温度控制，避免前道层的晶化。
2. 焊后热处理：焊后适当的热处理（如快速冷却）可能有助于保持非晶含量。但需要谨慎控制，避免过大的热应力导致涂层开裂。
3. 合金成分优化：通过调整非晶合金的化学成分，可以进一步提高非晶化能力和热稳定性。例如，增加B、Si等非晶形成元素的含量，或引入Zr、Ti等强非晶形成元素。
4. 冷却速率控制：在TIG焊堆焊过程中，通过外部冷却（如水冷铜垫板）提高冷却速率，有利于非晶化。

纳米压痕技术的应用

本文采用纳米压痕仪测试涂层的力学性能，这一方法具有显著优势：

• 测试区域小，能够表征局部区域的力学性能。
• 无需制备标准试样，适合薄涂层测试。
• 可以获得硬度、弹性模量等参数，全面评估涂层性能。

纳米压痕技术为薄涂层的力学性能表征提供了一种精确的方法，在表面工程研究中具有广泛的应用前景。

学习心得与启示

本文的研究为铁基非晶合金涂层的原位制备提供了一种可行的技术途径。TIG焊堆焊热输入小、保护效果好的特点，使其成为制备非晶涂层的理想焊接方法。研究揭示了焊接热输入对非晶涂层组织和性能的决定性影响，为工艺参数优化提供了明确的指导方向。在实际应用中，应严格控制焊接热输入，采用低电流、低焊接速度、小层厚的工艺策略，以最大限度保持涂层的非晶含量和优异性能。同时，非晶涂层的热稳定性（Tₓ=506.8℃）限定了其最高服役温度，在选型和应用时需要充分考虑这一限制条件。通过合金成分优化和工艺参数精确控制，铁基非晶涂层在耐磨、耐腐蚀等领域具有广阔的应用前景。