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

本文发表于《材料导报》2020年第34卷第18期，作者团队来自南昌大学机电工程学院机器人及焊接自动化重点实验室，属于材料科学与焊接技术交叉领域的研究成果。文章采用TIG（Tungsten Inert Gas，钨极惰性气体保护焊）焊堆焊方法在Q235钢基板上制备铁基非晶合金涂层，系统研究了不同堆焊热输入对涂层组织与性能的影响。铁基非晶合金因其独特的非晶结构，具有优异的力学性能和耐腐蚀性能，在表面工程领域具有广阔的应用前景。

非晶涂层制备工艺与热输入控制

TIG焊堆焊铁基非晶合金涂层的关键在于控制焊接热输入，以抑制涂层的晶化现象。非晶合金的制备要求快速冷却，以阻止原子有序排列形成晶态结构。在TIG焊堆焊过程中，焊接热输入直接影响熔池的冷却速率和涂层的晶化程度。

文章通过改变焊接电流来控制热输入，研究了热输入对涂层物相组成、组织形貌、力学性能和热稳定性的影响。从焊接冶金角度分析，热输入增大意味着熔池温度更高、冷却速率更低，有利于晶核的形成和长大，导致晶化现象加剧。

涂层组织与性能分析

X射线衍射结果表明，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。这些晶化相的形成与非晶合金的晶化动力学密切相关：在焊接冷却过程中，当冷却速率低于临界冷却速率时，非晶结构发生晶化，形成上述晶化相。其中，α-Fe是铁基非晶合金晶化的主要相，Cr₁₂Fe₃₆Mo₁₀和CrFe₄则是含铬和钼的金属间化合物相，它们的形成会影响涂层的性能和稳定性。

涂层的平均硬度随焊接热输入的增大而减少，最高可达7.55 GPa，为基体的3倍。这一硬度水平显著高于常规铁基合金，体现了非晶结构的优异强化效果。非晶合金的高硬度主要源于其无序原子排列带来的均匀强化效应，以及固溶原子的固溶强化作用。然而，随着热输入增大，晶化程度增加，非晶结构减少，导致硬度下降。

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℃。晶化温度的降低意味着涂层在高温工况下的稳定性下降，这对于涂层的使用温度范围具有重要影响。在工程应用中，需要根据使用温度选择合适的热输入参数，确保涂层在使用温度范围内保持非晶结构。

工程应用前景与工艺优化

在钢管和管件制造领域，铁基非晶涂层可应用于以下场景：一是管道内壁的耐腐蚀和耐磨堆焊；二是管件表面的强化和耐磨处理；三是特殊工况下的耐高温涂层。工艺优化建议如下：

1. 热输入控制：应采用较低的焊接热输入（小电流、高焊接速度），以抑制晶化现象，保持非晶结构。典型参数为电流80～120 A，焊接速度300～500 mm/min。
2. 多层薄层堆焊：采用多层薄层堆焊策略，每层厚度控制在0.1～0.3mm，通过快速冷却保持非晶结构。
3. 保护气氛优化：TIG焊采用氩气保护，应确保保护气流量充足（10～20 L/min），防止涂层氧化。
4. 焊后处理：堆焊后应避免高温热处理，以防涂层晶化。如需消除残余应力，可采用低温回火（不超过300℃）。
5. 基体预处理：Q235钢基体表面应进行喷砂或酸洗处理，去除氧化皮和油污，确保涂层与基体的冶金结合。

从FMEA角度分析，铁基非晶涂层堆焊的主要失效模式包括：涂层晶化导致性能下降、涂层与基体结合不良、涂层开裂和剥离等。针对每种失效模式，应制定相应的预防措施，如控制热输入、优化保护气氛、采用多层薄层堆焊等。

学习心得与启示

本文的研究揭示了焊接热输入对非晶涂层组织和性能的深刻影响，体现了焊接工艺与材料科学的紧密结合。非晶合金在表面工程中的应用是材料科学的前沿领域，其独特的非晶结构赋予了涂层优异的力学性能和耐腐蚀性能。然而，非晶结构的制备对冷却速率要求极高，这在焊接工艺中是一个巨大的挑战。通过TIG焊堆焊制备非晶涂层，需要在热输入控制和冷却速率优化之间找到平衡点。这一研究对于推动非晶材料在钢管和管件表面工程中的应用具有重要的指导意义，也为后续研究提供了宝贵的实验数据和理论基础。