摘 要

热作模在工作时，模具表面温度能达到500℃甚至更高，模具材料表面在高温下极易发生氧化和软化，很容易发生磨损及变形等失效。本文结合热作模具的使用工况，以优化的铁基高温合金GH2135作为覆层材料，利用等离子堆焊（PAW）制备覆层样品，采用OM、EPMA、XRD、显微硬度、回火软化等试验方法测试及分析比较了覆层材料的组织与性能。

研究表明，等离子堆焊铁基高温合金改良配方的覆层组织为晶内奥氏体加晶间的断续网状铁素体，基体相是以(Fe,Ni)固溶体；金属间化合物颗粒呈弥散分布，晶间还有少量点状特殊碳化物分布。三层堆焊样品的覆层表层成分与设计成分接近，合金元素收得率较高。熔覆层底部的硬度最高（300HV）、中间层及表层的硬度低；经500℃、700℃回火后，覆层表层硬度明显提高。这表明等离子堆焊铁基高温合金改良配方覆层具有较较好的抗高温回火软化能力。其研究结果对热作模具表面堆焊修复具有一定的技术价值。

关键词：等离子堆焊（PAW）；铁基高温合金；显微组织与性能

Abstract

When hot die works, the temperature of its surface can reach to 500 ℃, which can lead to emergence of oxidation and softening. In this condition, wear failure is very likely to occur.The coating material is made up of the optimization of iron-based superalloy，fabricated by PWA.The performance of the coating material were studied by means of OM, EPMA, XRD, microhardness, temper resistance are tested to characterize the of the gradient overlays’ properties.

Comprehensive analysis of experimental results are done. It can be seen that the microstructures of orthogonal group cladding layers are mainly composed of intragranular dendrites γ-Fe , discontinuous intergranular α-Fe and dispersive intermetallic compound, with a few punctiform special carbides in grain boundaries. (Fe,Ni) solid solution is the matrix phase in the coating.Composition of coating surface is close to designed components,which show a high pick-up rate of alloy elements. The hardness of the cladding layer is the highest (290HV), slightly higher than that in the middle and surface.After tempering at 500 C and 700 C, the surface hardness of the coating is obviously increased. This shows that the modified formula coating has better resistance to high temperature tempering and softening ability. The results of the study have certain technical value for the repair of hot work die surface.

Key Words:PWA;iron-based superalloys; microstructure and properties

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1 课题背景 2

1.1.1 高温合金 2

1.1.2热冲压模具工况及失效形式 3

1.1.3 模具表面的强化与修复 4

1.2 研究的目的和意义 5

1.3 本课题主要研究内容 6

第二章 实验材料和方法 7

2.1 试验材料 7

2.1.1 基体材料 7

2.1.2 覆层材料 7

2.2 焊接设备 8

2.3 制备方法 9

2.3.1 焊前准备 9

2.3.2 熔覆过程 9

2.4 实验分析测试方法 10

2.4.1 覆层宏观形貌分析 10

2.4.2 金相组织观察 10

2.4.3 显微硬度测试 11

2.4.4 X射线衍射物相分析 11

2.4.5 电子探针分析 11

2.4.6 回火软化试验 12

2.5 本章小结 12

第三章 等离子堆焊覆层组织和性能分析 13

3.1 焊缝的成形及宏观形貌分析 13

3.2 接头微观组织分析 14

3.2.1 金相组织分析 14

3.2.2 电子探针分析 15

3.2.3 X射线衍射物相分析 17

3.3 显微硬度分析 19

3.3.1 堆焊覆层显微硬度 19

3.3.2 覆层样品回火后硬度测试 19

3.4 本章小结 20

第四章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 23

致谢 25

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 高温合金

高温合金是指工作温度在700℃以上并且是在一定压力下进行长期工作生产的合金，它必须具有良好的高温强度，而且具有优异的热腐蚀性能和抗疲劳性能，因此是生产需要在高温下工作的装备必不可少的材料，比如：发动机、增压涡轮、工业燃气轮机上涡轮盘以及一些航空设备等。在某种意义上说，发达的高温合金材料和工艺的研制在某些意义上上决定了一个国家的工业、军事的发展水平^[2]。

查阅资料我们发现，现有的高温合金根据基体元素的不同主要分为铁基、镍基还有轱基。铁基高温合金^[1]是由奥氏体不锈钢发展而来的，然后里面含有一定量的Ni元素和Gr元素。一般加入至少为百分之二十五的Ni元素使得其中的奥氏体相保持一定；需要加入百分之十五左右的Cr来加强覆层材料高温性能。铁基高温合金主要是沉淀强化机制。在合金成分中添加Mo或者Mo和W，它们的原子半径比Fe大，融入Fe之后使Fe原子晶格发生畸变，从而产生固溶强化，加入Ti、Al、Nb与Fe作用形成金属间化合物等析出相，产生沉淀强化作用。近二十年来，对铁基高温合金国内外的学术工作者都投入大量的研究，如郝红元^[3]通过使用碳，铬、镍，钨和钼进行多元强化的方法研究了一种新型的堆焊用Fe基高温合金。通过对制备的覆层进行组织性能分析，发现覆层组织特征是基体相以奥氏体为主，金属间化合物分布在晶界以及晶内，碳化物析出细化晶粒从而强化覆层，最终使得覆层材料满足在750～950℃的温度下正常使用；王海涛^[4]等人以Ni、Cr、Al的元素含量为变量进行正交试验 ，来优化模具覆层的性能，实验得出Ni、Cr、Al的含量分别为10%、20%、3%时材料的高温性能最优；张国玲等人以Cr、Si、Al为因素设计正交试验，分析各元素含量的增减对抗氧化性能的影响。结果发现，Si元素对覆层材料的氧性能的影响最大，而铬元素最小，如果覆层材料中不含氧化铝和氧化硅的时候，抗氧化性能比较差。