[發明專利]測試堆焊層與母材金屬結合強度的提拉試驗方法及試件

在審

• 申請號: 201710519282.X
• 申請日: 2017-06-30
• 公開（公告）號: CN107290217A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 任振安;劉武慕;黃飛;鄭思強;邱小明;孫大千
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N1/28;G01N21/84
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司22201
• 代理人: 朱世林

技術領域

本發明屬于材料加工工程領域，涉及一種新的測試堆焊層金屬與母材金屬間結合強度的提拉試驗方法及其適用的T型提拉試件。

背景技術

堆焊技術是表面工程領域的關鍵技術之一，應用非常廣泛。堆焊是指將具有一定使用性能的合金材料借助一定的熱源手段熔覆在母體材料的表面，以賦予母材特殊使用性能或使零件恢復原有形狀尺寸的工藝方法。因此，堆焊既可用于修復材料因服役而導致的失效部位，亦可用于強化材料或零件的表面，使材料表面或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、耐輻射等性能，在工藝上有很大的靈活性[單際國，董祖玨，徐濱士.我國堆焊技術的發展及其在基礎工業中的應用現狀[J].中國表面工程，2002(04):19-22.]。在堆焊技術的研究及應用中特別關注“表面”與“結合面”這兩個核心位置的成分、微觀組織與性能。堆焊技術的顯著特點是堆焊層與母材具有典型的冶金結合，堆焊材料和母材相比，在成分、組織、力學性能、耐磨性和耐蝕性等方面的差異較大。多數情況下，堆焊合金硬度高，具有較好的耐磨性，但是韌性較差，因此，堆焊層和母材的匹配性差，在外部載荷等條件下，會導致堆焊層產生裂紋、磨損和剝落等，引起零部件的失效[Seong-Hun Choo,Chang Kyu Kim,Kwangjun Euh,Sunghak Lee,Jae-Young Jung,Sangho Ahn.Correlation of microstructure with the wear resistance and fracture toughness of hardfacing alloys reinforced with complex carbides[J].Metallurgical and Materials Transactions A,2000,31:3041–3052.]。而采用多層堆焊時，為了緩解焊接應力，保證工作層材料與母材結合良好，防止出現局部裂紋和剝離，經常采用硬度較低、耐磨性較差，但塑性和韌性較好的過渡堆焊層等措施。這時，堆焊工件存在兩個界面：①過渡堆焊層與母材的結合面；②工作堆焊層與過渡堆焊層的結合面。結合面的承載能力對堆焊零部件的服役壽命有很大影響，在相同的載荷下，堆焊層與母材結合面強度越高、韌性越好，則抵抗裂紋產生及擴展的能力越強，從而可提高堆焊零部件的使用壽命，顯著減少制造成本。因此，提高堆焊層和母材的結合性能，對于延長使用該堆焊零部件設備的使用壽命和利用率具有重要意義。采用過渡堆焊層的情況下，相當于在堆焊層與母材之間加入一個緩沖層。過渡堆焊層金屬的成分、微觀組織和性能比工作堆焊層更接近母材，二者的結合性能較好。此時，工作堆焊層與過渡堆焊層的結合面可能成為整個堆焊零部件的薄弱面。綜上所述，測試堆焊層金屬與母材金屬間及堆焊層金屬間的結合強度是堆焊技術研究與應用的重要內容。

英國南安普頓大學等單位的研究人員利用自行設計的“push-off test”試驗，測試了不銹鋼攪拌摩擦堆焊合金與低碳鋼母材之間的結合強度。如附圖1所示，用專用設備和304不銹鋼棒材5，(尺寸為Φ5×50mm)在低碳鋼母材6(尺寸為80×45×6mm)表面進行攪拌摩擦堆焊，得到尺寸為20×5mm、厚度為0.5～3.0mm的不銹鋼摩擦堆焊層7。由于攪拌摩擦堆焊過程中的熱作用，在緊鄰摩擦堆焊層的低碳鋼母材一側會出現微觀組織與性能發生變化的熱影響區(HAZ)8，堆焊試樣示意圖見附圖1。堆焊結束后，用光學顯微鏡精確測定剖面上的堆焊合金厚度及寬度。采用電火花線切割機在整條堆焊合金中段截取其中10mm長，并在對應堆焊合金中心位置的母材側加工直徑為4mm的平底盲孔直至堆焊合金底部，制備好測試試樣。測定堆焊合金與低碳鋼母材的結合強度時，按照附圖2所示，將“push-off”工具9的小直徑端頭插入盲孔中，記下將堆焊合金推落時的最大壓力值，再測量外加壓力作用的面積(斷裂面積)，得到不銹鋼堆焊合金與低碳鋼母材的結合強度。圖2中6為低碳鋼母材，11為摩擦堆焊層，12為支撐座。摩擦堆焊工藝參數變化會影響堆焊層與基體的結合面寬度及結合效果，也會影響熱影響區的組織與性能變化，試驗獲得的不銹鋼摩擦堆焊層與低碳鋼基體的結合強度典型值為120MPa[I.Voutchkov,B.Jaworski,V.I.Vitanov,G.M.Bedford.An integrated approach to friction surfacing process optimisation[J].Surface and Coatings Technology,2001,141(1):26-33]。