2024年11月4日发(作者：简凌柏)
有色金属材料与工程
第
42
卷
第
1
期
NONFERROUS
METAL
MATERIALS
AND
ENGINEERING
Vol.
42
No.
1
2021
文章编号
：
2096
-
2983(2021)01
-
0031
-
08
DOI:
10.13258/.2021.01.005
31
6H
不锈钢表面等离子粉末堆焊
Tribaloy
®
T400
涂层的性能研究
任
森
1,2
,
叶祥熙
2,3
,
蒋
力
2,3
,
梁建平
2,3
,
李志军
2,3
,
陈泽中二
戴志敏
2,3
(
1.
上海理工大学材料科学与工程学院，
上海
200093
；
2.
中国科学院上海应用物理研究所
，
上海
201800；
3.
中国科学院洁净能源创新研究院
，
大连
116023
)
摘要
：
采用等离子粉末堆焊工艺在
316H
不锈钢表面堆焊
Tribaloy®
T400
(T400)
合金涂层
，
研究
焊接时不同焊接热输入对堆焊件表面形貌
、
成分
、
维氏硬度
、
摩擦因数以及磨损质量的影响
。
结
果表明
：
当焊接热输入为
840
J/mm
时
，
堆焊件表面没有明显的缺陷
，
维氏硬度以及耐磨性能达到
最佳
，
且
Cr
元素含量最低
；
对
316
H
不锈钢和堆焊件的磨损机制进行研究发现
，
316
H
不锈钢的
磨损机制主要为剥层磨损
，
伴随有少量氧化磨损
，
堆焊件的磨损机制主要为磨粒磨损
，
伴随有黏
着磨损
。
对焊接热输入为
840
J/mm的堆焊件在
700
°C
的环境中进行时效实验
，
堆焊件的维氏硬
度随着时效时间的延长而增大
，
堆焊件经
1
000
h
时效后
，
维氏硬度由原来的
528
增加到
602
，
堆焊层具有较高的高温力学稳定性
。
关键词
：
等离子粉末堆焊
；
焊接热输入
；
维氏硬度
；
高温时效
；
摩擦磨损
中图分类号
：
TG
455
文献标志码
：
A
Study
on
the
Properties
of
Tribaloy
®
T400
Coating
on
316H
Stainless
Steel
Surface
by
Plasma
Powder
Welding
REN
Sen"
,
YE
Xiangxi
2,3
，
JIANG
Li"
,
LIANG
Jianping
2,3
，
LI
Zhijun
2,3
，
CHEN
Zezhong
1
，
DAI
Zhimin
2,3
(1.
School
of
Materials
Science
and Engineering,
University
of
Shanghai
for
Science
and
Technology,
Shanghai
200093,
China;
2.
Shanghai
Institute
of
Applied
Physics,
Chinese
Academy
of
Sciences,
Shanghai 201800,
China;
3.
Dalian
National
Laboratory
for
Clean
Energy,
Dalian
116023,
China)
Abstract:
Tribaloy®
T400
(T400)
alloy
coating
were
prepared
by
plasma
powder
welding
method
on
the
316H
stainless
steel
surface.
The
effects
of
different
welding
heat
inputs
on
the
surface
morphology,
composition,
Vichers
hardness,
friction
coefficient,
and
wear
mass
loss
of
the
cladding
specimens
were
studied.
The
results
show
that
when
the
welding
heat-input
is
840
J/mm,
there
is
no
visible
defect
on
the
surface
of
the
cladding
specimens,
the
Vichers
hardness
and
wear
resistance
are
the
best,
and
the
Cr
content
is
the
lowest.
The
wear
mechanism
of
316H
stainless
steel
is
mainly
delamination
wear,
收稿日期
：
2020
—
06
—
01
基金项目：
中科院
A
类战略性先导科技专项
“
变革性洁净能源关键技术与示范
”
资助项目(XDA
21080100)
；
国家重点
研发计划项目
(
2016YFB0700404
)
；
宁波市
“
创新2025
”
重大专项
(
2019B10084
)
；
中国科学院青年创新促进会
基金项目
(
2020260
)
；
上海市基金面上项目
(19ZR1468200
和
18ZR1448000
)
作者简介:
任
森
(
1991
—
),
男
，
硕士研究生
，
研究方向：
316H
不锈钢的表面改性
。
：
*****************
通信作者:
叶祥熙(
1985
—
),男
，
副研究员
。
研究方向:熔盐堆高温合金优化与研发
。
：
******************.cn
陈泽中(
1971
—
),男,副教授
。
研究方向
：
先进材料成型制造与精密控制
。
：
****************.cn
32
有色金属材料与工程
2021
年第
42
卷
accompanied
by
a
small
amount
of
oxidation
wear.
The
wear
mechanism
of
the
cladding
specimens
is
mainly
abrasive
wear,
accompanied
by
adhesive
wear.
The
Vichers
hardness
of
the
cladding
specimens
is
increased
with
the
increase
of
aging
time.
After
aging
for
1
000
h,
the
Vichers
hardness
of
the
cladding
specimens
is
increased
from
528
to
602,
and
the
cladding
layer
shows
high
mechanical
stability
at
high
temperature.
Keywords:
plasma
powder
welding
;
welding
heat
input
;
Vichers
hardness
;
high
temperature
aging
;
friction
and
wear
对于大型商业化熔盐堆以及太阳能集热储能
系统而言
，
长轴熔盐泵是重要的传送熔盐介质的装
置
。
目前国内外并无成熟的能在
600
弋以上使用
的高温长轴熔盐泵
［
1
］
,瓶颈问题之一是缺少长轴熔
盐泵所需的液下轴承材料
。
长轴熔盐泵用液下轴承
材料不仅需要具有良好的耐高温熔盐腐蚀性能
，
还
需要具有优异的硬度及摩擦磨损等力学性能
。
316
H
不锈钢作为美国机械工程师协会锅炉及
压力容器规范
(
American
Society
of
Mechanical
Engineers
Boiler
and
Pressure
Vessel
Code
,
ASME
BPVC
)中高温反应堆卷
(
ASME
.5
—
2019
)
5
种候选材料之一
，
具有良好的高温力学性能
、
焊接
性
、
耐蚀性和耐热性,加工工艺成熟
，
经济性突出
［
2
-
4
］
,
因而被广泛应用于化工装置和有腐蚀介质的高温
抗氧化设备中
。
316
H
不锈钢也是熔盐堆和太阳能
集热储能系统的重要候选材料［
5
］
，
在熔融氟化物
［
6
-
7
］
和氯化物
［
8
-10
］
中具有一定的耐腐蚀性能
。
然而
316H
不锈钢本身硬度低
，
耐磨性能较差,无法直接应用
于液下轴承
。
钻基合金具有良好的耐腐蚀性和耐磨
性
，
是一种能耐各种类型腐蚀
、
磨损以及高温氧化
的硬质合金
，
可用于各种行业
，
例如核反应堆
、
发电
、
石油化工
、
喷气发动机
、
发动机阀门等领域
［
11
］
。
Cr
元素容易被高温熔盐腐蚀
，
在常用的
Stellite®
和
Tribaloy®
系列钻基耐磨硬质合金中
，
Tribaloy®
T400
(
T400
)
的
Cr
含量最低
，
仅为
8%
左右,并且具
有优异的高温耐磨性能以及稳定性
［
12
］
。
采用等离子
粉末堆焊的方式在
316H
不锈钢表面堆焊一层
T400
合金涂层
，
从而提高
316
H
不锈钢的硬度及耐磨性,
有望解决高温熔盐系统液下轴承材料耐腐蚀和耐
磨损性能不够的问题
。
进行等离子粉末堆焊时,只有选择了合理的堆
焊工艺参数才能获得表面形貌良好
、
无缺陷
、
稀释
率最小且满足性能要求的堆焊层
。
朱凯等
［
13
］
采用
正交实验对
Q235
钢进行等离子粉末堆焊钻基合金
进行研究
，
分析了工艺参数对堆焊层的稀释情况
。
研究结果表明
，
在其他工艺条件不变时
，
对稀释率
影响最显著的是送粉量
，
其次为堆焊电流
、
堆焊速
度，并得出当送粉量为
31
g/min
、
堆焊电流为
142
A
、
堆焊速度为
151
mm/min
时
，
堆焊层稀释率较小
。
Edson
等
［
14
］
在
ABNT
1020
低碳钢上堆焊钻基合金
粉末
，
探讨等离子气流量
、
堆焊电流
、
喷嘴直径对堆
焊层的稀释率及性能的影响
。
研究结果表明
：
堆焊
电流对堆焊层的性能影响最大
，
堆焊层的稀释率随
着堆焊电流
、
离子气流量的增加而增加
；
而喷嘴直
径则对堆焊层的表面形貌有影响
。
Deng
等
［
15
］
分析
了堆焊电流对堆焊层组织和耐磨性能的影响
，
结果
显示随着焊接电流的增大
，
堆焊层稀释率增大
、
硬
度降低
、
耐磨性能降低
。
本文采用等离子粉末堆焊工艺在
316H
不锈钢
表面堆焊一层
T400
合金涂层
，
研究不同焊接热输
入对堆焊件的表面宏观形貌
、
显微形貌
、
维氏硬度
、
摩擦磨损性能的影响
，
同时研究了高温时效对堆焊
层稳定性的影响
。
1
实验材料和方法
实验中采用的材料为工业退火
316
H
不锈钢
。
将其加工成尺寸为
200
mmx300
mm^20
mm
的板
材
。
使用型号为
DML-V03BD
的自动堆焊设备进行
等离子粉末堆焊实验
，
堆焊参数如
表
1
所
示
。
堆焊
过程中
，
使用的保护气体为高纯氩气
，
焊接电压
(
30
V
)和焊接速度
(
300
mm/min
)保持不变
，
通过控
制焊接电流的变化得到不同焊接热输入的堆焊件
。
将堆焊好的
316H
不锈钢焊接件放入
450
t
的保温
炉中随炉冷却
，
以消除堆焊应力
。
堆焊填充材料选
择肯耐
-
司太立金属(上海)有限公司
供应
的
T400
粉末
,
316H
不锈钢和
T400
粉末成分见
表
2
表
1
堆焊参数及焊接热输入
Tab.1
Welding
parameters
and
welding
heat
input
峰值电流
/A
100
120
140
160
180
焊接热输入
/(J
-
mm
-1
)
600
720
840
960
1
080
第
1
期
任
森
，
等
：
316H
不锈钢表面等离子粉末堆焊
Tribaloy
®
T40
0
涂层的性能研究
33
表
2
316
H
不锈钢和
T400
粉末成分
(
质量分数
/%
)
因数
(coefficient
of
friction
,
Cof
)
；
使用精度为
0.1
mg
Tab.2
Compositions
of
316H
stainless
steel
and
T400
powder(mass
fraction/%)
元素
的电子天平测量试样摩擦实验前后的质量
，
并计算
得出磨损质量
；
利用带有能量色散谱仪(
energy
316H
不锈钢
0.05
T40
0
粉末
dispersive
spectrometer
,
EDS
)
的
Zeiss
LEO
1530VP
C
0.06
8.86
Cr
Fe
Mo
Ni
Si
18.90
扫描电子显微镜(
scanning
electron
microscope
,
SEM
)
68.38
2.10
1.26
观察和分析试样磨损后的表面形貌
(
10
kV
加速电
压)和微区成分
(
20
kV
加速电压)
。为了验证堆焊层
的稳定性
，
使用真空封管机对截取的试样进行密封
28.10
0.99
2.24
0.01
10.10
0.47
处理,并将密封处理好的试样放入马弗炉中进行
700
°C
时效处理
1
000
h
o
P
—
—
Co
58.48
使用
ZHV-3
0
维氏硬度计
，
施加
0.3
kg
载荷测
2
结果与分析
2.1
堆焊层表面形貌
、
维氏硬度以及成分
图
1
为
不同焊接热输入下获得的堆焊件表面
量试样维氏硬度
；
使用
UMT-2
多功能摩擦磨损试
验机进行常温销盘式摩擦磨损实验
，
载荷为
70
N
,
转速为
500
r/min
,
时间为
30
min
,
得到试样的摩擦
(a)
600
J/mm
(b)
720
J/mm
(c)
840
J/mm
(d)
960
J/mm
(e)
1
080
J/mm
图
1
不同焊接热输入下获得的试样堆焊层宏观形貌
Fig.1
Macro-morphology
of
the
specimens'
claying
layers
obtained
under
different
welding
heat
inputs
34
有
色
金
属
材
料
与
工 程
2021
年
第
42
卷
堆焊层的宏观形貌
。
由
图
1
可
知
，
随着焊接热输入
的增大
，
粉末飞溅逐渐减少
，
堆焊件表面孔洞
、
焊瘤
也逐渐减少,表面逐渐变得饱满
。
这是因为随着焊
接热输入的增加,等离子体的流速增大
、
温度升高,
面出现孔洞和焊瘤
，
导致表面不美观
。
对不同焊接热输入堆焊件的堆焊界面进行了微
观形貌观察
，
如
图
2
所
示
。
由
图
2
可知
，
所有焊接热
输入堆焊件的堆焊界面均无明显缺陷
，
只是随着焊
接热输入的增加
，
熔合线由直线逐渐呈现出弯曲的
现象
。
这是由于随着焊接热输入的增加
，
热量增加,
使粉末得以完全熔化
［
13
］
；
当焊接热输入较小时
，
粉
末不能完全熔化
，
未熔粉末在等离子弧的吹力下产
生飞溅
，
降低了粉末的利用率
，
而半熔状态或己熔
基体合金发生熔化
，
与熔融的
T400
合金发生互溶
。
的合金粉末液体流动性差
，
表面张力大
，
在焊道表
这意味着堆焊层与
316H
不锈钢基体的结合力变好
。
(d)
960
J/mm
(e)
1
080
J/mm
图
2
不同焊接热输入下获得的试样焊缝微观形貌图
Fig.2
Microstructures
of
the
specimens'
welding
lines
obtained
under
different
welding
heat
inputs
表
3
为
采用
SEM-EDS
点扫方式表征的堆焊
316
H
不锈钢基体的稀释［
13
］
;焊接热输入越高
，
堆
焊层中的
Fe
和
Cr
受到稀释的影响越大
，
使堆焊
件表面的成分
（
测试时每个试样随机测量
10
个点
取平均值
）
。
从
表
2
和
表
3
中
可以看出
：
堆焊件表
层中
Fe
和
Cr
的含量比
T400
粉末中
Fe
和
Cr
的含
量高,
Fe
和
Cr
含量的提高会降低堆焊层耐高温熔
面堆焊层中
Fe
和
Cr
的含量较
T400
粉末中的含量
均有明显的提高
，
表明在堆焊过程中堆焊层受到
盐腐蚀的能力
［
16
-17
］
o
第
1
期
任
森
，
等
：
316H
不锈钢表面等离子粉末堆焊
Tribaloy
®
T40
0
涂层的性能研究
35
表
3
不同焊接热输入下获得的试样堆焊层表面成分(质量分数
/%
)
Tab.3
Compositions
of
the
specimens'
cladding
layers
obtained
under
different
welding
heat
inputs
(mass
fraction/%)
焊接热输入
/
(
J
-
mm
1
)
儿素
600
9.3±0.3
720
840
10.4±0.7
960
10.9±0.2
26.0±0.6
1
080
Cr
Fe
9.4±0.9
14.1±0.6
51.7±3.0
10.2±0.3
20.6±1.6
14.0±0.9
46.2±1.9
21.6±0.4
45.1±1.6
1.5±0.1
Co
Si
40.8±2.7
1.5±0.3
45.6±1.2
1.8±0.3
1.9±0.4
2.0±0.4
4.2±0.6
24.3±2.6
1.8±0.2
1.8±0.2
Ni
3.1±0.0
18.3±1.5
3.6±0.1
17.2±0.9
Mo
21.2±0.8
19.9±0.8
不同焊接热输入下获得的堆焊件表面的维氏
硬度如
图
3
所
示
。
测试时每个样品随机测
10个点
1.0
0.9
0.8
取其平均值
。
316
H
不锈钢的维氏硬度为
179，
而堆
焊件表面的维氏硬度远高于
316
H
不锈钢的
，
不同
焊接热输入下获得的堆焊件表面的维氏硬度差距
0.7
0.6
.
0
5
迺
0.5
§
0.4
F
0.3
在
20%
以内
，
其中焊接热输入为
840
J/mm
时
，
堆焊
件表面的维氏硬度最高
，
为
528
。
0.2
0.1
0
图
4
不同焊接热输入下获得的试样的
摩擦因数及磨损质量
Fig.
4
Friction
coefficients
and
wear
mass
loss
of
the
specimens
obtained
under
different
welding
heat
input
量最低
。
因此
，
当焊接热输入为
840
J/mm
时
，
堆焊
件的磨损性能最为优异
。
图
5
为
采用
SEM
表征的
316H
不锈钢表面摩
擦后的形貌
。
由
图
5
可
知
，
在摩擦过程中
,
316
H
不
锈钢与其摩擦副发生对磨
，
在循环载荷的作用下
图
3
不同焊接热输入下获得的试样表面的维氏硬度
316
H
不锈钢外表层发生塑性变形
，
产生位错和空
Fig.3
Vichers
hardness
of
the
specimens'
surfaces
obtained
under
different
welding
heat
inputs
穴
，
随着塑性变形的增加,位错和空穴发生聚集
，
再
2.2
堆焊层摩擦因数及磨损质量
不同焊接热输入下获得的堆焊件的
Cof
与磨
损质量的结果如
图
4
所
示
。
316
H
不锈钢的
Cof
约
为
0.62
。
从
图
4
中
可以看出
，
316
H
不锈钢的
Cof
比
堆焊件的
Cof
高
10%
以上
。
经过
30
min
的摩擦实
验后
，
316H
不锈钢的磨损质量为
20.1
mg
，
而不同焊
接热输入下获得的堆焊件的磨损质量均小于
10.0
mg
，
磨损质量减少了
10.1
mg
以上
，
表明堆焊件较
316
H
不锈钢更加耐磨
。
当焊接热输入为
840
J/mm
时,所获得的堆焊件的
Cof
最小
，
约为
0.35
,
磨损质
Fig.
5
Morphology
after
weared
of
the
316H
stainless
steel
surface
36
有
色
金
属
材
料
与
工 程
2021
年
第
42
卷
加上剪切作用
，
在沿着平行于摩擦表面的方向上产
生裂纹
，
随着裂纹的扩展
，
金属在摩擦副的载荷作
件表面
，
在载荷的作用下
，
在摩擦表面产生划伤或
者微凹坑
。
因此堆焊件的磨损形式主要为磨粒磨
损
，
伴随着黏着磨损
。
结合
图
3
和
图
4
不难发现
，堆
用下被撕下来
，
成为片状的磨屑
[
18
]
o
在
316
H
不锈钢
的摩擦表面有白色片状
，
对白色片状区域进行
焊件的摩擦因数
、
磨损质量
、
维氏硬度三者成正相
EDS
分析
，
结果如
图
6
所
示
。
由
图
6
可
知
，
在白色片
关关系
：
维氏硬度高则摩擦因数低
，
摩擦因数低则
磨损质量低
。
堆焊件具有良好摩擦磨损性能的主要
状处有一个
0
含量的突然升高
，
表明
316
H
不锈钢
磨擦表面上的白色区域存在氧化物
，
即
316
H
不锈
原因是堆焊层中含有大量的含
Mo
和
Si
的
Laves
钢表面在摩擦过程中发生了氧化
。
这是由于在摩擦
过程中
，
较高的摩擦转速及负荷作用
，
导致摩擦表
相,使得堆焊层有较高的硬度;此外,
Co
基体的层错
能低
，
在应力及温度的作用下
Co
固溶体基体组织
面温度急剧上升
，
在高温下
316H
不锈钢与空气发
生氧化反应
，
在表面形成金属氧化物
。
所以
316
H
不
锈钢的磨损形式主要为剥层磨损
，
伴随微小的氧化
磨损
。
图
7
为
焊接热输入为
840
J/mm
的试样表面
的摩擦形貌
。
由
图
7
可
知，
在堆焊件的摩擦表面可
以看到与摩擦方向平行的犁沟
，
在摩擦过程中
，
摩
擦副的颗粒状的
Laves
相或者粗糙硬凸起压入堆焊
图
6
316H
不锈钢摩擦表面
EDS
线扫成分图
Fig.
6
EDS
line
scan
of
the
316H
stainless
steel
friction
surface
图
7
焊接热输入为
840
J/mm
的试样表面摩擦后的形貌
Fig.
7
Surface
morphology
after
weared
of
the
cladding
specimens
obtained
under
the
welding
heat
input
of
840
J/mm
由面心立方结构转变为六方密排结构
，
而具有六方
密排结构的金属材料有较好的耐磨性能
[
19
]
o
2.3
高温时效稳定性
图
8
是
焊接热输入为
840
J/mm
时获得的
堆焊
件截面在
700
°C
不同时效时间的维氏硬度
。
从
图
8
中可以看出
，
随着时效时间的延长
,
316
H
不锈钢侧
维氏硬度未发生明显变化
，
堆焊界面
（
焊缝
）
处维氏
硬度略有降低
，
这是由于随着时效时间的延长,
316
H
不锈钢侧的
Fe
元素向着堆焊层扩散
，
导致堆
焊界面硬度降低
。
从焊缝位置向堆焊层延伸
，
随着
时效时间的延长
，
维氏硬度显著提高
，
这是因为在
700
C
时效的过程中
，
堆焊层中
Co
、
Mo
、
Si
等元素
从表面高浓度区向堆焊层内部低浓度区扩散并达
到均匀化
，
使堆焊层整体的维氏硬度提高
。
经过
1
000
h
的高温时效后
，
维氏硬度由原来的
528
增加到
602
o
以上结果表明
，
经等离子粉末堆焊后
,
316
H
不
锈钢表面的维氏硬度得到极大的提升
，
且堆焊层的
力学性能可以在
700
C
下保持稳定
。
图
8
焊接热输入为
840
J/mm
的试样在
700
乜
时效不同时间截面的维氏硬度
Fig.
8
Cross-section
Vichers
hardness
of
the
cladding
specimens
with
the
welding
heat
input
of
840
J/mm
after
aging
at
700
七
for
different
time
第
1
期
任
森
，
等
：
316H
不锈钢表面等离子粉末堆焊
Tribaloy
®
T40
0
涂层的性能研究
37
综合焊接热输入对堆焊层的表面形貌
、
维氏硬
度
、
耐磨性能以及成分的影响结果可以发现
：
一方
147-155.
:
5
]
ALLEN
T,
MCGAHA
J,
BALL
S,
et
al.
FHR
functional
面
，
焊接热输入越高,堆焊件的成形以及堆焊层与
316H
不锈钢基体的结合越好
；
另一方面
，
焊接热输
requirements
and
LBE
identification
white
paper:
integrated
research
project
workshop
1[R].
Berkeley:
入越低
，
堆焊层中的
Cr和
Fe
的含量越低,越接近
T400
的成分
，
越有利于堆焊层耐熔盐腐蚀
。
平衡焊
接热输入对堆焊件影响的利弊
，
对
316
H
不锈钢来
Department
of
Nuclear
Engineering
University
of
California, 2013.
[
6
]
LIU
Q,
SUN
H,
YIN
H
Q,
et
al.
Corrosion
behaviour
of
说,焊接热输入为
840
J/mm
时
，
能够得到最优化的
316H
stainless
steel
in
molten
FLiNaK
eutectic
salt
containing
graphite
particles[J].
Corrosion
Science
,
2019,
堆焊件
，
以应用于高温熔盐系统
。
3
总结
（
1
）
综合焊接热输入对堆焊件的表面形貌
、
维氏
硬度
、
耐磨性能以及成分的影响得出
，
焊接热输入
为
840
J/mm
的堆焊件的综合性能最为优异
。
（
2
）
316
H
不锈钢和堆焊件的磨损机制有所不
同
,
316H
不锈钢的磨损机制主要是剥层磨损
，
伴随
着少量的氧化磨损
；
堆焊件的磨损机制为磨粒磨
损
，伴随着黏着磨损
。
（
3
）
对焊接热输入为
840
J/mm
的堆焊件在
700
°C
的环境中进行高温时效
，
时效时间分别为
0
、
50
、
100、
400
h
和
1
000
h
,
堆焊件的维氏硬度随着
时效时间的延长而增加
，
堆焊件经
1
000
h
时效后,
维氏硬度由
528
增加到
602
，
堆焊层具有较好的高
温稳定性
。
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2024年11月4日发(作者：简凌柏)
有色金属材料与工程
第
42
卷
第
1
期
NONFERROUS
METAL
MATERIALS
AND
ENGINEERING
Vol.
42
No.
1
2021
文章编号
：
2096
-
2983(2021)01
-
0031
-
08
DOI:
10.13258/.2021.01.005
31
6H
不锈钢表面等离子粉末堆焊
Tribaloy
®
T400
涂层的性能研究
任
森
1,2
,
叶祥熙
2,3
,
蒋
力
2,3
,
梁建平
2,3
,
李志军
2,3
,
陈泽中二
戴志敏
2,3
(
1.
上海理工大学材料科学与工程学院，
上海
200093
；
2.
中国科学院上海应用物理研究所
，
上海
201800；
3.
中国科学院洁净能源创新研究院
，
大连
116023
)
摘要
：
采用等离子粉末堆焊工艺在
316H
不锈钢表面堆焊
Tribaloy®
T400
(T400)
合金涂层
，
研究
焊接时不同焊接热输入对堆焊件表面形貌
、
成分
、
维氏硬度
、
摩擦因数以及磨损质量的影响
。
结
果表明
：
当焊接热输入为
840
J/mm
时
，
堆焊件表面没有明显的缺陷
，
维氏硬度以及耐磨性能达到
最佳
，
且
Cr
元素含量最低
；
对
316
H
不锈钢和堆焊件的磨损机制进行研究发现
，
316
H
不锈钢的
磨损机制主要为剥层磨损
，
伴随有少量氧化磨损
，
堆焊件的磨损机制主要为磨粒磨损
，
伴随有黏
着磨损
。
对焊接热输入为
840
J/mm的堆焊件在
700
°C
的环境中进行时效实验
，
堆焊件的维氏硬
度随着时效时间的延长而增大
，
堆焊件经
1
000
h
时效后
，
维氏硬度由原来的
528
增加到
602
，
堆焊层具有较高的高温力学稳定性
。
关键词
：
等离子粉末堆焊
；
焊接热输入
；
维氏硬度
；
高温时效
；
摩擦磨损
中图分类号
：
TG
455
文献标志码
：
A
Study
on
the
Properties
of
Tribaloy
®
T400
Coating
on
316H
Stainless
Steel
Surface
by
Plasma
Powder
Welding
REN
Sen"
,
YE
Xiangxi
2,3
，
JIANG
Li"
,
LIANG
Jianping
2,3
，
LI
Zhijun
2,3
，
CHEN
Zezhong
1
，
DAI
Zhimin
2,3
(1.
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of
Materials
Science
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University
of
Shanghai
for
Science
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Shanghai
200093,
China;
2.
Shanghai
Institute
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Chinese
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Sciences,
Shanghai 201800,
China;
3.
Dalian
National
Laboratory
for
Clean
Energy,
Dalian
116023,
China)
Abstract:
Tribaloy®
T400
(T400)
alloy
coating
were
prepared
by
plasma
powder
welding
method
on
the
316H
stainless
steel
surface.
The
effects
of
different
welding
heat
inputs
on
the
surface
morphology,
composition,
Vichers
hardness,
friction
coefficient,
and
wear
mass
loss
of
the
cladding
specimens
were
studied.
The
results
show
that
when
the
welding
heat-input
is
840
J/mm,
there
is
no
visible
defect
on
the
surface
of
the
cladding
specimens,
the
Vichers
hardness
and
wear
resistance
are
the
best,
and
the
Cr
content
is
the
lowest.
The
wear
mechanism
of
316H
stainless
steel
is
mainly
delamination
wear,
收稿日期
：
2020
—
06
—
01
基金项目：
中科院
A
类战略性先导科技专项
“
变革性洁净能源关键技术与示范
”
资助项目(XDA
21080100)
；
国家重点
研发计划项目
(
2016YFB0700404
)
；
宁波市
“
创新2025
”
重大专项
(
2019B10084
)
；
中国科学院青年创新促进会
基金项目
(
2020260
)
；
上海市基金面上项目
(19ZR1468200
和
18ZR1448000
)
作者简介:
任
森
(
1991
—
),
男
，
硕士研究生
，
研究方向：
316H
不锈钢的表面改性
。
：
*****************
通信作者:
叶祥熙(
1985
—
),男
，
副研究员
。
研究方向:熔盐堆高温合金优化与研发
。
：
******************.cn
陈泽中(
1971
—
),男,副教授
。
研究方向
：
先进材料成型制造与精密控制
。
：
****************.cn
32
有色金属材料与工程
2021
年第
42
卷
accompanied
by
a
small
amount
of
oxidation
wear.
The
wear
mechanism
of
the
cladding
specimens
is
mainly
abrasive
wear,
accompanied
by
adhesive
wear.
The
Vichers
hardness
of
the
cladding
specimens
is
increased
with
the
increase
of
aging
time.
After
aging
for
1
000
h,
the
Vichers
hardness
of
the
cladding
specimens
is
increased
from
528
to
602,
and
the
cladding
layer
shows
high
mechanical
stability
at
high
temperature.
Keywords:
plasma
powder
welding
;
welding
heat
input
;
Vichers
hardness
;
high
temperature
aging
;
friction
and
wear
对于大型商业化熔盐堆以及太阳能集热储能
系统而言
，
长轴熔盐泵是重要的传送熔盐介质的装
置
。
目前国内外并无成熟的能在
600
弋以上使用
的高温长轴熔盐泵
［
1
］
,瓶颈问题之一是缺少长轴熔
盐泵所需的液下轴承材料
。
长轴熔盐泵用液下轴承
材料不仅需要具有良好的耐高温熔盐腐蚀性能
，
还
需要具有优异的硬度及摩擦磨损等力学性能
。
316
H
不锈钢作为美国机械工程师协会锅炉及
压力容器规范
(
American
Society
of
Mechanical
Engineers
Boiler
and
Pressure
Vessel
Code
,
ASME
BPVC
)中高温反应堆卷
(
ASME
.5
—
2019
)
5
种候选材料之一
，
具有良好的高温力学性能
、
焊接
性
、
耐蚀性和耐热性,加工工艺成熟
，
经济性突出
［
2
-
4
］
,
因而被广泛应用于化工装置和有腐蚀介质的高温
抗氧化设备中
。
316
H
不锈钢也是熔盐堆和太阳能
集热储能系统的重要候选材料［
5
］
，
在熔融氟化物
［
6
-
7
］
和氯化物
［
8
-10
］
中具有一定的耐腐蚀性能
。
然而
316H
不锈钢本身硬度低
，
耐磨性能较差,无法直接应用
于液下轴承
。
钻基合金具有良好的耐腐蚀性和耐磨
性
，
是一种能耐各种类型腐蚀
、
磨损以及高温氧化
的硬质合金
，
可用于各种行业
，
例如核反应堆
、
发电
、
石油化工
、
喷气发动机
、
发动机阀门等领域
［
11
］
。
Cr
元素容易被高温熔盐腐蚀
，
在常用的
Stellite®
和
Tribaloy®
系列钻基耐磨硬质合金中
，
Tribaloy®
T400
(
T400
)
的
Cr
含量最低
，
仅为
8%
左右,并且具
有优异的高温耐磨性能以及稳定性
［
12
］
。
采用等离子
粉末堆焊的方式在
316H
不锈钢表面堆焊一层
T400
合金涂层
，
从而提高
316
H
不锈钢的硬度及耐磨性,
有望解决高温熔盐系统液下轴承材料耐腐蚀和耐
磨损性能不够的问题
。
进行等离子粉末堆焊时,只有选择了合理的堆
焊工艺参数才能获得表面形貌良好
、
无缺陷
、
稀释
率最小且满足性能要求的堆焊层
。
朱凯等
［
13
］
采用
正交实验对
Q235
钢进行等离子粉末堆焊钻基合金
进行研究
，
分析了工艺参数对堆焊层的稀释情况
。
研究结果表明
，
在其他工艺条件不变时
，
对稀释率
影响最显著的是送粉量
，
其次为堆焊电流
、
堆焊速
度，并得出当送粉量为
31
g/min
、
堆焊电流为
142
A
、
堆焊速度为
151
mm/min
时
，
堆焊层稀释率较小
。
Edson
等
［
14
］
在
ABNT
1020
低碳钢上堆焊钻基合金
粉末
，
探讨等离子气流量
、
堆焊电流
、
喷嘴直径对堆
焊层的稀释率及性能的影响
。
研究结果表明
：
堆焊
电流对堆焊层的性能影响最大
，
堆焊层的稀释率随
着堆焊电流
、
离子气流量的增加而增加
；
而喷嘴直
径则对堆焊层的表面形貌有影响
。
Deng
等
［
15
］
分析
了堆焊电流对堆焊层组织和耐磨性能的影响
，
结果
显示随着焊接电流的增大
，
堆焊层稀释率增大
、
硬
度降低
、
耐磨性能降低
。
本文采用等离子粉末堆焊工艺在
316H
不锈钢
表面堆焊一层
T400
合金涂层
，
研究不同焊接热输
入对堆焊件的表面宏观形貌
、
显微形貌
、
维氏硬度
、
摩擦磨损性能的影响
，
同时研究了高温时效对堆焊
层稳定性的影响
。
1
实验材料和方法
实验中采用的材料为工业退火
316
H
不锈钢
。
将其加工成尺寸为
200
mmx300
mm^20
mm
的板
材
。
使用型号为
DML-V03BD
的自动堆焊设备进行
等离子粉末堆焊实验
，
堆焊参数如
表
1
所
示
。
堆焊
过程中
，
使用的保护气体为高纯氩气
，
焊接电压
(
30
V
)和焊接速度
(
300
mm/min
)保持不变
，
通过控
制焊接电流的变化得到不同焊接热输入的堆焊件
。
将堆焊好的
316H
不锈钢焊接件放入
450
t
的保温
炉中随炉冷却
，
以消除堆焊应力
。
堆焊填充材料选
择肯耐
-
司太立金属(上海)有限公司
供应
的
T400
粉末
,
316H
不锈钢和
T400
粉末成分见
表
2
表
1
堆焊参数及焊接热输入
Tab.1
Welding
parameters
and
welding
heat
input
峰值电流
/A
100
120
140
160
180
焊接热输入
/(J
-
mm
-1
)
600
720
840
960
1
080
第
1
期
任
森
，
等
：
316H
不锈钢表面等离子粉末堆焊
Tribaloy
®
T40
0
涂层的性能研究
33
表
2
316
H
不锈钢和
T400
粉末成分
(
质量分数
/%
)
因数
(coefficient
of
friction
,
Cof
)
；
使用精度为
0.1
mg
Tab.2
Compositions
of
316H
stainless
steel
and
T400
powder(mass
fraction/%)
元素
的电子天平测量试样摩擦实验前后的质量
，
并计算
得出磨损质量
；
利用带有能量色散谱仪(
energy
316H
不锈钢
0.05
T40
0
粉末
dispersive
spectrometer
,
EDS
)
的
Zeiss
LEO
1530VP
C
0.06
8.86
Cr
Fe
Mo
Ni
Si
18.90
扫描电子显微镜(
scanning
electron
microscope
,
SEM
)
68.38
2.10
1.26
观察和分析试样磨损后的表面形貌
(
10
kV
加速电
压)和微区成分
(
20
kV
加速电压)
。为了验证堆焊层
的稳定性
，
使用真空封管机对截取的试样进行密封
28.10
0.99
2.24
0.01
10.10
0.47
处理,并将密封处理好的试样放入马弗炉中进行
700
°C
时效处理
1
000
h
o
P
—
—
Co
58.48
使用
ZHV-3
0
维氏硬度计
，
施加
0.3
kg
载荷测
2
结果与分析
2.1
堆焊层表面形貌
、
维氏硬度以及成分
图
1
为
不同焊接热输入下获得的堆焊件表面
量试样维氏硬度
；
使用
UMT-2
多功能摩擦磨损试
验机进行常温销盘式摩擦磨损实验
，
载荷为
70
N
,
转速为
500
r/min
,
时间为
30
min
,
得到试样的摩擦
(a)
600
J/mm
(b)
720
J/mm
(c)
840
J/mm
(d)
960
J/mm
(e)
1
080
J/mm
图
1
不同焊接热输入下获得的试样堆焊层宏观形貌
Fig.1
Macro-morphology
of
the
specimens'
claying
layers
obtained
under
different
welding
heat
inputs
34
有
色
金
属
材
料
与
工 程
2021
年
第
42
卷
堆焊层的宏观形貌
。
由
图
1
可
知
，
随着焊接热输入
的增大
，
粉末飞溅逐渐减少
，
堆焊件表面孔洞
、
焊瘤
也逐渐减少,表面逐渐变得饱满
。
这是因为随着焊
接热输入的增加,等离子体的流速增大
、
温度升高,
面出现孔洞和焊瘤
，
导致表面不美观
。
对不同焊接热输入堆焊件的堆焊界面进行了微
观形貌观察
，
如
图
2
所
示
。
由
图
2
可知
，
所有焊接热
输入堆焊件的堆焊界面均无明显缺陷
，
只是随着焊
接热输入的增加
，
熔合线由直线逐渐呈现出弯曲的
现象
。
这是由于随着焊接热输入的增加
，
热量增加,
使粉末得以完全熔化
［
13
］
；
当焊接热输入较小时
，
粉
末不能完全熔化
，
未熔粉末在等离子弧的吹力下产
生飞溅
，
降低了粉末的利用率
，
而半熔状态或己熔
基体合金发生熔化
，
与熔融的
T400
合金发生互溶
。
的合金粉末液体流动性差
，
表面张力大
，
在焊道表
这意味着堆焊层与
316H
不锈钢基体的结合力变好
。
(d)
960
J/mm
(e)
1
080
J/mm
图
2
不同焊接热输入下获得的试样焊缝微观形貌图
Fig.2
Microstructures
of
the
specimens'
welding
lines
obtained
under
different
welding
heat
inputs
表
3
为
采用
SEM-EDS
点扫方式表征的堆焊
316
H
不锈钢基体的稀释［
13
］
;焊接热输入越高
，
堆
焊层中的
Fe
和
Cr
受到稀释的影响越大
，
使堆焊
件表面的成分
（
测试时每个试样随机测量
10
个点
取平均值
）
。
从
表
2
和
表
3
中
可以看出
：
堆焊件表
层中
Fe
和
Cr
的含量比
T400
粉末中
Fe
和
Cr
的含
量高,
Fe
和
Cr
含量的提高会降低堆焊层耐高温熔
面堆焊层中
Fe
和
Cr
的含量较
T400
粉末中的含量
均有明显的提高
，
表明在堆焊过程中堆焊层受到
盐腐蚀的能力
［
16
-17
］
o
第
1
期
任
森
，
等
：
316H
不锈钢表面等离子粉末堆焊
Tribaloy
®
T40
0
涂层的性能研究
35
表
3
不同焊接热输入下获得的试样堆焊层表面成分(质量分数
/%
)
Tab.3
Compositions
of
the
specimens'
cladding
layers
obtained
under
different
welding
heat
inputs
(mass
fraction/%)
焊接热输入
/
(
J
-
mm
1
)
儿素
600
9.3±0.3
720
840
10.4±0.7
960
10.9±0.2
26.0±0.6
1
080
Cr
Fe
9.4±0.9
14.1±0.6
51.7±3.0
10.2±0.3
20.6±1.6
14.0±0.9
46.2±1.9
21.6±0.4
45.1±1.6
1.5±0.1
Co
Si
40.8±2.7
1.5±0.3
45.6±1.2
1.8±0.3
1.9±0.4
2.0±0.4
4.2±0.6
24.3±2.6
1.8±0.2
1.8±0.2
Ni
3.1±0.0
18.3±1.5
3.6±0.1
17.2±0.9
Mo
21.2±0.8
19.9±0.8
不同焊接热输入下获得的堆焊件表面的维氏
硬度如
图
3
所
示
。
测试时每个样品随机测
10个点
1.0
0.9
0.8
取其平均值
。
316
H
不锈钢的维氏硬度为
179，
而堆
焊件表面的维氏硬度远高于
316
H
不锈钢的
，
不同
焊接热输入下获得的堆焊件表面的维氏硬度差距
0.7
0.6
.
0
5
迺
0.5
§
0.4
F
0.3
在
20%
以内
，
其中焊接热输入为
840
J/mm
时
，
堆焊
件表面的维氏硬度最高
，
为
528
。
0.2
0.1
0
图
4
不同焊接热输入下获得的试样的
摩擦因数及磨损质量
Fig.
4
Friction
coefficients
and
wear
mass
loss
of
the
specimens
obtained
under
different
welding
heat
input
量最低
。
因此
，
当焊接热输入为
840
J/mm
时
，
堆焊
件的磨损性能最为优异
。
图
5
为
采用
SEM
表征的
316H
不锈钢表面摩
擦后的形貌
。
由
图
5
可
知
，
在摩擦过程中
,
316
H
不
锈钢与其摩擦副发生对磨
，
在循环载荷的作用下
图
3
不同焊接热输入下获得的试样表面的维氏硬度
316
H
不锈钢外表层发生塑性变形
，
产生位错和空
Fig.3
Vichers
hardness
of
the
specimens'
surfaces
obtained
under
different
welding
heat
inputs
穴
，
随着塑性变形的增加,位错和空穴发生聚集
，
再
2.2
堆焊层摩擦因数及磨损质量
不同焊接热输入下获得的堆焊件的
Cof
与磨
损质量的结果如
图
4
所
示
。
316
H
不锈钢的
Cof
约
为
0.62
。
从
图
4
中
可以看出
，
316
H
不锈钢的
Cof
比
堆焊件的
Cof
高
10%
以上
。
经过
30
min
的摩擦实
验后
，
316H
不锈钢的磨损质量为
20.1
mg
，
而不同焊
接热输入下获得的堆焊件的磨损质量均小于
10.0
mg
，
磨损质量减少了
10.1
mg
以上
，
表明堆焊件较
316
H
不锈钢更加耐磨
。
当焊接热输入为
840
J/mm
时,所获得的堆焊件的
Cof
最小
，
约为
0.35
,
磨损质
Fig.
5
Morphology
after
weared
of
the
316H
stainless
steel
surface
36
有
色
金
属
材
料
与
工 程
2021
年
第
42
卷
加上剪切作用
，
在沿着平行于摩擦表面的方向上产
生裂纹
，
随着裂纹的扩展
，
金属在摩擦副的载荷作
件表面
，
在载荷的作用下
，
在摩擦表面产生划伤或
者微凹坑
。
因此堆焊件的磨损形式主要为磨粒磨
损
，
伴随着黏着磨损
。
结合
图
3
和
图
4
不难发现
，堆
用下被撕下来
，
成为片状的磨屑
[
18
]
o
在
316
H
不锈钢
的摩擦表面有白色片状
，
对白色片状区域进行
焊件的摩擦因数
、
磨损质量
、
维氏硬度三者成正相
EDS
分析
，
结果如
图
6
所
示
。
由
图
6
可
知
，
在白色片
关关系
：
维氏硬度高则摩擦因数低
，
摩擦因数低则
磨损质量低
。
堆焊件具有良好摩擦磨损性能的主要
状处有一个
0
含量的突然升高
，
表明
316
H
不锈钢
磨擦表面上的白色区域存在氧化物
，
即
316
H
不锈
原因是堆焊层中含有大量的含
Mo
和
Si
的
Laves
钢表面在摩擦过程中发生了氧化
。
这是由于在摩擦
过程中
，
较高的摩擦转速及负荷作用
，
导致摩擦表
相,使得堆焊层有较高的硬度;此外,
Co
基体的层错
能低
，
在应力及温度的作用下
Co
固溶体基体组织
面温度急剧上升
，
在高温下
316H
不锈钢与空气发
生氧化反应
，
在表面形成金属氧化物
。
所以
316
H
不
锈钢的磨损形式主要为剥层磨损
，
伴随微小的氧化
磨损
。
图
7
为
焊接热输入为
840
J/mm
的试样表面
的摩擦形貌
。
由
图
7
可
知，
在堆焊件的摩擦表面可
以看到与摩擦方向平行的犁沟
，
在摩擦过程中
，
摩
擦副的颗粒状的
Laves
相或者粗糙硬凸起压入堆焊
图
6
316H
不锈钢摩擦表面
EDS
线扫成分图
Fig.
6
EDS
line
scan
of
the
316H
stainless
steel
friction
surface
图
7
焊接热输入为
840
J/mm
的试样表面摩擦后的形貌
Fig.
7
Surface
morphology
after
weared
of
the
cladding
specimens
obtained
under
the
welding
heat
input
of
840
J/mm
由面心立方结构转变为六方密排结构
，
而具有六方
密排结构的金属材料有较好的耐磨性能
[
19
]
o
2.3
高温时效稳定性
图
8
是
焊接热输入为
840
J/mm
时获得的
堆焊
件截面在
700
°C
不同时效时间的维氏硬度
。
从
图
8
中可以看出
，
随着时效时间的延长
,
316
H
不锈钢侧
维氏硬度未发生明显变化
，
堆焊界面
（
焊缝
）
处维氏
硬度略有降低
，
这是由于随着时效时间的延长,
316
H
不锈钢侧的
Fe
元素向着堆焊层扩散
，
导致堆
焊界面硬度降低
。
从焊缝位置向堆焊层延伸
，
随着
时效时间的延长
，
维氏硬度显著提高
，
这是因为在
700
C
时效的过程中
，
堆焊层中
Co
、
Mo
、
Si
等元素
从表面高浓度区向堆焊层内部低浓度区扩散并达
到均匀化
，
使堆焊层整体的维氏硬度提高
。
经过
1
000
h
的高温时效后
，
维氏硬度由原来的
528
增加到
602
o
以上结果表明
，
经等离子粉末堆焊后
,
316
H
不
锈钢表面的维氏硬度得到极大的提升
，
且堆焊层的
力学性能可以在
700
C
下保持稳定
。
图
8
焊接热输入为
840
J/mm
的试样在
700
乜
时效不同时间截面的维氏硬度
Fig.
8
Cross-section
Vichers
hardness
of
the
cladding
specimens
with
the
welding
heat
input
of
840
J/mm
after
aging
at
700
七
for
different
time
第
1
期
任
森
，
等
：
316H
不锈钢表面等离子粉末堆焊
Tribaloy
®
T40
0
涂层的性能研究
37
综合焊接热输入对堆焊层的表面形貌
、
维氏硬
度
、
耐磨性能以及成分的影响结果可以发现
：
一方
147-155.
:
5
]
ALLEN
T,
MCGAHA
J,
BALL
S,
et
al.
FHR
functional
面
，
焊接热输入越高,堆焊件的成形以及堆焊层与
316H
不锈钢基体的结合越好
；
另一方面
，
焊接热输
requirements
and
LBE
identification
white
paper:
integrated
research
project
workshop
1[R].
Berkeley:
入越低
，
堆焊层中的
Cr和
Fe
的含量越低,越接近
T400
的成分
，
越有利于堆焊层耐熔盐腐蚀
。
平衡焊
接热输入对堆焊件影响的利弊
，
对
316
H
不锈钢来
Department
of
Nuclear
Engineering
University
of
California, 2013.
[
6
]
LIU
Q,
SUN
H,
YIN
H
Q,
et
al.
Corrosion
behaviour
of
说,焊接热输入为
840
J/mm
时
，
能够得到最优化的
316H
stainless
steel
in
molten
FLiNaK
eutectic
salt
containing
graphite
particles[J].
Corrosion
Science
,
2019,
堆焊件
，
以应用于高温熔盐系统
。
3
总结
（
1
）
综合焊接热输入对堆焊件的表面形貌
、
维氏
硬度
、
耐磨性能以及成分的影响得出
，
焊接热输入
为
840
J/mm
的堆焊件的综合性能最为优异
。
（
2
）
316
H
不锈钢和堆焊件的磨损机制有所不
同
,
316H
不锈钢的磨损机制主要是剥层磨损
，
伴随
着少量的氧化磨损
；
堆焊件的磨损机制为磨粒磨
损
，伴随着黏着磨损
。
（
3
）
对焊接热输入为
840
J/mm
的堆焊件在
700
°C
的环境中进行高温时效
，
时效时间分别为
0
、
50
、
100、
400
h
和
1
000
h
,
堆焊件的维氏硬度随着
时效时间的延长而增加
，
堆焊件经
1
000
h
时效后,
维氏硬度由
528
增加到
602
，
堆焊层具有较好的高
温稳定性
。
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