測試堆焊層間及堆焊層與母材結合強度的推離試驗方法及試件的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于材料加工工程領域，涉及一種新的測試堆焊金屬層間及堆焊層與母材 金屬間結合強度的一種測試方法及其適用的十字交叉推離試件。
【背景技術】
[0002] 堆焊技術是表面工程領域的關鍵技術之一，其顯著特點是堆焊層與母材具有典型 的冶金結合，堆焊層在服役過程中剝落傾向小，而且可以根據服役性能選擇或設計堆焊合 金，使材料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.]。堆焊技術與其他表面工程技術一樣，在應用及 試驗研究中特別關注"表面"與"界面"這兩個核心內容。利用焊接方法，在工件表面熔覆一 層或多層具有特殊性能的合金層，可以恢復零件的尺寸、形狀和性能。盡管堆焊金屬與母材 呈冶金結合，但為了明顯地提高表面性能，堆焊金屬往往與母材的成分、微觀組織和性能差 別很大，因此，隨著堆焊技術的廣泛應用和深入研究，堆焊金屬與母材的結合性能日益受到 研究人員和用戶的關注。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，防止出現局部剝離等失效現象，經常采用預堆過渡層等措施。這時，堆焊工件存在 兩個界面:①過渡層與母材的界面;②工作層與過渡層的界面。在使用條件下要保證堆焊工 件的各個界面不出現裂紋、局部剝離等缺陷，測試界面的結合強度已成為堆焊技術應用與 研究的重點內容之一。
[0003] 英國南安普頓大學等單位的研究人員進行摩擦堆焊工藝優化試驗時，采用合適的 摩擦堆焊工藝將304不銹鋼棒材（Φ5 X 50mm)堆焊到低碳鋼基體(尺寸為80 X45 X 6mm)上， 獲得的堆焊層尺寸為20X5mm，典型厚度為0.5~3.0mm，堆焊試樣見圖1。設計了一種簡單的 推離試驗法(push-off test)測試堆焊層與基體的結合強度。首先對摩擦堆焊試樣中部用 電火花加工方法切取l〇mm長的試件，其上的堆焊層與基體的結合面積為10X5mm 2,然后在 對應堆焊層中心位置的基體上鉆削加工直徑4mm的盲孔，并使其底部恰好位于堆焊層與基 體的結合面處。把加工后的堆焊試樣放置到專門的支座上，將推離工具放入盲孔中進行推 離試驗，見圖2。推離試驗后，堆焊層與基體從結合面分離。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，根據實際情況計算推離壓力作用的面積，獲得的不 銹鋼摩擦堆焊層與低碳鋼基體結合強度典型值為12〇MPa。（I .Voutchkov，B. Jaworski， V.I.Vitanov,G.M.Bedford.An integrated approach to friction surfacing process optimisation.Surface and Coatings Technology，2001，141(1):26-33)
[0004] 南京航空航天大學的研究人員發明了《基于壓力試驗裝置的高結合性能涂層結合 強度測試方法及試樣》（專利號200710024610.5)。該發明設計的試樣見圖3,試樣由臺階狀 支撐圈（1)、錐-柱結合體(2)和涂層(3)組成。測試涂層結合強度的步驟是：1.采用與基體相 同的材料制造錐-柱結合體(2)和臺階式支撐圈（1)，將兩者配合后，機械加工使錐-柱結合 體(2)的錐體大端端面與臺階式支撐圈（1)小臺階體端面位于同一平面上;2.在該平面上制 備被測涂層(3)，當涂層較薄時，還可在涂層(3)上涂上膠層(4)，再在膠層(4)上粘結一金屬 加強板(5) ;3.將試樣直接置于壓力試驗裝置上進行推壓試驗，測量涂層的結合強度。該發 明測試方法具有物理意義簡單明確，操作簡便靈活，試驗的重復性好等一系列優點。按照該 方法和試樣進行氧乙炔火焰噴焊Ni60涂層與45鋼基體的結合強度試驗，涂層全部隨試樣毛 坯錐體大端一起與支撐圈小臺階端面剝離，測得6個試樣的平均值為154.4MPa，分散度僅為 7.7%。
[0005] 本發明申請人的項目組借鑒圖2的推離試驗法，設計了適用于電弧堆焊層與母材 結合強度的試驗方法，對藥芯焊絲堆焊層與鋼母材的結合強度進行了試驗研究。圖4為電弧 堆焊層與母材結合強度的試驗方法原理圖及試樣形狀，圖4中部試樣的母材由兩部分組成， 外側為圓環形，內側為圓柱形，兩塊母材組合后，放在堆焊轉臺上沿圓周線進行焊接，在兩 塊母材的接縫處形成圓環形堆焊層。進行推離試驗時，把堆焊試樣放在基座上，外環母材搭 在基座的內側臺階上，上部的推離頭放在內側圓柱形母材上，整體放入萬能試驗機進行推 離試驗。調整萬能試驗機壓頭接觸到推離頭上表面，根據堆焊層類型及其與母材的結合面 積選擇最大載荷，設定加載速度后進行推離試驗。加載后壓力通過圓柱形母材傳遞到堆焊 層，使堆焊層與外側圓環母材的結合面承受拉應力，當拉應力超過堆焊層與外環母材之間 的結合強度時發生斷裂，斷裂面一般在結合面區域附近。這種推離試樣可以采用焊條電弧 焊、鎢極氬弧焊、二氧化碳氣體保護焊、自保護藥芯焊絲電弧堆焊等方法制備。分別采用鎢 極氬弧堆焊及自保護藥芯焊絲電弧堆焊方法制備了推離試樣，用推離試驗法測試了幾種堆 焊層金屬與45鋼母材的結合性能，獲得了較好的試驗結果。（左亞天.擠壓輥修復用耐磨堆 焊合金與45鋼母材的結合強度研究[D].吉林：吉林大學，2013.)(黃飛，彭武強，趙有恒，任 振安.測試堆焊層與鋼母材結合性能的推離試驗法及其應用.2015年全國堆焊再制造技術 學術會議論文集，主辦單位：中國焊接學會堆焊及表面工程專業委員會，中國太原，2015年8 月：47-53)
【發明內容】
[0006] 英國南安普頓大學等單位的研究人員設計的推離法適用于表面層與基體為冶金 結合且結合強度較高，并且結合界面較平整的情況，能夠定量測量較高結合強度的界面，測 試方法較為簡單。但試件制備要求較高，當堆焊層與基體的界面不平整時不太適用 (I.Voutchkov,Β·Jaworski,V.I. Vitanov,G.M.Bedford.An integrated approach to friction surfacing process optimisation.Surface and Coatings Technology,2001, 141(1) :26-33)。發明專利《基于壓力試驗裝置的高結合性能涂層結合強度測試方法及試 樣》中的測試試樣尺寸較大，機械加工較為復雜(ZL200710024610.5)。圖4的電弧堆焊層與 母材的結合強度測試試樣的尺寸較大，加工量也較大，而且不能測試堆焊層間的結合強度。 當堆焊材料規格較大時堆焊層與母材的結合面積較大，需要大噸位試驗機進行推離試驗。
[0007] 本發明的目的在于克服上述現有技術存在的缺欠，提出了一種測試堆焊層間及堆 焊層與母材金屬結合強度的試驗方法及試件，以滿足堆焊材料、母材、堆焊工藝等特定因素 對堆焊層間及堆焊層與母材金屬結合性能的影響規律的試驗研究要求。
[0008] 本發明的上述目的通過以下技術方案實現：
[0009] -種測試堆焊層間及堆焊層與母材結合強度的推離試驗方法，其特征是：
[0010] 1)采用實際生產堆焊試板，或采用根據試驗條件要求制備的堆焊試板，經過包括 線切割在內的機械加工方法從堆焊試板上切割出十字交叉推離試件；
[0011] 2)按照試驗目的加工十字交叉推離試件，測量堆焊層與母材的結合性能時，將十 字交叉推離試件的結合面預先設置在堆焊層與母材金屬界面區域內；測量不同堆焊層之間 的結合性能時，將十字交叉推離試件的結合面預先設置在待測堆焊層間的界面區域內；在 加工推離試件之前，先將堆焊試板切割成小試塊，然后對小試塊的橫截面進行磨平、拋光、 腐蝕處理，確定堆焊層間及堆焊層與母材金屬的界面位置，然后進行機械加工得到滿足試 驗要求的"十字交叉推離試件"；
[0012] 3)將上述十字交叉推離試件裝配到專用的夾具上，然后置于壓力試驗裝置上進行 推離試驗，直到十字交叉推離試件沿結合面斷裂，即測得堆焊層與母材金屬的結合強度或 堆焊層間的結合強度；
[0013] 4)同組十字交叉推離試件最少為2個，進行推離試驗獲得的堆焊層間及其與母材 金屬結合強度數據，根據采用的誤差要求進行判斷，超過誤差要求的要做補充試驗。
[0014] -種用于上述的推離試驗方法的試件，其特征是：
[0015] 1)根據推離試驗要求從實際生產或從專門設計試驗制備的堆焊試板取樣為十字 交叉推離試件，所述十字交叉推離試件分為上下兩部分，均為長方體，尺寸相同或不同，結 合面的面積為上下兩個長方體寬度的乘積；
[0016] 2)通過從堆焊試板上切割下來的小試塊的橫截面進行磨平、拋光、腐蝕處理的方 法確定堆焊層間及堆焊層與母材金屬的界面，然后將小試塊加工成十字交叉推離試件時， 沿已經確定的界面作為推離試件上下兩部分的結合面進行加工；
[0017] 3)十字交叉推離試件上下兩部分長方體的尺寸以及結合面面積應滿足以下條件： 在進行推離試驗時，應沿結合面分離;推離試驗過程中，十字交叉推離試件的上下兩部分長 方體，除結合面以外其他部位不得出現塑性變形或彎曲。
[0018] 本發明的有益效果：
[0019] 本發明提出的一種測試堆焊層間及堆焊層與母材結合強度的推離試驗方法及十 字交叉推離試件，具有以下有益效果：
[0020] 1)本發明提出的測量方法具有物理意義明確，操作簡便，不需要復雜的理論計算， 試驗重復性好等優點；
[0021] 2)本發明測量方法可用于電弧堆焊方法及其他堆焊方法制備的堆焊層