ZHANG X, YANG X Q, CUI L, et al. Axial Pressure Effects on Microstructure and Wear Resistance During Friction Surfacing of X65 Alloy Steel. China Surface Engineering, 2016, 29(6): 113-122.
摩擦堆焊(Friction surfacing, FS)是一种固相连接技术，最早出现于Klopstock和Neelands的专利中，此后英国焊接研究所对该工艺进行了基础试验研究[1]。与传统熔化堆焊比较，摩擦堆焊避免了由熔化-结晶过程带来的裂纹、气孔等缺陷，堆焊层残余应力明显降低，可实现多种异种材料及难熔材料的堆焊过程并具有稀释率低等诸多优点，因而摩擦堆焊层的综合使用性能具有明显优势。
近些年来摩擦堆焊在受损部件局部修复、表面改性及异种材料涂层制备方面的特殊优势受到工业界普遍关注，国外研究机构一直在持续进行摩擦堆焊应用基础研究。Gandra等人[1]对目前摩擦堆焊技术的最新研究结果(堆焊材料及工艺、连接冶金机理、组织性能及堆焊建模等)进行了详细综述。在国内，姚君山等人[2-3]最早进行了摩擦堆焊工艺试验及焊接过程研究，刘雪梅等人[4-5]对1Cr18Ni9Ti不锈钢在低碳钢上的摩擦堆焊工艺进行了试验研究，并对其热力过程进行数值模拟分析。但与国外研究比较，在摩擦堆焊工艺过程、堆焊材料及堆焊层组织特征与性能方面具有较大差异。目前摩擦堆焊技术并未引起国内研究者的普遍关注、也没有具体的工业应用报道，但摩擦堆焊工艺因其在各种材料局部修复及再制造中的突出优势值得进行深入开发与应用研究。
X65合金钢广泛应用于海洋油气运输管道的制造，由于其服役环境恶劣，失效频繁。因此，目前对X65的堆焊主要是采用镍基合金或一些合金粉末以提高其表面耐磨耐蚀性。但镍基合金与X65钢在化学物理性能上差异较大，而传统堆焊方法主要采用等离子弧堆焊[6-7]、热丝TIG[8-9]及MIG[10]等熔化堆焊方法，由此凸显出异种金属相容性差、冷热裂纹、稀释率、氧化等问题。而摩擦堆焊作为一种固相堆焊方式避免了上述问题，同时热力耦合作用可自动清洁基板表面氧化层。因此将摩擦堆焊应用于X65钢的修复及表面改性具有重要的意义。文中采用X65合金钢作为耗材和基板进行初步摩擦堆焊工艺试验研究，探讨摩擦轴向压力与堆焊层成型、组织特征及磨损性能的相互影响，其结果为应用摩擦堆焊技术进行X65管线钢局部表面改性与缺陷修复等提供重要依据。
1 试验摩擦堆焊试验在天津大学自主研发的摩擦堆焊设备上进行，过程示意图如图 1(a)所示。堆焊试验基板尺寸为150 mm×100 mm×20 mm，圆棒耗材直径为Φ16 mm，可消耗长度为100 mm，如图 1(b)所示。设备总功率为93 kW，主轴转速范围为300~8 000 r/min，最大轴向压力可达60 kN。堆焊过程中，耗材接触基板之前为送进速度控制，接触基板之后为压力控制。基板和耗材均采用X65合金钢，其主要化学成分及力学性能分别见表 1及表 2。
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| 图 1 摩擦堆焊过程及耗材尺寸示意图 Figure 1 Schematic of friction surfacing process and the dimension of the consumable rod |
| (w/%) | ||||||||
| Element | C | Mn | P | S | Nb | V | Ti | Fe |
| Content | < 0.26 | < 1.40 | 0.04 | 0.05 | 0.005 | 0.005 | 0.016 | Bal. |
| Property | Value |
| Average hardness/HV | 180 |
| Yield strength, σb/MPa | 448 |
| Ultimate tensile strength, σb/MPa | 530 |
| Elongation, A/% | 18 |
结合文献及试性试验，采用工艺参数如表 3所示。首先观察不同堆焊速度下的堆焊层成型及连接情况，选出最优焊速，在此基础上变化轴向压力并研究其对组织性能的影响。堆焊前将基板表面铣平，并用酒精擦洗耗材表面。堆焊层金相试样截面经预磨、抛光后用4%硝酸酒精溶液腐蚀处理，采用OLYMPUS GX51光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)对堆焊层显微组织进行观察。采用Wilson 432SVD硬度计测量堆焊层截面的硬度分布，载荷为9.8 N，加载时间为15 s。
| Parameters | Rotational speed / (r·min-1) | Transverse speed / (mm·min-1) | Axial force / kN | Axial pressure / MPa |
| Sample 1 | 4 000 | 150 | 12 | 59.7 |
| Sample 2 | 4 000 | 200 | 12 | 59.7 |
| Sample 3 | 4 000 | 250 | 12 | 59.7 |
| Sample 4 | 4 000 | 200 | 14 | 69.6 |
| Sample 5 | 4 000 | 200 | 16 | 79.6 |
| Sample 6 | 4 000 | 200 | 18 | 89.5 |
| Sample 7 | 4 000 | 200 | 21 | 104.4 |
为评定堆焊层耐磨损性能，采用M-200型摩擦磨损试验机进行了堆焊层磨损试验。所有磨损试验均按照GB/T 12444-2006进行，试环采用GCr15钢，直径为43.2 mm。每个轴向压力水平准备5个磨损试样。磨损表面上取中间和两侧共3处进行磨损宽度的测量，取平均值计算磨损体积。
2 结果及分析 2.1 堆焊速度对连接质量的影响图 2表示不同堆焊速度下摩擦堆焊层与基板的连接界面。由于堆焊速度较慢，150 mm/min焊速下得到的堆焊层与基板连接界面处形成了如图 2(a)所示的过热组织，这种不均匀组织将对界面连接强度造成不利影响。此外，与200 mm/min相比，其组织明显粗大。如图 2(c)所示，焊速为250 mm/min时连接界面形成了大量未连接缺陷，这可能是由于过快的焊速使得元素扩散时间不足导致，降低了堆焊层的连接质量。200 mm/min焊速下形成的堆焊层与基板结合良好，2.4节将对其进行详细讨论。
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| 图 2 不同堆焊速度下摩擦堆焊层与基板的连接界面 Figure 2 Faying interface between friction surfacing coating and the substrate under different surfacing speed |
基于2.1节对堆焊速度影响的讨论，取定堆焊速度为200 mm/min，变换轴向压力研究其对堆焊层组织及性能的影响。图 3表示不同轴向压力下摩擦堆焊层外观形貌。可以看出，各参数下均获得成型良好的连续堆焊层。不同轴向压力下的堆焊层宽度和厚度的计算结果(5个测试点的平均值)表明，随轴向压力的增大，堆焊层宽度由16.2 mm增至18.7 mm，大于耗材圆棒直径，但厚度由1.67 mm减至0.99 mm。此外，随轴向压力的增大，堆焊层表面成型变差，压力增大至104.4 MPa时摩擦堆焊层表面轻微凹陷，对堆焊层成型造成一定不良影响。
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| 图 3 不同轴向压力下摩擦堆焊层外观形貌 Figure 3 Friction surfacing coating appearance under different axial pressure |
图 4为摩擦堆焊接头的宏观金相组织。明显可见，摩擦堆焊接头主要分3个区域：堆焊层完全由圆柱耗材金属过渡到基板上形成的焊缝区域组成；热影响区(HAZ)为基板上摩擦热源及轴向压力作用的区域，随着摩擦热作用强度不同在堆焊层下形成的不同尺寸圆弧区域，由于所经历的热循环不同其组织结构与母材有明显差异；母材(BM)区其组织结构基本没有受到摩擦热源的影响。在59.7 MPa到104.4 MPa的轴向压力范围内，除堆焊层两边缘存在的未连接缺陷外，摩擦界面的中心大部分区域未观察到各种宏观缺陷，摩擦堆焊层与基板接触面具有良好的冶金连接。
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| 图 4 不同轴向压力下的摩擦堆焊接头宏观截面组织 Figure 4 Transverse section macrographs of friction surfacing welded joints under various axial pressure |
随轴向压力的增大，HAZ宽度和深度增大，宽度14.7 mm增至17.4 mm，深度2.0 mm增至2.7 mm；而HAZ与堆焊层宽度差越来越小，由1.3 mm减至0.9 mm。摩擦堆焊中的热输入E表示为：
其中，K为修正系数；vs为堆焊速度，mm/min；μ为摩擦因数；n为转速，r/min；σF为轴向压力，N。由于n和vs保持不变，随轴向压力σF增大，热输入E增大，HAZ范围也将不断扩大。
摩擦堆焊层外观宽度、厚度、有效连接宽度及连接截面积的随轴向压力的变化规律如图 5所示。由于轴向压力与屈服强度的比值是一个无量纲量，选用σF/σs作为横坐标以实现不同材料的应用。与X65钢屈服应力比较，轴向压力59.7 MPa和104.4 MPa仅为其屈服应力的13.3 %和23.3 %，这表明虽然摩擦堆焊过程需要施加较大轴向压力，但该载荷可能在弹性变形范围内就可以实现摩擦堆焊过程的有效连接。考虑到摩擦堆焊过程中材料升温现象，屈服强度可能会降低，后续需对摩擦堆焊过程中的温度场进行测量研究，以准确判断摩擦堆焊过程机理。当σF/σs由13.3%增大至23.3%时，摩擦堆焊层与基板的有效连接宽度由13 mm增至14.3 mm，这表明增加σF/σs将促进摩擦堆焊层与基板的有效连接，与前述HAZ宽度的变化趋势相一致。但随σF/σs的增大，摩擦堆焊层厚度减小，堆焊层有效连接截面积将由18.5 mm2减小至13.5 mm2。当耗材转速和焊接速度固定时，单位时间内发生塑性变形的材料随σF/σs的增大而增多，但并未增加摩擦堆焊层有效连接截面积，而是较大轴向挤压将形成更多飞边造成材料利用率的降低。由此可见过高轴向压力并不能增加摩擦堆焊层有效体积、提高圆棒耗材的利用率。
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| 图 5 轴向压力/屈服应力比对摩擦堆焊层宽度、厚度、有效连接宽度及有效连接截面积的影响 Figure 5 Influence of axial pressure/yield stress on the width, thickness, effective bonding width and effective bonding cross section area of friction surfacing coating |
图 6为X65母材与摩擦堆焊层显微组织，可以看出，原始母材主要由均匀细小的铁素体和少量分布于其晶界的珠光体组成，晶粒尺寸约为2~10 μm；而堆焊层主要由板条贝氏体和粒状贝氏体组成，组织形态具有明显粗化倾向。虽然摩擦堆焊过程中X65钢堆焊材料没有发生熔化，但摩擦挤压加热作用足够使堆焊材料发生完全奥氏体化，使得摩擦堆焊层处于过热晶粒长大状态，在随后的快速冷却作用下形成粗大的组织特征，这势必对摩擦堆焊层力学性能产生明显影响。
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| 图 6 X65钢母材及摩擦堆焊层显微组织 Figure 6 Microstructure of X65 steel base metal and friction surfacing coating |
图 7为选取试验最低压力59.7 MPa和最高压力104.4 MPa压力下的堆焊层不同位置的组织进行详细观察，可以看出，轴向压力59.7 MPa下形成的焊层的组织基本类似；堆焊层中部(Center)及前进边(AS)主要为板条贝氏体及粒状贝氏体(图 7(c)(d)所示)；而后退边(RS)主要为块状铁素体及少量贝氏体（图 7(b)所示），与前者有差异；整个堆焊层中组织均匀性较差，中部组织粗化明显。当轴向压力增加到104.4 MPa时，其组织形态类似但由于过热晶粒长大严重，中部区域形成了大量粗大板条贝氏体组织特征，组织不均匀性更为显著（图 7(f)所示）。增加轴向压力将增大堆焊过程热输入，堆焊层奥氏体过热严重，因而晶粒长大在后续快冷过程中形成粗大板条贝氏体等非平衡组织。这表明X65钢在摩擦堆焊过程中堆焊层很难形成细小晶粒的组织特征。
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| 图 7 不同压力下堆焊层不同位置的显微组织 Figure 7 Microstructure of different positions of coating under different axial pressure |
一般而言在传统摩擦焊过程中，由于摩擦热明显低于熔焊过程，并伴随强烈挤压形变热处理作用，摩擦焊缝将形成细小等轴晶粒的组织特征。但X65钢的摩擦堆焊过程表明，由于X65钢存在多种可能的固态相变过程[11]，最终形成的摩擦堆焊层并不是细小等轴晶粒特征，而是较为粗大的板条贝氏体和粒状贝氏体混合特征。这种组织形态首先取决于X65钢的组织转变特征，其次与摩擦堆焊工艺热循环过程直接相关。
2.4 连接界面组织特征摩擦堆焊层必须与基板形成冶金连接才具有工程应用价值，前述宏观金相表明结合界面处未观察到宏观缺陷，堆焊层与基板形成有效冶金连接。为进一步说明上述连接机制，选取59.7 MPa和104.4 MPa下不同位置的界面区域组织进行详细观察，如图 8所示。可以看出在轴向压力59.7 MPa下，除在AS边局部有原始界面痕迹外，在堆焊层RS及中部的大部分区域原始连接界面已不存在，形成了组织形态一致的过渡区域，没有观察到明显微裂纹或孔洞等缺陷；当轴向压力增加到104.4 MPa时，在堆焊层RS、中部区域及AS区域均形成组织形态一致的过渡区域，已观察不到原始界面的任何痕迹。这表明摩擦堆焊层与基板形成有效冶金扩散连接。
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| 图 8 不同压力下不同位置的界面区域组织 Figure 8 Interfacial microstructure of different positions under different axial pressure |
图 9为59.7 MPa和104.4 MPa轴向压力下局部连接界面的放大SEM形貌。可以看出在低轴向压力下，在AS局部连接界面处可能出现未焊透的微小孔洞缺陷；而在高轴向压力下，在局部连接界面处形成不连续带状细小铁素体晶粒组织过渡区域，仔细观察连接界面处仍发现极微小针孔状缺陷。但与低轴向压力相比，连接区域原始界面消失并形成新晶粒，微小缺陷区域明显减少且原始连接界面已完全形成组织特征一致的过渡区域。
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| 图 9 不同轴向压力下局部连接界面的放大SEM形貌 Figure 9 SEM images of local bonding interface under different pressure |
由此可见，X65钢摩擦堆焊层与基板的界面结合属于扩散冶金组织特征，明显不同于熔化堆焊的结晶连接组织特征。增加轴向压力有利于促进界面的扩散冶金组织特征，但局部仍可能产生微小孔洞缺陷。这种缺陷应与圆棒耗材摩擦界面的压力分布不均匀性有关，由摩擦堆焊工艺本身特点决定，即圆棒耗材既要承受摩擦热作用形成堆焊层、又要具有刚度以便施加轴向压力载荷。
2.5 HAZ组织特征摩擦堆焊过程中摩擦热源与变形分布很不均匀，加热主要集中在圆棒耗材端部并形成大量的飞边；但基板上并未产生明显变形也没有挤出飞边的形成。因此基板上HAZ虽然受到轴向压力的作用，但摩擦堆焊层热循环作用应是影响HAZ组织特征的主要因素。
图 10为轴向压力59.7 MPa和104.4 MPa下HAZ的金相组织形貌。可以看出，HAZ主要由过热区(Overheated zone, OZ)和相变重结晶区(Phase change recrystallization zone, PCRZ)所组成，在轴向力59.7 MPa下靠近堆焊层过热区具有粒状贝氏体和板条贝氏体混合组织特征，原奥氏体晶界可见，如图 10(b)所示。当轴向压力增加到104.4 MPa时，热输入增加过热晶粒长大严重，快速冷却转变过程中形成了粗大的板条贝氏体组织特征，如图 10(d)所示。HAZ相变重结晶区如图 10(c)(e)示，主要由细小铁素体和少量珠光体组成，比原始X65组织更加细小。该区域主要受到热作用后发生重结晶，但并未形成过热状态，在母材内部热传导冷却作用下形成细小等轴铁素体和珠光体晶粒，不同压力对该区域组织形态基本无影响。
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| 图 10 不同轴向压力下的HAZ组织 Figure 10 Microstructure of HAZ under different pressure |
选取3个不同压力下的堆焊层进行显微硬度测试，结果如图 11所示。由图 11(b)可以看出，堆焊层中硬度分布具有较大不均匀性。在AS区域硬度超过240 HV、在RS区域硬度超过200 HV，堆焊层平均硬度在250 HV左右。3种不同轴向压力下硬度波动范围分别是211~279 HV、218~270 HV和208~309 HV。硬度的不均匀性反映前述堆焊层组织形态的不均匀性，堆焊层中形成了大量板条贝氏体组织，有利于提高堆焊层的强度，但会使其塑韧性下降[12]。当轴向压力增加到104.4 MPa时，虽然最高硬度有所增加，但硬度分布具有明显波动性，这表明高轴向压力下由于组织结构粗大及不均匀性产生的硬度值差异更显著。
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| 图 11 不同压力下摩擦堆焊层的水平硬度分布和垂直界面的垂直硬度分布 Figure 11 Horizontal and vertical hardness distributions of friction surfacing coatings under different axial pressure |
图 11(c)是垂直于堆焊层界面的硬度分布。可以看出，摩擦堆焊层、连接界面及HAZ平均硬度值均高于X65母材原始硬度，因而堆焊层具有较高耐磨损性。在HAZ的过热区最高硬度值可达240 HV，随着远离界面其值不断下降；在HAZ的相变重结晶区，硬度有所回升而后再降低过渡到BM硬度值。这种硬度分布特征与HAZ的组织直接相关，过热区的贝氏体混合组织具有较高硬度，而重结晶区的细小铁素体混合组织虽然硬度降低，但由于晶粒细化起到一定的强化作用。
2.7 堆焊层磨损性能由于X65合金钢在运输管道领域的广泛应用，研究其摩擦堆焊层的磨损性能具有重要意义。图 12(a)为3个不同轴向压力下堆焊层磨损体积随磨损时间的变化曲线。随磨损时间增加，磨损体积呈增大趋势，在60 min后BM磨损体积为14.4 mm3，而3种轴向压力下摩擦堆焊层的磨损体积分别为9.6、10.5和12 mm3，与BM比较分别降低33.3%、27.1%、16.7%。
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| 图 12 磨损时间和轴向压力与堆焊层磨损体积的变化关系 Figure 12 Variation relationship between worn time and axial pressure with the wear volume of the surfacing layer |
给定时间下磨损体积随轴向压力的变化曲线如图 12(b)所示，初始磨损时期，不同压力下堆焊层磨损体积和BM差别较小，随磨损时间的增长，差别越来越大。由如12(a)(b)可看出，所有参数下的堆焊层磨损体积均低于BM，最低轴向压力59.7 MPa下堆焊层的耐磨损性能最好。随轴向压力的增大，堆焊层磨损体积逐渐增大，这是由于更高压力下形成的粗大组织所导致。
最低和最高轴向压力下摩擦堆焊层的磨损表面形貌如图 13(a)(b)所示，图中可观察到由摩擦面犁皱形成的沟槽，及反复碾压引起的部分剥落，因此不同压力下摩擦机制均为典型的磨粒磨损。
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| 图 13 最低和最高轴向压力下摩擦堆焊层的磨损表面形貌 Figure 13 Worn surface morphologies of friction welding layer under minimum and maximum axial pressure |
研究了轴向压力对X65钢摩擦堆焊层宏观形貌、显微组织及力学性能的影响，主要结论如下：
(1) 在5种轴向压力下成功实现X65钢摩擦堆焊过程，获得界面连接、成型良好的摩擦堆焊层。随着轴向压力增加，堆焊层宽度增加、但厚度减小。过高轴向压力不能增加摩擦堆焊层有效体积、提高圆棒耗材的利用率。
(2) X65钢摩擦堆焊接头主要由堆焊层、热影响区(HAZ)和母材区域组成。堆焊层完全由圆棒耗材过渡形成，主要为粗大板条和粒状贝氏体混合组织特征；HAZ主要由过热区和相变重结晶区组成，过热区主要为贝氏体组织特征，而重结晶区为细小铁素体晶粒组织特征。轴向压力变化对堆焊层组织粗化倾向和HAZ尺寸有较大影响、但对HAZ的组织形态影响不大。
(3) 与传统摩擦焊缝具有细小等轴晶粒组织不同，X65钢最终形成的摩擦堆焊层并不是细小等轴晶粒特征，而是较为粗大的板条贝氏体和粒状贝氏体混合特征。这种粗大组织结构主要是由X65钢多种可能固态相变特征所决定的。
(4) X65钢摩擦堆焊层与母材之间组织为扩散冶金连接，在界面处可形成细小带状铁素体晶粒过渡区域；当增大轴向压力时，有利于促进界面扩散冶金连接过程，但连接界面局部仍可能产生微小针孔缺陷。
(5) X65钢摩擦堆焊层硬度分布具有较大不均匀性，但平均硬度明显高于其母材硬度值。不同轴向压力下的堆焊层抗磨损性能均优于其母材，与母材比较堆焊层磨损体积最大可降低33.3%。堆焊层的磨损机制不受轴向压力影响，所有参数下均为典型的磨粒磨损类型。
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