测试堆焊层间及堆焊层与母材结合强度的推离试验方法及试件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料加工工程领域，涉及一种新的测试堆焊金属层间及堆焊层与母材 金属间结合强度的一种测试方法及其适用的十字交叉推离试件。
【背景技术】
[0002] 堆焊技术是表面工程领域的关键技术之一，其显著特点是堆焊层与母材具有典型 的冶金结合，堆焊层在服役过程中剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设计堆焊合 金，使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等性能，在工艺上 有很大的灵活性[单际国，董祖珏，徐滨士.我国堆焊技术的发展及其在基础工业中的应用 现状[J].中国表面工程，2002(04): 19-22.]。堆焊技术与其他表面工程技术一样，在应用及 试验研究中特别关注"表面"与"界面"这两个核心内容。利用焊接方法，在工件表面熔覆一 层或多层具有特殊性能的合金层，可以恢复零件的尺寸、形状和性能。尽管堆焊金属与母材 呈冶金结合，但为了明显地提高表面性能，堆焊金属往往与母材的成分、微观组织和性能差 别很大，因此，随着堆焊技术的广泛应用和深入研究，堆焊金属与母材的结合性能日益受到 研究人员和用户的关注。而采用多层堆焊时，为了缓解焊接应力，保证工作层材料与母材结 合良好，防止出现局部剥离等失效现象，经常采用预堆过渡层等措施。这时，堆焊工件存在 两个界面:①过渡层与母材的界面;②工作层与过渡层的界面。在使用条件下要保证堆焊工 件的各个界面不出现裂纹、局部剥离等缺陷，测试界面的结合强度已成为堆焊技术应用与 研究的重点内容之一。
[0003] 英国南安普顿大学等单位的研究人员进行摩擦堆焊工艺优化试验时，采用合适的 摩擦堆焊工艺将304不锈钢棒材（Φ5 X 50mm)堆焊到低碳钢基体(尺寸为80 X45 X 6mm)上， 获得的堆焊层尺寸为20X5mm，典型厚度为0.5~3.0mm，堆焊试样见图1。设计了一种简单的 推离试验法(push-off test)测试堆焊层与基体的结合强度。首先对摩擦堆焊试样中部用 电火花加工方法切取l〇mm长的试件，其上的堆焊层与基体的结合面积为10X5mm 2,然后在 对应堆焊层中心位置的基体上钻削加工直径4mm的盲孔，并使其底部恰好位于堆焊层与基 体的结合面处。把加工后的堆焊试样放置到专门的支座上，将推离工具放入盲孔中进行推 离试验，见图2。推离试验后，堆焊层与基体从结合面分离。摩擦堆焊工艺参数变化会影响堆 焊层与基体的结合面宽度及结合效果，根据实际情况计算推离压力作用的面积，获得的不 锈钢摩擦堆焊层与低碳钢基体结合强度典型值为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] 南京航空航天大学的研究人员发明了《基于压力试验装置的高结合性能涂层结合 强度测试方法及试样》（专利号200710024610.5)。该发明设计的试样见图3,试样由台阶状 支撑圈（1)、锥-柱结合体(2)和涂层(3)组成。测试涂层结合强度的步骤是：1.采用与基体相 同的材料制造锥-柱结合体(2)和台阶式支撑圈（1)，将两者配合后，机械加工使锥-柱结合 体(2)的锥体大端端面与台阶式支撑圈（1)小台阶体端面位于同一平面上;2.在该平面上制 备被测涂层(3)，当涂层较薄时，还可在涂层(3)上涂上胶层(4)，再在胶层(4)上粘结一金属 加强板(5) ;3.将试样直接置于压力试验装置上进行推压试验，测量涂层的结合强度。该发 明测试方法具有物理意义简单明确，操作简便灵活，试验的重复性好等一系列优点。按照该 方法和试样进行氧乙炔火焰喷焊Ni60涂层与45钢基体的结合强度试验，涂层全部随试样毛 坯锥体大端一起与支撑圈小台阶端面剥离，测得6个试样的平均值为154.4MPa，分散度仅为 7.7%。
[0005] 本发明申请人的项目组借鉴图2的推离试验法，设计了适用于电弧堆焊层与母材 结合强度的试验方法，对药芯焊丝堆焊层与钢母材的结合强度进行了试验研究。图4为电弧 堆焊层与母材结合强度的试验方法原理图及试样形状，图4中部试样的母材由两部分组成， 外侧为圆环形，内侧为圆柱形，两块母材组合后，放在堆焊转台上沿圆周线进行焊接，在两 块母材的接缝处形成圆环形堆焊层。进行推离试验时，把堆焊试样放在基座上，外环母材搭 在基座的内侧台阶上，上部的推离头放在内侧圆柱形母材上，整体放入万能试验机进行推 离试验。调整万能试验机压头接触到推离头上表面，根据堆焊层类型及其与母材的结合面 积选择最大载荷，设定加载速度后进行推离试验。加载后压力通过圆柱形母材传递到堆焊 层，使堆焊层与外侧圆环母材的结合面承受拉应力，当拉应力超过堆焊层与外环母材之间 的结合强度时发生断裂，断裂面一般在结合面区域附近。这种推离试样可以采用焊条电弧 焊、钨极氩弧焊、二氧化碳气体保护焊、自保护药芯焊丝电弧堆焊等方法制备。分别采用钨 极氩弧堆焊及自保护药芯焊丝电弧堆焊方法制备了推离试样，用推离试验法测试了几种堆 焊层金属与45钢母材的结合性能，获得了较好的试验结果。（左亚天.挤压辊修复用耐磨堆 焊合金与45钢母材的结合强度研究[D].吉林：吉林大学，2013.)(黄飞，彭武强，赵有恒，任 振安.测试堆焊层与钢母材结合性能的推离试验法及其应用.2015年全国堆焊再制造技术 学术会议论文集，主办单位：中国焊接学会堆焊及表面工程专业委员会，中国太原，2015年8 月：47-53)
【发明内容】
[0006] 英国南安普顿大学等单位的研究人员设计的推离法适用于表面层与基体为冶金 结合且结合强度较高，并且结合界面较平整的情况，能够定量测量较高结合强度的界面，测 试方法较为简单。但试件制备要求较高，当堆焊层与基体的界面不平整时不太适用 (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)。发明专利《基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试方法及试 样》中的测试试样尺寸较大，机械加工较为复杂(ZL200710024610.5)。图4的电弧堆焊层与 母材的结合强度测试试样的尺寸较大，加工量也较大，而且不能测试堆焊层间的结合强度。 当堆焊材料规格较大时堆焊层与母材的结合面积较大，需要大吨位试验机进行推离试验。
[0007] 本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺欠，提出了一种测试堆焊层间及堆 焊层与母材金属结合强度的试验方法及试件，以满足堆焊材料、母材、堆焊工艺等特定因素 对堆焊层间及堆焊层与母材金属结合性能的影响规律的试验研究要求。
[0008] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
[0009] -种测试堆焊层间及堆焊层与母材结合强度的推离试验方法，其特征是：
[0010] 1)采用实际生产堆焊试板，或采用根据试验条件要求制备的堆焊试板，经过包括 线切割在内的机械加工方法从堆焊试板上切割出十字交叉推离试件；
[0011] 2)按照试验目的加工十字交叉推离试件，测量堆焊层与母材的结合性能时，将十 字交叉推离试件的结合面预先设置在堆焊层与母材金属界面区域内；测量不同堆焊层之间 的结合性能时，将十字交叉推离试件的结合面预先设置在待测堆焊层间的界面区域内；在 加工推离试件之前，先将堆焊试板切割成小试块，然后对小试块的横截面进行磨平、抛光、 腐蚀处理，确定堆焊层间及堆焊层与母材金属的界面位置，然后进行机械加工得到满足试 验要求的"十字交叉推离试件"；
[0012] 3)将上述十字交叉推离试件装配到专用的夹具上，然后置于压力试验装置上进行 推离试验，直到十字交叉推离试件沿结合面断裂，即测得堆焊层与母材金属的结合强度或 堆焊层间的结合强度；
[0013] 4)同组十字交叉推离试件最少为2个，进行推离试验获得的堆焊层间及其与母材 金属结合强度数据，根据采用的误差要求进行判断，超过误差要求的要做补充试验。
[0014] -种用于上述的推离试验方法的试件，其特征是：
[0015] 1)根据推离试验要求从实际生产或从专门设计试验制备的堆焊试板取样为十字 交叉推离试件，所述十字交叉推离试件分为上下两部分，均为长方体，尺寸相同或不同，结 合面的面积为上下两个长方体宽度的乘积；
[0016] 2)通过从堆焊试板上切割下来的小试块的横截面进行磨平、抛光、腐蚀处理的方 法确定堆焊层间及堆焊层与母材金属的界面，然后将小试块加工成十字交叉推离试件时， 沿已经确定的界面作为推离试件上下两部分的结合面进行加工；
[0017] 3)十字交叉推离试件上下两部分长方体的尺寸以及结合面面积应满足以下条件： 在进行推离试验时，应沿结合面分离;推离试验过程中，十字交叉推离试件的上下两部分长 方体，除结合面以外其他部位不得出现塑性变形或弯曲。
[0018] 本发明的有益效果：
[0019] 本发明提出的一种测试堆焊层间及堆焊层与母材结合强度的推离试验方法及十 字交叉推离试件，具有以下有益效果：
[0020] 1)本发明提出的测量方法具有物理意义明确，操作简便，不需要复杂的理论计算， 试验重复性好等优点；
[0021] 2)本发明测量方法可用于电弧堆焊方法及其他堆焊方法制备的堆焊层