12Cr2Mo1V基體堆焊中預熱溫度對熱過程與組織性能的影響探究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)中，12Cr2Mo1V鋼憑借其優(yōu)異的綜合性能，在眾多領域發(fā)揮著不可或缺的作用。這種低碳含量的高強度合金鋼，主要由碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、鉻（Cr）、鉬（Mo）和釩（V）等元素構成，鉻、鉬和釩的含量相對較高，分別約為2%、1%和0.15-0.25%。這些元素的巧妙組合，賦予了12Cr2Mo1V鋼良好的高溫強度、耐磨性和耐腐蝕性。其密度為7.85g/cm3，熱膨脹系數(shù)為12.2×10??/℃，抗拉強度通常在590-760MPa之間，屈服強度在≥420MPa以上，部分資料顯示屈服強度可達930MPa以上，抗拉強度在1080MPa以上，顯示出極高的強度水平；具有較高的斷裂伸長率，一般在12%以上，部分資料顯示斷后伸長率或延伸率δ(%)≥17，表明其具有良好的塑性變形能力；沖擊韌性一般在47J/cm2以上，部分資料顯示沖擊吸收能量KV2(J)≥60，能夠在受到?jīng)_擊時保持結(jié)構的完整性；硬度范圍在190-250HB之間，部分資料顯示硬度在269HB以下，表明其表面具有一定的抗磨損能力。在能源領域，12Cr2Mo1V鋼主要用于制造火力發(fā)電站和化工廠等場合中需要承受高溫高壓的鍋爐和壓力容器等關鍵設備。這些設備在運行過程中，不僅要承受巨大的壓力，還要經(jīng)受高溫環(huán)境的考驗，12Cr2Mo1V鋼的高溫強度和耐腐蝕性確保了設備的安全穩(wěn)定運行。在機械制造領域，它廣泛應用于制造汽輪機葉片等需要承受高速旋轉(zhuǎn)和高溫高壓氣流作用的部件。汽輪機葉片在工作時，處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時受到高溫高壓氣流的沖刷，12Cr2Mo1V鋼的高強度和良好的耐磨性，使其能夠勝任這一嚴苛的工作條件，保障了汽輪機的高效運行。在化工領域，由于其良好的耐腐蝕性和高溫高壓性能，被用于制造化工設備的零部件，有效抵御了化工介質(zhì)的侵蝕，延長了設備的使用壽命。此外，在航空航天領域，12Cr2Mo1V鋼也能滿足一些特殊需求，為航空航天事業(yè)的發(fā)展提供了材料支持。然而，在實際服役過程中，12Cr2Mo1V鋼構件往往會面臨各種復雜的工況條件，如磨損、腐蝕、高溫氧化等，這會導致其表面性能逐漸下降，甚至影響到整個構件的使用壽命和安全性。堆焊技術作為一種有效的表面改性方法，能夠在12Cr2Mo1V鋼基體表面熔敷一層具有特殊性能的材料，從而顯著提升其耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性等性能，有效延長構件的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。通過堆焊，可以在12Cr2Mo1V鋼表面添加耐磨合金元素，提高其抗磨損能力，使其在摩擦環(huán)境下能夠保持良好的工作狀態(tài)；或者添加耐腐蝕合金元素，增強其在腐蝕性介質(zhì)中的抗腐蝕性能，防止構件被腐蝕損壞。預熱溫度作為堆焊過程中的一個關鍵工藝參數(shù)，對堆焊熱過程及組織性能有著至關重要的影響。合適的預熱溫度可以降低堆焊層與基體之間的溫差，減小熱應力，從而有效防止裂紋的產(chǎn)生；還能改善堆焊層的冶金質(zhì)量，促進合金元素的均勻分布，提高堆焊層的性能。相反，若預熱溫度選擇不當，過高可能導致基體組織過熱，晶粒粗大，降低材料的力學性能；過低則無法充分發(fā)揮預熱的作用，增加裂紋產(chǎn)生的風險。因此，深入研究不同預熱溫度對12Cr2Mo1V基體堆焊熱過程及組織性能的影響，對于優(yōu)化堆焊工藝、提高堆焊質(zhì)量、拓展12Cr2Mo1V鋼的應用范圍具有重要的理論意義和實際工程價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，關于12Cr2Mo1V鋼堆焊預熱溫度的研究開展較早。美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）對12Cr2Mo1V鋼的焊接工藝有相關標準和指導，一些科研機構和企業(yè)基于此對堆焊工藝參數(shù)進行了深入研究。他們通過熱模擬試驗和實際堆焊工藝，研究了不同預熱溫度對堆焊層和熱影響區(qū)組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)合適的預熱溫度可以顯著改善堆焊層的微觀組織，提高其硬度和耐磨性。日本在能源和機械制造領域?qū)?2Cr2Mo1V鋼的應用較為廣泛，對其堆焊工藝也進行了大量研究。如一些學者利用熱循環(huán)模擬技術，分析了預熱溫度對堆焊過程中熱應力和應變的影響，提出了通過控制預熱溫度來降低堆焊層殘余應力的方法。國內(nèi)對12Cr2Mo1V鋼堆焊預熱溫度的研究也取得了不少成果。哈爾濱工業(yè)大學等高校在焊接領域有著深厚的研究基礎，針對12Cr2Mo1V鋼堆焊過程中的預熱溫度對組織性能的影響進行了系統(tǒng)研究。通過金相分析、硬度測試和沖擊韌性試驗等手段，研究了不同預熱溫度下堆焊層和熱影響區(qū)的組織演變規(guī)律以及力學性能的變化。一些企業(yè)在實際生產(chǎn)中，針對12Cr2Mo1V鋼堆焊工藝進行了大量實踐探索。如東方電氣集團在制造汽輪機葉片等關鍵部件時，通過優(yōu)化堆焊預熱溫度等工藝參數(shù)，提高了堆焊層的質(zhì)量和性能，降低了生產(chǎn)成本。然而，目前的研究仍存在一些不足與空白。在堆焊熱過程的研究方面，雖然對溫度場的分布有了一定的認識，但對于堆焊過程中熱應力和應變的動態(tài)變化以及它們對組織性能的綜合影響，研究還不夠深入。在組織性能研究方面，雖然對堆焊層和熱影響區(qū)的微觀組織和力學性能有了一定的了解，但對于不同預熱溫度下堆焊層與基體之間的界面結(jié)合性能以及長期服役過程中的性能穩(wěn)定性，研究還相對較少。在實際應用中，針對不同工況條件下12Cr2Mo1V鋼堆焊的最佳預熱溫度的確定，還缺乏系統(tǒng)的理論和實踐指導。因此，進一步深入研究不同預熱溫度對12Cr2Mo1V基體堆焊熱過程及組織性能的影響，具有重要的理論和實際意義。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于不同預熱溫度對12Cr2Mo1V基體堆焊熱過程及組織性能的影響，主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：堆焊熱過程分析：運用數(shù)值模擬軟件，建立12Cr2Mo1V基體堆焊的熱過程模型，深入探究不同預熱溫度下堆焊過程中的溫度場分布、熱循環(huán)曲線以及熱應力和應變的變化規(guī)律。同時，通過實驗測量堆焊過程中的實際溫度，與模擬結(jié)果進行對比驗證，以確保模型的準確性。組織性能研究：采用光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀分析手段，觀察不同預熱溫度下堆焊層、熱影響區(qū)和基體的微觀組織形貌，分析組織演變規(guī)律。利用硬度測試、拉伸試驗、沖擊韌性試驗等力學性能測試方法，測定堆焊層和熱影響區(qū)的硬度、抗拉強度、屈服強度、沖擊韌性等力學性能指標，研究預熱溫度對力學性能的影響。通過電化學腐蝕試驗、高溫氧化試驗等方法，評估不同預熱溫度下堆焊層的耐腐蝕性能和耐高溫氧化性能，分析預熱溫度對堆焊層耐腐蝕和耐高溫氧化性能的影響機制。界面性能研究：借助電子探針顯微分析（EPMA）、能譜分析（EDS）等技術，分析堆焊層與基體之間的元素擴散和界面結(jié)合情況，研究預熱溫度對界面結(jié)合性能的影響。通過剪切試驗等方法，測定堆焊層與基體之間的結(jié)合強度，評估不同預熱溫度下堆焊層與基體的結(jié)合質(zhì)量。工藝優(yōu)化：綜合考慮堆焊熱過程、組織性能和界面性能等因素，確定12Cr2Mo1V基體堆焊的最佳預熱溫度范圍，并提出相應的堆焊工藝優(yōu)化方案，為實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術支持。為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究擬采用以下研究方法：實驗研究：選取合適的12Cr2Mo1V基體材料和堆焊材料，設計并進行不同預熱溫度下的堆焊實驗。實驗過程中，嚴格控制焊接電流、電壓、焊接速度等焊接工藝參數(shù)，確保實驗的準確性和可重復性。對堆焊后的試樣進行切割、打磨、拋光等預處理，然后采用各種微觀分析手段和力學性能測試方法，對試樣的微觀組織和性能進行全面測試和分析。數(shù)值模擬：運用有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立12Cr2Mo1V基體堆焊的熱過程和應力應變場的數(shù)值模型。通過輸入材料的熱物理性能參數(shù)、焊接工藝參數(shù)等，模擬不同預熱溫度下堆焊過程中的溫度場、熱應力和應變的分布和變化規(guī)律。對模擬結(jié)果進行分析和討論，為實驗研究提供理論指導和預測依據(jù)。對比分析：將不同預熱溫度下的實驗結(jié)果和模擬結(jié)果進行對比分析，深入研究預熱溫度對堆焊熱過程、組織性能和界面性能的影響機制。通過對比不同預熱溫度下的堆焊效果，確定最佳的預熱溫度范圍，為堆焊工藝的優(yōu)化提供科學依據(jù)。理論分析：結(jié)合金屬學、材料科學、傳熱學、力學等相關理論知識，對實驗結(jié)果和模擬結(jié)果進行深入的理論分析，揭示預熱溫度影響堆焊熱過程及組織性能的內(nèi)在本質(zhì)，為堆焊工藝的改進和優(yōu)化提供理論支持。二、12Cr2Mo1V鋼及堆焊工藝概述2.112Cr2Mo1V鋼的特性12Cr2Mo1V鋼是一種低碳含量的高強度合金鋼，憑借其獨特的化學成分，展現(xiàn)出卓越的綜合性能，在多個工業(yè)領域中扮演著舉足輕重的角色。其化學成分主要包含碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、鉻（Cr）、鉬（Mo）和釩（V）等元素。其中，碳含量一般控制在0.09-0.16%，較低的碳含量有效保證了鋼的韌性，使其在承受外力作用時，能夠通過塑性變形來吸收能量，減少脆性斷裂的風險。硅含量處于0.20-0.40%之間，硅在鋼中主要起脫氧和強化鐵素體的作用，能夠提高鋼的強度和硬度。錳含量為0.30-0.60%，錳可以增強鋼的強度和韌性，同時還能改善鋼的熱加工性能，使鋼在高溫下更容易進行鍛造、軋制等加工工藝。鉻的含量相對較高，達到2.00-2.30%，鉻是提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性的關鍵元素，在鋼的表面形成一層致密的氧化膜，阻止氧氣和其他腐蝕性介質(zhì)與鋼基體的接觸，從而延長鋼的使用壽命；鉻還能提高鋼的淬透性，使鋼在淬火時能夠獲得更均勻的組織和性能。鉬含量在0.90-1.10%，鉬可以顯著提高鋼的高溫強度和蠕變性能，在高溫環(huán)境下，鉬能夠抑制鋼中原子的擴散，阻礙位錯的運動，從而保持鋼的強度和硬度；鉬還能增強鋼的抗氫腐蝕能力，使其在含有氫氣的環(huán)境中也能穩(wěn)定工作。釩含量為0.15-0.25%，釩可以細化鋼的晶粒，提高鋼的強度、硬度和耐磨性，通過形成細小的碳化物和氮化物，阻礙晶粒的長大，使鋼的組織更加致密，從而提升其力學性能。這些合金元素相互配合，共同賦予了12Cr2Mo1V鋼良好的高溫強度、耐磨性和耐腐蝕性。12Cr2Mo1V鋼在力學性能方面表現(xiàn)出色，具有較高的強度、良好的塑性、韌性和適中的硬度。其抗拉強度通常處于590-760MPa之間，部分資料顯示，在特定條件下，抗拉強度可達1080MPa以上，這使得它能夠承受較大的拉伸載荷，在承受外力作用時不易發(fā)生斷裂。屈服強度在≥420MPa以上，某些情況下甚至可達930MPa以上，較高的屈服強度保證了鋼在受力時能夠保持穩(wěn)定的形狀和尺寸，只有在超過屈服強度后才會發(fā)生明顯的塑性變形。斷裂伸長率一般在12%以上，部分資料表明斷后伸長率或延伸率δ(%)≥17，良好的塑性使得12Cr2Mo1V鋼在加工過程中能夠進行各種塑性變形加工，如鍛造、沖壓等；在實際使用中，也能通過塑性變形來吸收能量，提高其抗沖擊和抗疲勞能力。沖擊韌性一般在47J/cm2以上，部分顯示沖擊吸收能量KV2(J)≥60，較高的沖擊韌性使鋼在受到?jīng)_擊載荷時，能夠有效地吸收能量，避免發(fā)生脆性斷裂，確保了其在一些可能受到?jīng)_擊的工作環(huán)境中的安全性。硬度范圍在190-250HB之間，部分資料顯示硬度在269HB以下，這種適中的硬度使得12Cr2Mo1V鋼既具有一定的抗磨損能力，又不至于過于堅硬而難以加工。從物理性能來看，12Cr2Mo1V鋼的密度為7.85g/cm3，與大多數(shù)鋼鐵材料相近，這一密度特性在設計和制造過程中需要考慮，例如在計算結(jié)構的重量和穩(wěn)定性時，密度是一個重要的參數(shù)。其熱膨脹系數(shù)為12.2×10??/℃，這意味著在溫度變化時，鋼會發(fā)生一定程度的熱脹冷縮。在實際應用中，特別是在高溫環(huán)境下工作的部件，需要考慮熱膨脹系數(shù)對部件尺寸和性能的影響，例如在設計鍋爐和汽輪機等設備時，需要合理預留膨脹空間，以防止因熱膨脹而導致部件損壞。基于上述優(yōu)異的性能，12Cr2Mo1V鋼在多個重要領域得到了廣泛應用。在能源領域，它主要用于制造火力發(fā)電站和化工廠等場合中需要承受高溫高壓的鍋爐和壓力容器等關鍵設備。這些設備在運行過程中，不僅要承受巨大的壓力，還要經(jīng)受高溫環(huán)境的考驗，12Cr2Mo1V鋼的高溫強度和耐腐蝕性確保了設備的安全穩(wěn)定運行。例如，在火力發(fā)電站的鍋爐中，高溫高壓的蒸汽對設備材料的性能要求極高，12Cr2Mo1V鋼能夠在這樣的惡劣條件下長期工作，保證了發(fā)電過程的順利進行。在機械制造領域，12Cr2Mo1V鋼廣泛應用于制造汽輪機葉片等需要承受高速旋轉(zhuǎn)和高溫高壓氣流作用的部件。汽輪機葉片在工作時，處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時受到高溫高壓氣流的沖刷，12Cr2Mo1V鋼的高強度和良好的耐磨性，使其能夠勝任這一嚴苛的工作條件，保障了汽輪機的高效運行。在化工領域，由于其良好的耐腐蝕性和高溫高壓性能，被用于制造化工設備的零部件，有效抵御了化工介質(zhì)的侵蝕，延長了設備的使用壽命。此外，在航空航天領域，12Cr2Mo1V鋼也能滿足一些特殊需求，為航空航天事業(yè)的發(fā)展提供了材料支持，例如在一些航空發(fā)動機的零部件制造中，12Cr2Mo1V鋼的高性能特性能夠確保發(fā)動機在極端條件下的可靠運行。2.2堆焊工藝原理與方法堆焊作為一種重要的表面改性技術，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應用。其基本原理是通過焊接的方式，將具有特定性能的填充金屬材料熔化并堆積在基體表面，從而形成一層具有特殊性能的堆焊層。這一過程中，填充金屬與基體之間通過冶金結(jié)合，形成一個整體，使基體表面獲得原本不具備的性能，如耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性等。堆焊的本質(zhì)是利用焊接熱源提供的熱量，使填充金屬和基體表面的局部區(qū)域達到熔化狀態(tài)，隨后在冷卻凝固過程中，填充金屬與基體實現(xiàn)冶金結(jié)合。在堆焊過程中，熱源的選擇至關重要，不同的熱源具有不同的溫度分布和能量密度，會對堆焊層的質(zhì)量和性能產(chǎn)生顯著影響。例如，高溫熱源能夠使填充金屬快速熔化，提高堆焊效率，但也可能導致基體過熱，熱影響區(qū)增大；而低溫熱源雖然可以減少熱影響區(qū)，但堆焊速度可能較慢。在實際應用中，常見的堆焊方法種類繁多，各有其獨特的特點和適用范圍。手工電弧堆焊是一種較為傳統(tǒng)且應用廣泛的堆焊方法。它操作靈活，對工作場地和設備的要求相對較低，能夠在各種復雜形狀的工件上進行堆焊。手工電弧堆焊可以根據(jù)實際需求，隨時調(diào)整焊接參數(shù)和操作手法，適用于單件小批量生產(chǎn)以及對堆焊位置精度要求較高的場合。然而，手工電弧堆焊也存在一些局限性。由于是手工操作，對焊工的技術水平要求較高，焊接質(zhì)量在很大程度上依賴于焊工的經(jīng)驗和技能，不同焊工操作可能導致堆焊質(zhì)量的差異較大。其焊接過程中熱輸入難以精確控制，容易使堆焊層和熱影響區(qū)產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而增加了裂紋產(chǎn)生的風險。此外，手工電弧堆焊的生產(chǎn)率相對較低，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。埋弧堆焊是利用顆粒狀焊劑在電弧周圍形成保護層，電弧在焊劑層下燃燒，將焊絲和基體表面熔化，形成堆焊層。這種堆焊方法的熔敷速度較快，生產(chǎn)效率高，適用于大面積堆焊。埋弧焊過程中，焊劑能夠有效地保護熔池，減少空氣中有害氣體的侵入，從而降低了堆焊層中氣孔和夾渣等缺陷的產(chǎn)生幾率。由于焊接過程中電弧穩(wěn)定，熱輸入較為均勻，堆焊層的質(zhì)量相對穩(wěn)定。但埋弧堆焊設備較為復雜，成本較高，對焊接位置和工件形狀有一定的限制，通常適用于平焊位置和形狀相對規(guī)則的工件。氣體保護電弧堆焊，如熔化極氣體保護電弧堆焊和鎢極氬弧堆焊，是利用保護氣體在電弧周圍形成氣幕，隔絕空氣對熔池的影響。熔化極氣體保護電弧堆焊的熔敷速度較快，適用于堆焊厚度較大的場合；而鎢極氬弧堆焊則具有電弧穩(wěn)定、熱影響區(qū)小、堆焊層質(zhì)量高等優(yōu)點，常用于對堆焊層質(zhì)量要求較高、厚度較薄的工件。氣體保護電弧堆焊對保護氣體的純度和流量要求嚴格，氣體供應不穩(wěn)定或純度不夠可能會影響堆焊質(zhì)量。此外，該方法在有風的環(huán)境下使用時，保護氣體容易受到干擾，從而降低保護效果。等離子弧堆焊是利用等離子弧作為熱源，將合金粉末通過等離子弧區(qū)輸送到工件表面，形成堆焊層。等離子弧具有能量集中、溫度高、弧柱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，能夠在高堆焊速度條件下，形成與基體呈冶金結(jié)合、金相組織均一的焊層。等離子弧堆焊的熱影響區(qū)小，基體材料機械強度損失少，對高合金基材，焊后殘余應力和焊后開裂傾向小。焊層晶粒細化，呈樹枝狀，相同堆焊材料，其焊層耐磨性高，焊層稀釋率低。該方法便于自動控制，適于大批量、多品種流水作業(yè)。然而，等離子弧堆焊設備復雜，成本較高，對操作人員的技術要求也較高。本研究選用手工電弧堆焊方法，主要基于多方面的考慮。從實驗條件和成本角度來看，手工電弧堆焊設備簡單，成本較低，易于在實驗室環(huán)境中搭建實驗平臺，不需要大量的資金投入購買昂貴的設備。在本研究中，需要對不同預熱溫度下的堆焊過程進行細致的研究和分析，手工電弧堆焊操作靈活的特點能夠更好地滿足實驗需求。研究過程中可能需要根據(jù)實際情況隨時調(diào)整堆焊位置和參數(shù)，手工電弧堆焊可以方便地實現(xiàn)這一點。手工電弧堆焊對工作場地的要求不高，能夠適應實驗室有限的空間條件。盡管手工電弧堆焊存在一些缺點，如對焊工技術要求高、生產(chǎn)率低等，但在本研究的特定條件下，其優(yōu)點更為突出，能夠為研究不同預熱溫度對12Cr2Mo1V基體堆焊熱過程及組織性能的影響提供有效的實驗手段。2.3預熱在堆焊中的作用在堆焊過程中，預熱是一項至關重要的工藝措施，對堆焊層和熱影響區(qū)的質(zhì)量以及整個堆焊構件的性能有著深遠的影響。從防止堆焊層和熱影響區(qū)裂紋的角度來看，堆焊過程中，由于焊接熱源的快速加熱和隨后的快速冷卻，會在堆焊層和熱影響區(qū)產(chǎn)生復雜的熱應力和組織應力。當這些應力超過材料的屈服強度時，就可能導致裂紋的產(chǎn)生。預熱能夠有效降低這種應力的產(chǎn)生，其作用機制主要體現(xiàn)在以下幾個方面。預熱可以減小堆焊層與基體之間的溫度梯度。在堆焊過程中，若基體未進行預熱，堆焊層在快速加熱后，與溫度較低的基體之間會形成較大的溫度梯度。這種大的溫度梯度會導致熱膨脹不一致，從而產(chǎn)生熱應力。而通過預熱，使基體溫度升高，堆焊層與基體之間的溫度差減小，熱膨脹差異也隨之減小，進而降低了熱應力的產(chǎn)生。預熱能夠減緩堆焊層和熱影響區(qū)的冷卻速度?？焖倮鋮s會使堆焊層和熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變不均勻，容易產(chǎn)生組織應力。例如，在一些合金鋼堆焊中，快速冷卻可能導致馬氏體組織的形成，馬氏體組織硬度高、脆性大，容易產(chǎn)生裂紋。而預熱后，冷卻速度減緩，有利于獲得均勻的組織，減少組織應力，降低裂紋產(chǎn)生的風險。對于一些對氫敏感性較高的材料，預熱還可以促進氫的逸出。在堆焊過程中，氫會溶解在焊縫金屬中，當氫含量過高且無法及時逸出時，在應力的作用下，容易產(chǎn)生氫致裂紋。預熱提高了焊件的溫度，使氫的擴散速度加快，更容易從焊縫金屬中逸出，從而降低了氫致裂紋的產(chǎn)生幾率。在減少零件變形方面，預熱同樣發(fā)揮著關鍵作用。堆焊過程中的不均勻加熱和冷卻會導致零件產(chǎn)生變形。當焊接熱源作用于零件表面時，堆焊區(qū)域迅速升溫膨脹，而周圍未受熱區(qū)域則保持相對較低的溫度，這種不均勻的熱膨脹會產(chǎn)生內(nèi)應力。隨著焊接過程的進行和隨后的冷卻，內(nèi)應力進一步變化，最終導致零件發(fā)生變形。預熱能夠使零件整體溫度升高，減小堆焊區(qū)域與周圍區(qū)域的溫度差。這樣在堆焊過程中，熱膨脹更加均勻，內(nèi)應力也相應減小。當堆焊大型12Cr2Mo1V鋼構件時，通過預熱可以使整個構件的溫度分布更加均勻，避免因局部過熱和快速冷卻而產(chǎn)生的變形。預熱還可以使材料的屈服強度降低。在較高的溫度下，材料更容易發(fā)生塑性變形，當受到熱應力作用時，材料能夠通過塑性變形來緩解應力，而不是通過彈性變形產(chǎn)生較大的應力，從而減少了零件因應力集中而產(chǎn)生的變形。綜上所述，預熱在堆焊中具有防止堆焊層和熱影響區(qū)裂紋以及減少零件變形的重要作用。在實際堆焊生產(chǎn)中，合理選擇和控制預熱溫度，對于提高堆焊質(zhì)量、保證堆焊構件的性能和使用壽命具有重要意義。三、實驗方案設計3.1實驗材料準備本研究選用12Cr2Mo1V鋼作為基體材料，其在工業(yè)領域的廣泛應用源于其優(yōu)異的綜合性能。為了滿足實驗對材料尺寸和形狀的要求，選取的12Cr2Mo1V鋼為矩形板狀，尺寸為150mm×100mm×10mm。這樣的尺寸既能保證在堆焊過程中材料的穩(wěn)定性，又便于后續(xù)對堆焊試樣進行各種測試和分析。12Cr2Mo1V鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為：碳（C）0.09-0.16，硅（Si）0.20-0.40，錳（Mn）0.30-0.60，鉻（Cr）2.00-2.30，鉬（Mo）0.90-1.10，釩（V）0.15-0.25。這些合金元素的協(xié)同作用賦予了12Cr2Mo1V鋼良好的高溫強度、耐磨性和耐腐蝕性。碳元素在鋼中主要起強化作用，適量的碳含量可以提高鋼的強度和硬度，但過高的碳含量會降低鋼的韌性。硅元素能脫氧和強化鐵素體，提高鋼的強度和硬度。錳元素增強了鋼的強度和韌性，同時改善了鋼的熱加工性能。鉻元素是提高鋼抗氧化性和耐腐蝕性的關鍵元素，還能提高鋼的淬透性。鉬元素顯著提高了鋼的高溫強度和蠕變性能，增強了鋼的抗氫腐蝕能力。釩元素細化了鋼的晶粒，提高了鋼的強度、硬度和耐磨性。12Cr2Mo1V鋼的力學性能指標如下：抗拉強度通常在590-760MPa之間，部分資料顯示在特定條件下抗拉強度可達1080MPa以上，這表明該鋼種能夠承受較大的拉伸載荷，在承受外力作用時不易發(fā)生斷裂。屈服強度在≥420MPa以上，某些情況下可達930MPa以上，較高的屈服強度保證了鋼在受力時能夠保持穩(wěn)定的形狀和尺寸，只有在超過屈服強度后才會發(fā)生明顯的塑性變形。斷裂伸長率一般在12%以上，部分資料表明斷后伸長率或延伸率δ(%)≥17，良好的塑性使得12Cr2Mo1V鋼在加工過程中能夠進行各種塑性變形加工，如鍛造、沖壓等；在實際使用中，也能通過塑性變形來吸收能量，提高其抗沖擊和抗疲勞能力。沖擊韌性一般在47J/cm2以上，部分顯示沖擊吸收能量KV2(J)≥60，較高的沖擊韌性使鋼在受到?jīng)_擊載荷時，能夠有效地吸收能量，避免發(fā)生脆性斷裂，確保了其在一些可能受到?jīng)_擊的工作環(huán)境中的安全性。硬度范圍在190-250HB之間，部分資料顯示硬度在269HB以下，這種適中的硬度使得12Cr2Mo1V鋼既具有一定的抗磨損能力，又不至于過于堅硬而難以加工。在堆焊材料的選擇上，選用E309L-16焊條。E309L-16焊條屬于奧氏體不銹鋼焊條，其主要合金元素為鉻（Cr）和鎳（Ni），具有良好的耐腐蝕性和抗氧化性。其化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）大致為：碳（C）≤0.03，鉻（Cr）22.0-25.0，鎳（Ni）12.0-14.0，錳（Mn）0.5-2.5，硅（Si）≤1.00，磷（P）≤0.045，硫（S）≤0.030。較低的碳含量有效降低了焊縫金屬的晶間腐蝕傾向，在堆焊過程中，能夠減少因碳化物析出而導致的晶間腐蝕問題，提高堆焊層的耐腐蝕性能。較高的鉻和鎳含量賦予了焊條良好的耐腐蝕性和抗氧化性，鉻在堆焊層表面形成一層致密的氧化膜，阻止氧氣和其他腐蝕性介質(zhì)與堆焊層基體的接觸，從而提高堆焊層的抗氧化和耐腐蝕能力；鎳則有助于穩(wěn)定奧氏體組織，提高堆焊層的韌性和抗裂性。E309L-16焊條的熔敷金屬具有良好的力學性能，抗拉強度≥520MPa，伸長率≥35%，這使得堆焊層在保證耐腐蝕性的同時，還具有一定的強度和塑性，能夠滿足實際工況的需求。E309L-16焊條適用于12Cr2Mo1V鋼的堆焊，主要原因在于其合金成分能夠與12Cr2Mo1V鋼形成良好的冶金結(jié)合。在堆焊過程中，焊條中的合金元素與基體材料中的合金元素相互擴散和融合，形成一個結(jié)合緊密的整體。其良好的耐腐蝕性和抗氧化性能夠有效提升12Cr2Mo1V鋼基體表面的性能，使其在惡劣的工作環(huán)境中能夠抵御腐蝕和氧化的侵蝕，延長使用壽命。例如，在一些化工設備中，12Cr2Mo1V鋼基體表面堆焊E309L-16焊條形成的堆焊層后，能夠有效抵抗化工介質(zhì)的腐蝕，保障設備的正常運行。在實驗前，對12Cr2Mo1V鋼基體和E309L-16焊條進行了嚴格的預處理。對于12Cr2Mo1V鋼基體，使用砂紙對其表面進行打磨，去除表面的氧化皮、油污和雜質(zhì)等，以保證堆焊過程中基體與堆焊層之間的良好結(jié)合。在打磨過程中，按照從粗砂紙到細砂紙的順序進行打磨，確保表面粗糙度均勻，達到實驗要求。打磨后，用丙酮對基體表面進行清洗，進一步去除殘留的油污和雜質(zhì)，清洗后將基體放置在干燥通風處晾干備用。對于E309L-16焊條，在使用前按照焊條的使用說明進行烘干處理，一般烘干溫度為150-200℃，烘干時間為1-2小時。烘干的目的是去除焊條藥皮中的水分，防止在堆焊過程中因水分蒸發(fā)而產(chǎn)生氣孔等缺陷。烘干后的焊條放置在保溫筒中，隨用隨取，避免再次受潮。通過對實驗材料的精心準備和預處理，為后續(xù)的堆焊實驗提供了良好的基礎，確保了實驗結(jié)果的準確性和可靠性。3.2實驗設備與儀器本實驗選用的加熱設備為箱式電阻爐，型號為SX2-4-10。該箱式電阻爐的最高工作溫度可達1000℃，具有良好的溫度均勻性和穩(wěn)定性，能夠滿足12Cr2Mo1V鋼基體預熱的溫度要求。其內(nèi)部采用優(yōu)質(zhì)的保溫材料，有效減少了熱量的散失，提高了能源利用效率。在預熱過程中，通過控制箱式電阻爐的加熱功率和時間，可精確調(diào)節(jié)預熱溫度，確保實驗的準確性和可重復性。箱式電阻爐配備了智能溫控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r顯示和控制爐內(nèi)溫度，操作人員可以根據(jù)實驗需求，設定預熱溫度和升溫速率，溫控系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)加熱功率，使爐內(nèi)溫度穩(wěn)定在設定值附近。堆焊設備采用ZX7-400S型逆變直流手工弧焊機。該焊機具有焊接電流穩(wěn)定、調(diào)節(jié)范圍寬、引弧容易、飛濺小等優(yōu)點，能夠為手工電弧堆焊提供穩(wěn)定的電源輸出。其焊接電流調(diào)節(jié)范圍為5-400A，可以根據(jù)不同的堆焊工藝要求，靈活調(diào)整焊接電流大小。在本實驗中，通過調(diào)整焊機的焊接電流，能夠控制堆焊過程中的熱輸入，從而影響堆焊層的質(zhì)量和性能。ZX7-400S型逆變直流手工弧焊機還具有良好的抗干擾能力和可靠性，在實驗過程中能夠穩(wěn)定運行，減少了因設備故障而導致的實驗誤差。為了測量堆焊過程中的溫度，使用了K型熱電偶和無紙記錄儀。K型熱電偶是一種常用的溫度傳感器，具有測量精度高、響應速度快、穩(wěn)定性好等特點，其測量溫度范圍為-200-1300℃，能夠滿足堆焊過程中高溫測量的需求。在堆焊實驗中，將K型熱電偶的測量端緊密接觸在12Cr2Mo1V鋼基體表面，實時測量堆焊過程中的溫度變化。無紙記錄儀則用于記錄K型熱電偶測量的溫度數(shù)據(jù)，它具有數(shù)據(jù)存儲、顯示和分析等功能。無紙記錄儀可以實時顯示溫度曲線，操作人員可以直觀地了解堆焊過程中的溫度變化情況。同時，無紙記錄儀還能夠?qū)囟葦?shù)據(jù)存儲在內(nèi)部存儲器中，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。通過對溫度數(shù)據(jù)的分析，可以研究不同預熱溫度下堆焊過程中的熱循環(huán)曲線，為堆焊熱過程的研究提供實驗依據(jù)。在微觀組織觀察方面，使用了光學顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（SEM）。光學顯微鏡型號為BX51，它具有高分辨率和高對比度，能夠清晰地觀察到堆焊層、熱影響區(qū)和基體的微觀組織形貌。在觀察前，需要對試樣進行切割、打磨、拋光和腐蝕等預處理，使試樣表面呈現(xiàn)出清晰的組織特征。通過光學顯微鏡，可以觀察到不同預熱溫度下堆焊層和熱影響區(qū)的晶粒大小、形態(tài)和分布情況，分析組織演變規(guī)律。掃描電子顯微鏡型號為SU8010，它具有更高的分辨率和放大倍數(shù)，能夠觀察到微觀組織的細節(jié)特征。掃描電子顯微鏡可以對試樣進行表面形貌觀察、成分分析和晶體結(jié)構分析等。在本實驗中，利用掃描電子顯微鏡觀察堆焊層和熱影響區(qū)的微觀組織，分析組織中的相組成和析出物的形態(tài)、大小和分布情況，進一步深入研究預熱溫度對微觀組織的影響機制。硬度測試采用HBRV-187.5型布洛維硬度計，該硬度計可以測量布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和維氏硬度（HV）。在本實驗中，主要使用維氏硬度測試方法，對堆焊層和熱影響區(qū)的硬度進行測量。維氏硬度測試具有測量精度高、壓痕小、對試樣損傷小等優(yōu)點，能夠準確反映材料的硬度變化。在測試過程中，根據(jù)試樣的厚度和硬度范圍，選擇合適的試驗力和加載時間，確保測試結(jié)果的準確性。通過測量不同預熱溫度下堆焊層和熱影響區(qū)的硬度，研究預熱溫度對硬度的影響。拉伸試驗使用WDW-100型電子萬能試驗機，該試驗機的最大試驗力為100kN，具有加載速度精確控制、數(shù)據(jù)采集準確等特點。在拉伸試驗中，按照相關標準制備拉伸試樣，將試樣安裝在電子萬能試驗機上，以一定的加載速度進行拉伸，直至試樣斷裂。試驗機可以實時采集拉伸過程中的載荷和位移數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理軟件計算出堆焊層和熱影響區(qū)的抗拉強度、屈服強度和延伸率等力學性能指標。通過拉伸試驗，研究不同預熱溫度下堆焊層和熱影響區(qū)的強度和塑性變化。沖擊韌性試驗采用JB-300B型沖擊試驗機，該試驗機主要用于測量材料的沖擊韌性。按照標準制備沖擊試樣，將試樣放置在沖擊試驗機的支座上，利用擺錘的沖擊能量使試樣斷裂。沖擊試驗機可以測量試樣斷裂時所吸收的沖擊功，從而得到材料的沖擊韌性值。在本實驗中，通過對不同預熱溫度下堆焊層和熱影響區(qū)的沖擊韌性進行測試，研究預熱溫度對沖擊韌性的影響。電化學腐蝕試驗使用CHI660E型電化學工作站，該工作站可以進行多種電化學測試，如開路電位-時間曲線、極化曲線、交流阻抗譜等。在電化學腐蝕試驗中，將堆焊試樣作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片作為輔助電極，組成三電極體系。將三電極體系放入腐蝕介質(zhì)中，通過電化學工作站測量堆焊試樣在不同條件下的電化學參數(shù)，如腐蝕電位、腐蝕電流密度等。通過分析這些參數(shù)，評估不同預熱溫度下堆焊層的耐腐蝕性能。高溫氧化試驗使用的設備為高溫管式爐和電子天平。高溫管式爐用于提供高溫氧化環(huán)境，其最高工作溫度可達1200℃。將堆焊試樣放入高溫管式爐中，在一定的溫度和氣氛條件下進行氧化試驗。定期取出試樣，使用電子天平測量試樣的質(zhì)量變化，通過質(zhì)量變化來評估堆焊層的高溫氧化性能。根據(jù)質(zhì)量變化曲線，可以分析不同預熱溫度下堆焊層的氧化速率和氧化膜的生長情況，研究預熱溫度對堆焊層耐高溫氧化性能的影響機制。3.3實驗步驟與參數(shù)設置在進行堆焊實驗前，首先利用箱式電阻爐對12Cr2Mo1V鋼基體進行預熱處理。根據(jù)實驗設計，設定了5個不同的預熱溫度梯度，分別為150℃、200℃、250℃、300℃和350℃。將12Cr2Mo1V鋼基體放入箱式電阻爐中，以10℃/min的升溫速率加熱至設定的預熱溫度，達到預熱溫度后，保溫30min，以確保基體溫度均勻分布。保溫結(jié)束后，迅速將基體取出并放置在工作臺上，準備進行堆焊操作。堆焊過程采用ZX7-400S型逆變直流手工弧焊機進行手工電弧堆焊。在堆焊前，再次檢查E309L-16焊條的烘干情況，確保焊條藥皮中的水分充分去除。將烘干后的焊條安裝在焊鉗上，調(diào)整好焊接電流、電壓和焊接速度等工藝參數(shù)。根據(jù)前期的預實驗和相關經(jīng)驗，確定本次堆焊的焊接電流為120-140A，焊接電壓為22-24V，焊接速度為8-10cm/min。這些參數(shù)在保證堆焊層質(zhì)量的同時，也能使堆焊過程穩(wěn)定進行。在堆焊操作時，焊工需保持穩(wěn)定的操作手法，使焊條與基體表面保持合適的角度和距離。焊條與基體表面的夾角控制在70°-80°之間，以保證電弧的穩(wěn)定和熔池的均勻。堆焊過程中，要注意觀察熔池的形狀和大小，及時調(diào)整焊接參數(shù)，確保堆焊層的質(zhì)量。若發(fā)現(xiàn)熔池過大或過小，可適當調(diào)整焊接電流或焊接速度。當熔池過大時，說明焊接電流過大或焊接速度過慢，此時應適當降低焊接電流或提高焊接速度；反之，當熔池過小時，應適當增大焊接電流或降低焊接速度。在堆焊過程中，還需注意控制層間溫度，使層間溫度保持在200-250℃之間。通過控制層間溫度，可以避免堆焊層因溫度過高或過低而產(chǎn)生缺陷，保證堆焊層的性能。若層間溫度過高，會導致堆焊層晶粒粗大，降低堆焊層的力學性能；若層間溫度過低，會增加堆焊層的應力，容易產(chǎn)生裂紋。為了控制層間溫度，可采用間斷焊接的方式，在堆焊一層后，等待一段時間，使堆焊層溫度降低到合適的范圍后，再進行下一層堆焊。在堆焊過程中，還可以使用紅外測溫儀實時監(jiān)測堆焊層的溫度，以便及時調(diào)整焊接參數(shù)。每個預熱溫度條件下，制作3個堆焊試樣，以提高實驗結(jié)果的可靠性和重復性。對每個堆焊試樣，采用K型熱電偶和無紙記錄儀測量堆焊過程中的溫度變化。將K型熱電偶的測量端緊密固定在12Cr2Mo1V鋼基體表面，距離堆焊起始位置10mm處，以準確測量堆焊過程中基體表面的溫度。無紙記錄儀設置為每秒記錄一次溫度數(shù)據(jù)，以便獲取完整的熱循環(huán)曲線。在堆焊完成后，對堆焊試樣進行編號標記，記錄每個試樣對應的預熱溫度和堆焊工藝參數(shù)。將堆焊試樣放置在空氣中自然冷卻至室溫，然后進行后續(xù)的微觀組織觀察、力學性能測試和耐腐蝕性能測試等分析。在冷卻過程中，要注意避免試樣受到外力沖擊或碰撞，以免影響試樣的性能。四、不同預熱溫度下堆焊熱過程分析4.1溫度場分布特征為深入探究不同預熱溫度下堆焊過程中溫度場的分布和變化規(guī)律，本研究綜合運用數(shù)值模擬與實驗測量兩種手段。數(shù)值模擬方面，借助專業(yè)的有限元分析軟件ANSYS，依據(jù)12Cr2Mo1V鋼的實際熱物理性能參數(shù)、既定的堆焊工藝參數(shù)以及預熱溫度條件，精心構建堆焊熱過程的數(shù)值模型。在模型中，精準定義材料的熱導率、比熱容、密度等隨溫度變化的熱物理參數(shù)，以確保模擬結(jié)果的準確性。采用移動熱源模型來模擬堆焊過程中電弧熱源的移動，考慮到堆焊過程中熱量的傳遞方式，包括熱傳導、對流和輻射，通過設置相應的邊界條件來準確描述這些傳熱過程。對流換熱系數(shù)根據(jù)實際情況進行合理設定，以反映堆焊過程中與周圍環(huán)境的熱交換；輻射率則根據(jù)材料的表面特性進行取值，以考慮輻射傳熱的影響。通過這些細致的設置，實現(xiàn)對堆焊溫度場的動態(tài)模擬。實驗測量時，嚴格按照實驗方案準備12Cr2Mo1V鋼基體和E309L-16焊條，并使用箱式電阻爐將基體預熱至設定溫度。在堆焊過程中，利用K型熱電偶緊密接觸基體表面，實時測量堆焊過程中的溫度變化，并通過無紙記錄儀準確記錄溫度數(shù)據(jù)。在150℃預熱溫度下，模擬結(jié)果顯示，堆焊開始后，熱源作用區(qū)域的溫度迅速上升，在短時間內(nèi)達到較高溫度。隨著熱源的移動，高溫區(qū)域逐漸向周圍擴展，但由于預熱溫度相對較低，熱量擴散速度較慢，溫度梯度較大。在距離堆焊起始位置較近的區(qū)域，溫度峰值較高，而遠離起始位置的區(qū)域，溫度逐漸降低。在堆焊層與基體的交界處，溫度梯度尤為明顯，這是因為堆焊層在快速加熱和冷卻過程中，與相對溫度較低的基體之間存在較大的溫差。從實驗測量結(jié)果來看，通過K型熱電偶和無紙記錄儀得到的溫度數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果具有相似的趨勢。在堆焊起始階段，溫度迅速上升，隨后隨著熱源的移動，溫度逐漸下降。但實驗測量結(jié)果在溫度峰值和溫度變化的具體數(shù)值上與模擬結(jié)果存在一定差異，這可能是由于實驗過程中存在一些難以精確控制的因素，如熱電偶與基體的接觸電阻、環(huán)境溫度的波動等。當預熱溫度升高到250℃時，模擬結(jié)果表明，堆焊區(qū)域的溫度分布更加均勻。由于預熱溫度的提高，基體整體溫度升高，堆焊過程中熱量擴散更加容易，溫度梯度減小。在堆焊層與基體的交界處，溫度變化相對平緩，這有利于減小熱應力，提高堆焊層與基體的結(jié)合質(zhì)量。實驗測量結(jié)果同樣驗證了這一趨勢，與150℃預熱溫度相比，250℃預熱時堆焊區(qū)域的溫度變化更加平穩(wěn)，溫度峰值相對較低，且溫度梯度明顯減小。對于350℃的預熱溫度，模擬顯示堆焊區(qū)域的溫度分布進一步均勻化。較高的預熱溫度使得基體在堆焊前就具有較高的溫度，堆焊過程中熱量更容易在基體中擴散，溫度梯度進一步減小。在整個堆焊區(qū)域，溫度變化較為平緩，這對于防止堆焊層和熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋等缺陷非常有利。實驗測量結(jié)果也與模擬結(jié)果相符，在350℃預熱條件下，堆焊區(qū)域的溫度變化曲線更加平滑，溫度峰值進一步降低，溫度梯度達到最小。通過對不同預熱溫度下堆焊過程中溫度場分布和變化規(guī)律的模擬與實驗分析，可以清晰地看出，預熱溫度對堆焊溫度場有著顯著的影響。隨著預熱溫度的升高，堆焊區(qū)域的溫度分布更加均勻，溫度梯度逐漸減小。這不僅有助于減小堆焊過程中的熱應力，降低裂紋等缺陷產(chǎn)生的風險，還能改善堆焊層與基體的結(jié)合質(zhì)量，為后續(xù)堆焊層組織性能的優(yōu)化奠定良好的基礎。在實際堆焊生產(chǎn)中，應根據(jù)具體的工藝要求和材料特性，合理選擇預熱溫度，以獲得理想的堆焊質(zhì)量。4.2熱循環(huán)曲線對比在堆焊過程中，熱循環(huán)曲線能夠直觀地反映焊件上某點在焊接熱源作用下，溫度隨時間的變化情況，對于研究堆焊熱過程及組織性能具有重要意義。通過K型熱電偶和無紙記錄儀，準確測量了不同預熱溫度下12Cr2Mo1V鋼基體堆焊過程中的熱循環(huán)曲線，為深入分析預熱溫度對堆焊熱過程的影響提供了關鍵數(shù)據(jù)。圖1展示了不同預熱溫度下12Cr2Mo1V鋼基體堆焊過程中的熱循環(huán)曲線。從圖中可以清晰地看出，不同預熱溫度下的熱循環(huán)曲線呈現(xiàn)出明顯的差異。在150℃預熱溫度下，堆焊開始后，溫度迅速上升，加熱速度較快，這是因為較低的預熱溫度使得基體初始溫度較低，在電弧熱源的作用下，溫度變化較為劇烈。達到峰值溫度后，冷卻速度也相對較快，這導致在冷卻過程中，組織轉(zhuǎn)變可能不夠充分，容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，增加裂紋產(chǎn)生的風險。隨著預熱溫度升高到200℃，熱循環(huán)曲線發(fā)生了顯著變化。加熱速度有所減緩，這是由于預熱溫度的提高，基體初始溫度升高，在相同的電弧熱源作用下，溫度上升的速率相對變緩。峰值溫度略有降低，這表明預熱溫度的升高使得堆焊過程中的熱量分布更加均勻，減少了局部過熱現(xiàn)象。冷卻速度也相應變慢，這有利于組織的均勻轉(zhuǎn)變，降低內(nèi)應力，提高堆焊層的質(zhì)量。當預熱溫度進一步提高到250℃時，加熱速度進一步降低，峰值溫度繼續(xù)下降，冷卻速度進一步減緩。這說明隨著預熱溫度的不斷升高，堆焊過程中的熱循環(huán)更加平穩(wěn)，熱量在基體中擴散更加充分，溫度梯度進一步減小。在這種情況下，堆焊層和熱影響區(qū)的組織更加均勻，性能也更加穩(wěn)定。在300℃預熱溫度下，熱循環(huán)曲線的變化趨勢與250℃時相似，但加熱速度、峰值溫度和冷卻速度的變化幅度相對較小。這表明在這個預熱溫度范圍內(nèi)，預熱溫度的進一步提高對熱循環(huán)曲線的影響逐漸減小，堆焊熱過程已經(jīng)相對穩(wěn)定。對于350℃的預熱溫度，加熱速度、峰值溫度和冷卻速度的變化趨勢與300℃時基本一致，但整體數(shù)值略有變化。此時，堆焊過程中的熱循環(huán)曲線已經(jīng)趨于平穩(wěn)，說明在這個預熱溫度下，堆焊熱過程達到了一個相對理想的狀態(tài)。通過對不同預熱溫度下熱循環(huán)曲線的加熱速度、峰值溫度和冷卻速度等參數(shù)的詳細對比分析，可以得出以下結(jié)論：預熱溫度對堆焊熱循環(huán)曲線的參數(shù)有著顯著的影響。隨著預熱溫度的升高，加熱速度逐漸降低，這是因為預熱使得基體初始溫度升高，在相同的熱源作用下，溫度上升的速率減緩；峰值溫度逐漸降低，表明預熱使熱量分布更加均勻，減少了局部過熱；冷卻速度逐漸減緩，有利于組織的均勻轉(zhuǎn)變，降低內(nèi)應力，提高堆焊層的質(zhì)量。在實際堆焊生產(chǎn)中，應根據(jù)具體的工藝要求和材料特性，合理選擇預熱溫度，以獲得理想的堆焊熱循環(huán)曲線，從而提高堆焊層的性能和質(zhì)量。4.3熱應力與變形分析在堆焊過程中，熱應力和變形是影響堆焊質(zhì)量和焊件性能的重要因素，而預熱溫度對其有著顯著的影響。當進行堆焊操作時，由于焊接熱源的快速加熱和隨后的快速冷卻，會在堆焊層和熱影響區(qū)產(chǎn)生復雜的熱應力和組織應力。在加熱階段，堆焊區(qū)域迅速升溫膨脹，而周圍未受熱區(qū)域則保持相對較低的溫度，這種不均勻的熱膨脹會產(chǎn)生內(nèi)應力。隨著焊接過程的進行和隨后的冷卻，內(nèi)應力進一步變化，最終導致熱應力的產(chǎn)生。從熱應力產(chǎn)生的機制來看，主要與溫度梯度和材料的熱膨脹系數(shù)密切相關。在堆焊過程中，溫度梯度是熱應力產(chǎn)生的關鍵因素之一。當預熱溫度較低時，堆焊層與基體之間的溫度梯度較大。例如在150℃預熱溫度下，堆焊層在電弧熱源的作用下迅速升溫，而基體溫度相對較低，這種大的溫度梯度會導致堆焊層和基體的熱膨脹不一致。堆焊層受熱膨脹時，會受到基體的約束，從而產(chǎn)生較大的熱應力。從材料的熱膨脹系數(shù)角度分析，12Cr2Mo1V鋼和堆焊材料E309L-16焊條的熱膨脹系數(shù)存在一定差異。在堆焊過程中，由于溫度的變化，這種熱膨脹系數(shù)的差異會導致堆焊層和基體之間產(chǎn)生附加應力。在冷卻階段，堆焊層和基體收縮不一致，也會產(chǎn)生熱應力。不同預熱溫度下的熱應力數(shù)值模擬結(jié)果清晰地展示了預熱溫度對熱應力的影響規(guī)律。當預熱溫度為150℃時，熱應力峰值較高，這是因為較低的預熱溫度使得堆焊過程中的溫度梯度較大，材料的熱膨脹和收縮不均勻性更為顯著，從而導致熱應力增大。隨著預熱溫度升高到250℃，熱應力峰值明顯降低。這是因為預熱溫度的提高，使得堆焊區(qū)域與基體之間的溫度梯度減小，材料的熱膨脹和收縮更加均勻，熱應力相應減小。當預熱溫度進一步升高到350℃時，熱應力峰值進一步降低，堆焊過程中的熱應力得到了更好的控制。堆焊過程中的變形主要包括縱向變形和橫向變形?？v向變形是指焊件沿焊接方向的長度變化，橫向變形則是指垂直于焊接方向的尺寸變化。在堆焊過程中，不均勻的加熱和冷卻會導致焊件產(chǎn)生變形。當預熱溫度較低時，堆焊區(qū)域與周圍區(qū)域的溫度差較大，熱膨脹和收縮不均勻，容易產(chǎn)生較大的變形。在150℃預熱溫度下，焊件的縱向和橫向變形都較為明顯。隨著預熱溫度的升高，堆焊區(qū)域與周圍區(qū)域的溫度差減小，熱膨脹和收縮更加均勻，變形也相應減小。在350℃預熱溫度下，焊件的變形得到了有效的控制，縱向和橫向變形都明顯減小。為了減小熱應力和變形，可以采取一系列有效的措施。合理選擇預熱溫度是關鍵。根據(jù)本研究的結(jié)果，適當提高預熱溫度可以顯著減小熱應力和變形。對于12Cr2Mo1V鋼基體堆焊，300-350℃的預熱溫度范圍能夠較好地控制熱應力和變形。采用合理的焊接順序也非常重要。在堆焊過程中，應遵循一定的焊接順序，使熱量均勻分布，減小溫度梯度。可以采用分段跳焊、對稱焊接等方法，避免熱量集中在某一區(qū)域，從而減小熱應力和變形。焊后熱處理也是減小熱應力和變形的有效手段。通過焊后熱處理，如去應力退火，可以消除堆焊過程中產(chǎn)生的殘余應力，使焊件的組織和性能更加穩(wěn)定，進一步減小變形。在實際堆焊生產(chǎn)中，應綜合考慮這些因素，采取合適的措施來減小熱應力和變形，提高堆焊質(zhì)量。五、不同預熱溫度對堆焊層組織的影響5.1微觀組織觀察與分析利用金相顯微鏡和掃描電鏡，對不同預熱溫度下12Cr2Mo1V基體堆焊層的微觀組織進行了細致觀察與深入分析，旨在探究預熱溫度對堆焊層微觀組織形態(tài)和分布的影響規(guī)律。在150℃預熱溫度下，金相顯微鏡觀察顯示堆焊層的微觀組織主要由粗大的柱狀晶組成。這些柱狀晶沿著散熱方向生長，呈現(xiàn)出明顯的方向性。柱狀晶的形成是由于在堆焊過程中，熔池快速冷卻，晶體在溫度梯度較大的情況下，沿著垂直于熔合線的方向優(yōu)先生長。掃描電鏡進一步觀察發(fā)現(xiàn)，柱狀晶內(nèi)部存在一些細小的析出相，這些析出相主要是碳化物和金屬間化合物。通過能譜分析確定，碳化物主要為Cr7C3和Mo2C，金屬間化合物主要為FeMo和FeCr。這些析出相的存在，對堆焊層的性能有著重要影響。Cr7C3和Mo2C等碳化物能夠提高堆焊層的硬度和耐磨性，它們彌散分布在基體中，阻礙位錯的運動，從而增強了堆焊層的抗磨損能力；FeMo和FeCr等金屬間化合物則對堆焊層的強度和韌性有一定的貢獻，它們的存在改變了基體的晶體結(jié)構和性能，提高了堆焊層的綜合力學性能。當預熱溫度升高到250℃時，金相顯微鏡下可以觀察到堆焊層的柱狀晶明顯細化。這是因為預熱溫度的提高，使熔池的冷卻速度減緩，溫度梯度減小，晶體的生長速度也相應降低，從而有利于形成細小的晶粒。掃描電鏡下可以看到，析出相的數(shù)量有所減少，且尺寸也有所減小。這是由于預熱溫度的升高，促進了合金元素的擴散和均勻化，減少了析出相的形核和長大。析出相的細化和數(shù)量減少，使得堆焊層的組織更加均勻，性能也得到了進一步提升。細小的析出相在基體中分布更加均勻，能夠更有效地阻礙位錯的運動，提高堆焊層的硬度和耐磨性；同時，組織的均勻性也有助于提高堆焊層的韌性和抗疲勞性能。在350℃預熱溫度下，金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)堆焊層的組織以等軸晶為主。這是因為較高的預熱溫度使得熔池的溫度分布更加均勻，溫度梯度進一步減小，晶體在各個方向上的生長速度較為接近，從而形成了等軸晶。掃描電鏡下幾乎觀察不到明顯的析出相，這表明在較高的預熱溫度下，合金元素充分擴散，均勻地分布在基體中，減少了析出相的形成。等軸晶組織具有良好的各向同性，使得堆焊層在各個方向上的性能更加均勻，有利于提高堆焊層的綜合性能。等軸晶組織能夠更好地承受外力的作用，提高堆焊層的強度和韌性；同時，由于沒有明顯的析出相，堆焊層的塑性和韌性也得到了進一步提高。不同預熱溫度下堆焊層的微觀組織形態(tài)和分布存在顯著差異。隨著預熱溫度的升高，堆焊層的組織從粗大的柱狀晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉闹鶢罹?，再到等軸晶，析出相的數(shù)量逐漸減少，尺寸逐漸減小。這些微觀組織的變化，對堆焊層的性能產(chǎn)生了重要影響，為深入理解預熱溫度對堆焊層組織性能的影響機制提供了重要的微觀依據(jù)。5.2相組成與晶體結(jié)構測定采用X射線衍射（XRD）技術對不同預熱溫度下12Cr2Mo1V基體堆焊層的相組成和晶體結(jié)構進行了深入分析。XRD技術基于X射線與晶體中原子的相互作用，當X射線照射到晶體上時，會與晶體內(nèi)部原子相互作用使原子內(nèi)層電子發(fā)生振動，產(chǎn)生散射波，由于晶體結(jié)構中原子排列的周期性，這些散射波會相互干涉，從而產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。在某些特定的方向上，散射波會相互加強，形成強的X射線衍射信號，通過對這些衍射信號的分析，可以獲得晶體內(nèi)部原子的分布信息，進而確定材料的相組成和晶體結(jié)構。圖2展示了不同預熱溫度下堆焊層的XRD圖譜。從圖中可以看出，在150℃預熱溫度下，堆焊層的相組成主要包括奧氏體（γ-Fe）、鐵素體（α-Fe）以及少量的碳化物（Cr7C3、Mo2C等）。奧氏體相在XRD圖譜中表現(xiàn)出明顯的衍射峰，其晶體結(jié)構為面心立方（FCC），具有良好的塑性和韌性。鐵素體相的衍射峰也清晰可見，其晶體結(jié)構為體心立方（BCC），強度和硬度相對較低，但具有較好的磁性和導熱性。Cr7C3和Mo2C等碳化物的衍射峰相對較弱，這是由于其含量較少且彌散分布在基體中。碳化物的存在能夠顯著提高堆焊層的硬度和耐磨性，它們彌散分布在基體中，阻礙位錯的運動，從而增強了堆焊層的抗磨損能力。當預熱溫度升高到250℃時，堆焊層的相組成發(fā)生了一定的變化。奧氏體相的衍射峰強度略有增加，這表明奧氏體相的含量有所增加。同時，鐵素體相的衍射峰強度相對降低，說明鐵素體相的含量有所減少。這是因為預熱溫度的升高，使堆焊層的冷卻速度減緩，有利于奧氏體相的形成和穩(wěn)定。在這個過程中，原子的擴散能力增強，合金元素的分布更加均勻，促進了奧氏體相的生長。碳化物的衍射峰強度變化不明顯，但從微觀組織觀察中可以發(fā)現(xiàn)，碳化物的尺寸有所減小，分布更加均勻。這是由于預熱溫度的升高，促進了合金元素的擴散和均勻化，減少了碳化物的形核和長大。在350℃預熱溫度下，堆焊層的相組成進一步優(yōu)化。奧氏體相的衍射峰強度繼續(xù)增加，成為堆焊層的主要相。此時，鐵素體相的衍射峰強度進一步降低，幾乎難以檢測到。這表明在較高的預熱溫度下，堆焊層的組織更加趨近于單一的奧氏體組織。由于較高的預熱溫度使得熔池的溫度分布更加均勻，原子的擴散更加充分，有利于奧氏體相的形成和生長，抑制了鐵素體相的產(chǎn)生。碳化物的衍射峰幾乎消失，這說明在這個預熱溫度下，碳化物充分溶解在奧氏體基體中，進一步提高了堆焊層的均勻性和性能。不同預熱溫度對12Cr2Mo1V基體堆焊層的相組成和晶體結(jié)構有著顯著的影響。隨著預熱溫度的升高，堆焊層中奧氏體相的含量逐漸增加，鐵素體相的含量逐漸減少，碳化物的尺寸減小且分布更加均勻，甚至在較高預熱溫度下充分溶解。這些相組成和晶體結(jié)構的變化，對堆焊層的性能產(chǎn)生了重要影響，為深入理解預熱溫度對堆焊層組織性能的影響機制提供了重要的相分析依據(jù)。5.3組織演變機制探討結(jié)合前文對堆焊熱過程的分析，預熱溫度對12Cr2Mo1V基體堆焊層組織演變的影響機制主要體現(xiàn)在以下幾個方面。從熱循環(huán)角度來看，預熱溫度顯著影響堆焊過程中的熱循環(huán)特征。在較低的預熱溫度下，如150℃時，堆焊層的加熱速度較快，峰值溫度較高，冷卻速度也較快?？焖俚募訜崾沟迷拥臄U散時間較短，在隨后快速冷卻過程中，原子來不及充分擴散和排列，導致晶體生長以柱狀晶為主，沿著散熱方向快速生長。由于冷卻速度快，過冷度大，形核率相對較低，晶粒容易長大，從而形成粗大的柱狀晶組織。這種熱循環(huán)條件下，合金元素的擴散不均勻，容易導致碳化物等析出相在晶界和晶內(nèi)不均勻分布，影響堆焊層的性能。隨著預熱溫度升高，熱循環(huán)曲線發(fā)生變化。當預熱溫度達到250℃時，加熱速度減緩，峰值溫度降低，冷卻速度也相應變慢。這使得原子有更充足的時間進行擴散和重新排列。在冷卻過程中，過冷度減小，形核率相對提高，晶體生長速度降低，有利于形成細小的柱狀晶。同時，合金元素的擴散更加均勻，減少了析出相的形核和長大，使得析出相的尺寸減小且分布更加均勻。在350℃較高預熱溫度下，熱循環(huán)進一步優(yōu)化，加熱速度、峰值溫度和冷卻速度都處于較為理想的狀態(tài)。此時，堆焊層的溫度分布更加均勻，原子擴散充分，在冷卻過程中，各個方向上的溫度梯度較小，晶體在各個方向上的生長速度相近，因此更容易形成等軸晶組織。由于原子擴散均勻，合金元素充分溶解在基體中，減少了析出相的形成，使得堆焊層的組織更加均勻，性能得到進一步提升。從熱應力角度分析，預熱溫度對熱應力的影響也間接作用于組織演變。在堆焊過程中，熱應力是由于溫度變化導致材料熱脹冷縮不均勻而產(chǎn)生的。當預熱溫度較低時，堆焊層與基體之間的溫度梯度較大，熱應力較大。這種較大的熱應力會影響晶體的生長方向和形態(tài)。在熱應力的作用下，晶體更容易沿著應力較小的方向生長，從而促進了柱狀晶的形成。熱應力還可能導致晶界處產(chǎn)生缺陷，影響析出相的分布和形態(tài)。隨著預熱溫度升高，堆焊層與基體之間的溫度梯度減小，熱應力降低。較低的熱應力使得晶體生長更加均勻，減少了因熱應力導致的晶體生長各向異性，有利于形成均勻的組織。在較低熱應力條件下，晶界處的缺陷減少，析出相的形核和生長更加均勻，從而改善了堆焊層的組織和性能。綜上所述，預熱溫度通過影響堆焊過程中的熱循環(huán)和熱應力，進而對堆焊層的組織演變產(chǎn)生重要影響。合適的預熱溫度能夠優(yōu)化熱循環(huán)和降低熱應力，促進均勻組織的形成，提高堆焊層的性能，為12Cr2Mo1V基體堆焊工藝的優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。六、不同預熱溫度對堆焊層性能的影響6.1硬度測試與分析為深入探究不同預熱溫度對12Cr2Mo1V基體堆焊層硬度的影響，采用HBRV-187.5型布洛維硬度計，按照相關標準對不同預熱溫度下的堆焊層進行了維氏硬度測試。在測試過程中，為確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，在每個堆焊層試樣上選取多個測試點，沿著垂直于堆焊層表面的方向，從堆焊層表面到基體內(nèi)部，每隔一定距離進行一次硬度測試，每個測試點之間的距離為0.5mm，每個預熱溫度條件下的3個堆焊試樣都進行相同的測試操作，最后對測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，取平均值作為該預熱溫度下堆焊層相應位置的硬度值。圖3展示了不同預熱溫度下堆焊層的硬度分布曲線。從圖中可以清晰地看出，不同預熱溫度下堆焊層的硬度呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。在150℃預熱溫度下，堆焊層的硬度相對較高，表面硬度可達HV350左右。這是因為在較低的預熱溫度下，堆焊層的冷卻速度較快，形成了較多的馬氏體組織。馬氏體是一種硬度較高的組織，其晶格結(jié)構為體心正方，碳原子在晶格中處于過飽和狀態(tài)，導致晶格嚴重畸變，從而使馬氏體具有較高的硬度和強度。堆焊層中的碳化物等硬質(zhì)相也對硬度的提高起到了重要作用。在快速冷卻過程中，合金元素來不及充分擴散，碳化物在晶界和晶內(nèi)析出，這些碳化物硬度高，彌散分布在基體中，阻礙了位錯的運動，進一步提高了堆焊層的硬度。隨著距離堆焊層表面距離的增加，硬度逐漸降低，這是因為靠近基體的區(qū)域，稀釋率逐漸增大，堆焊層的成分逐漸向基體成分靠近，馬氏體組織含量減少，硬度也隨之降低。當預熱溫度升高到250℃時，堆焊層的表面硬度略有降低，約為HV320。這是因為預熱溫度的升高，使堆焊層的冷卻速度減緩，馬氏體轉(zhuǎn)變量減少。在較慢的冷卻速度下，奧氏體有更多的時間進行擴散和轉(zhuǎn)變，部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體等相對較軟的組織，從而導致堆焊層的硬度降低。隨著預熱溫度的升高，合金元素的擴散更加充分，碳化物的析出更加均勻，尺寸也相對減小，這在一定程度上也影響了堆焊層的硬度。從硬度分布曲線來看，硬度梯度相對150℃預熱時有所減小，這表明預熱溫度的升高使得堆焊層的組織更加均勻，硬度分布也更加均勻。在350℃預熱溫度下，堆焊層的表面硬度進一步降低，約為HV300。此時，堆焊層的組織更加均勻，主要以奧氏體和少量的鐵素體、珠光體組成。較高的預熱溫度使得堆焊層在冷卻過程中，原子擴散充分，組織轉(zhuǎn)變更加均勻，馬氏體組織進一步減少，從而導致硬度降低。由于組織的均勻性提高，硬度分布曲線更加平緩，硬度梯度更小，這說明在350℃預熱溫度下，堆焊層從表面到基體內(nèi)部的硬度變化更加平穩(wěn)，有利于提高堆焊層的綜合性能。不同預熱溫度對12Cr2Mo1V基體堆焊層的硬度有著顯著的影響。隨著預熱溫度的升高，堆焊層的硬度逐漸降低，硬度分布更加均勻。在實際堆焊生產(chǎn)中，應根據(jù)具體的使用要求和工況條件，合理選擇預熱溫度，以獲得滿足性能要求的堆焊層硬度。6.2拉伸性能研究為了深入研究不同預熱溫度對12Cr2Mo1V基體堆焊層拉伸性能的影響，利用WDW-100型電子萬能試驗機，按照相關標準對不同預熱溫度下的堆焊層進行拉伸試驗。在試驗過程中，從每個預熱溫度條件下的3個堆焊試樣上，分別制取標準拉伸試樣。拉伸試樣的形狀和尺寸嚴格按照GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》進行加工，確保試樣的一致性和可比性。將拉伸試樣安裝在電子萬能試驗機上，以0.0025/s的應變速率進行拉伸加載，直至試樣斷裂。試驗機實時采集拉伸過程中的載荷和位移數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理軟件計算出堆焊層的抗拉強度、屈服強度和延伸率等力學性能指標。圖4展示了不同預熱溫度下堆焊層的拉伸性能數(shù)據(jù)。從圖中可以清晰地看出，不同預熱溫度下堆焊層的拉伸性能呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。在150℃預熱溫度下，堆焊層的抗拉強度和屈服強度相對較高，抗拉強度可達650MPa左右，屈服強度約為450MPa。這是因為在較低的預熱溫度下，堆焊層的冷卻速度較快，形成了較多的馬氏體組織和彌散分布的碳化物。馬氏體組織具有較高的硬度和強度，碳化物則進一步強化了堆焊層的基體，阻礙了位錯的運動，從而提高了堆焊層的抗拉強度和屈服強度。該溫度下堆焊層的延伸率相對較低，僅為10%左右。這是由于馬氏體組織的脆性較大，且碳化物的彌散分布也在一定程度上降低了堆焊層的塑性，使得堆焊層在拉伸過程中難以發(fā)生較大的塑性變形，容易發(fā)生斷裂。隨著預熱溫度升高到250℃，堆焊層的抗拉強度和屈服強度略有降低，抗拉強度約為620MPa，屈服強度降至420MPa左右。這是因為預熱溫度的升高，使堆焊層的冷卻速度減緩，馬氏體轉(zhuǎn)變量減少，部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體等相對較軟的組織，導致堆焊層的強度有所下降。此溫度下堆焊層的延伸率有所提高，達到了12%左右。這是因為組織的轉(zhuǎn)變使得堆焊層的塑性得到了一定的改善，鐵素體和珠光體組織具有較好的塑性和韌性，能夠在拉伸過程中發(fā)生一定程度的塑性變形，從而提高了堆焊層的延伸率。當預熱溫度進一步升高到350℃時，堆焊層的抗拉強度和屈服強度繼續(xù)降低，抗拉強度約為600MPa，屈服強度降至400MPa左右。此時，堆焊層的組織更加均勻，主要以奧氏體和少量的鐵素體、珠光體組成，馬氏體組織進一步減少，使得堆焊層的強度進一步降低。該溫度下堆焊層的延伸率顯著提高，達到了15%左右。這是因為均勻的組織和較少的馬氏體含量，使得堆焊層的塑性得到了大幅提升，在拉伸過程中能夠發(fā)生更大程度的塑性變形，從而提高了堆焊層的延伸率。不同預熱溫度對12Cr2Mo1V基體堆焊層的拉伸性能有著顯著的影響。隨著預熱溫度的升高，堆焊層的抗拉強度和屈服強度逐漸降低，而延伸率逐漸提高。在實際堆焊生產(chǎn)中，應根據(jù)具體的使用要求和工況條件，合理選擇預熱溫度，以獲得滿足性能要求的堆焊層拉伸性能。6.3耐磨性能評估通過銷盤式磨損試驗，對不同預熱溫度下12Cr2Mo1V基體堆焊層的耐磨性能進行了系統(tǒng)評估。在試驗過程中，嚴格按照GB/T12444-2006《金屬材料磨損試驗方法試環(huán)-試塊滑動磨損試驗》標準進行操作。將堆焊試樣加工成尺寸為直徑20mm、厚度10mm的圓片作為試塊，選用直徑為40mm、硬度為HRC60的GCr15鋼銷作為對磨件。試驗在室溫下進行，加載載荷設定為50N，磨損時間為60min，旋轉(zhuǎn)速度為200r/min。圖5展示了不同預熱溫度下堆焊層的磨損量。從圖中可以清晰地看出，不同預熱溫度下堆焊層的磨損量呈現(xiàn)出明顯的差異。在150℃預熱溫度下，堆焊層的磨損量相對較大，達到了0.08g左右。這是因為在較低的預熱溫度下，堆焊層的組織較為粗大，存在較多的缺陷和應力集中點。粗大的柱狀晶組織使得堆焊層的晶界較多，在磨損過程中，晶界容易成為磨損的薄弱環(huán)節(jié)，導致材料的磨損加劇。堆焊層中的碳化物等硬質(zhì)相分布不均勻，部分區(qū)域硬質(zhì)相含量較高，而部分區(qū)域含量較低，這也使得堆焊層的耐磨性不一致，容易在磨損過程中產(chǎn)生局部磨損。較低的預熱溫度使得堆焊層與基體之間的結(jié)合強度相對較低，在磨損過程中，堆焊層容易從基體上脫落，進一步增加了磨損量。隨著預熱溫度升高到250℃，堆焊層的磨損量明顯降低，約為0.05g。這是因為預熱溫度的升高，使堆焊層的組織得到細化，缺陷和應力集中點減少。細小的柱狀晶組織晶界相對較少，且分布更加均勻，提高了堆焊層的整體強度和耐磨性。預熱溫度的升高促進了合金元素的擴散和均勻化，碳化物等硬質(zhì)相的分布更加均勻，尺寸也相對減小，能夠更有效地抵抗磨損。較高的預熱溫度還提高了堆焊層與基體之間的結(jié)合強度，使得堆焊層在磨損過程中不易脫落，從而降低了磨損量。當預熱溫度進一步升高到350℃時，堆焊層的磨損量進一步降低，約為0.03g。此時，堆焊層的組織更加均勻，主要以等軸晶為主，等軸晶組織具有良好的各向同性，使得堆焊層在各個方向上的性能更加一致，能夠更好地抵抗磨損。由于合金元素的充分擴散和均勻分布，堆焊層中的硬質(zhì)相彌散分布在基體中，形成了均勻的強化相，進一步提高了堆焊層的耐磨性能。較高的預熱溫度使得堆焊層與基體之間的結(jié)合更加緊密，結(jié)合強度進一步提高，在磨損過程中，堆焊層能夠更好地與基體協(xié)同工作，減少了堆焊層的脫落和磨損。不同預熱溫度對12Cr2Mo1V基體堆焊層的耐磨性能有著顯著的影響。隨著預熱溫度的升高，堆焊層的磨損量逐漸降低，耐磨性能逐漸提高。在實際堆焊生產(chǎn)中，應根據(jù)具體的使用要求和工況條件，合理選擇預熱溫度，以獲得滿足耐磨性能要求的堆焊層。6.4耐蝕性能分析采用電化學腐蝕試驗和鹽霧腐蝕試驗，對不同預熱溫度下12Cr2Mo1V基體堆焊層的耐蝕性能進行了系統(tǒng)研究。在電化學腐蝕試驗中，使用CHI660E型電化學工作站，采用三電極體系，以堆焊試樣為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片作為輔助電極，將三電極體系放入3.5%的NaCl溶液中，通過測量開路電位-時間曲線、極化曲線和交流阻抗譜等電化學參數(shù)，評估堆焊層的耐腐蝕性能。在鹽霧腐蝕試驗中，按照GB/T10125-2021《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》標準，將堆焊試樣放置在鹽霧試驗箱中，試驗箱內(nèi)溫度控制在35℃，鹽霧沉降量為1~2mL/（80cm2?h），試驗周期為72h，試驗結(jié)束后，觀察試樣表面的腐蝕情況，并測量腐蝕失重。圖6展示了不同預熱溫度下堆焊層的極化曲線。從圖中可以看出，在150℃預熱溫度下，堆焊層的腐蝕電位較低，腐蝕電流密度較大，表明其耐腐蝕性能相對較差。這是因為在較低的預熱溫度下，堆焊層的組織不均勻，存在較多的缺陷和應力集中點，容易成為腐蝕的起始點。堆焊層中的碳化物等硬質(zhì)相分布不均勻，部分區(qū)域硬質(zhì)相含量較高，而部分區(qū)域含量較低，這也使得堆焊層的耐腐蝕性不一致，容易在腐蝕介質(zhì)中發(fā)生局部腐蝕。隨著預熱溫度升高到250℃，堆焊層的腐蝕電位有所提高，腐蝕電流密度明顯降低，耐腐蝕性能得到顯著改善。這是因為預熱溫度的升高，使堆焊層的組織得到細化，缺陷和應力集中點減少，提高了堆焊層的整體耐腐蝕性。預熱溫度的升高促進了合金元素的擴散和均勻化，使堆焊層中的合金元素分布更加均勻，提高了堆焊層的電極電位，從而增強了堆焊層的耐腐蝕性能。當預熱溫度進一步升高到350℃時，堆焊層的腐蝕電位進一步提高，腐蝕電流密度進一步降低，耐腐蝕性能最佳。此時，堆焊層的組織更加均勻，主要以等軸晶為主，等軸晶組織具有良好的各向同性，使得堆焊層在各個方向上的性能更加一致，能夠更好地抵抗腐蝕。由于合金元素的充分擴散和均勻分布，堆焊層中的合金元素能夠更好地發(fā)揮其耐腐蝕作用，進一步提高了堆焊層的耐蝕性能。鹽霧腐蝕試驗結(jié)果也與電化學腐蝕試驗結(jié)果相符。在150℃預熱溫度下，堆焊試樣表面出現(xiàn)了較多的腐蝕產(chǎn)物和腐蝕坑，腐蝕失重較大；隨著預熱溫度升高到250℃，試樣表面的腐蝕產(chǎn)物和腐蝕坑明顯減少，腐蝕失重降低；在350℃預熱溫度下，試樣表面幾乎沒有明顯的腐蝕產(chǎn)物和腐蝕坑，腐蝕失重最小。不同預熱溫度對12Cr2Mo1V基體堆焊層的耐蝕性能有著顯著的影響。隨著預熱溫度的升高，堆焊層的耐腐蝕性能逐漸提高。在實際堆焊生產(chǎn)中，為提高堆焊層的耐蝕性，應選擇合適的預熱溫度，同時可以考慮在堆焊材料中添加適量的耐腐蝕合金元素，如鉻、鎳、鉬等，以進一步提高堆焊層的耐蝕性能；在堆焊過程中，要嚴格控制焊接工藝參數(shù)，確保堆焊層的質(zhì)量和性能；在堆焊后，可以對堆焊層進行適當?shù)暮筇幚?，如鈍化處理等，以提高堆焊層的表面質(zhì)量和耐蝕性能。七、綜合分析與優(yōu)化建議7.1預熱溫度與組織性能的關聯(lián)綜合前文的研究結(jié)果，預熱溫度與12Cr2Mo1V基體堆焊層的組織和性能之間存在著緊密且復雜的關聯(lián)。從組織方面來看，預熱溫度對堆焊層的微觀組織形態(tài)和相組成有著顯著的影響。在較低的預熱溫度下，如150℃時，堆焊層的冷卻速度較快，形成了粗大的柱狀晶組織?？焖倮鋮s導致原子擴散不充分，合金元素分布不均勻，容易在晶界和晶內(nèi)析出較多的碳化物等硬質(zhì)相，同時馬氏體組織含量較高。隨著預熱溫度升高到250℃，冷卻速度減緩，柱狀晶逐漸細化，合金元素擴散更加均勻，碳化物的析出減少且尺寸減小，馬氏體轉(zhuǎn)變量也相應減少，部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體等相對較軟的組織。當預熱溫度進一步升高到350℃時，堆焊層的組織以等軸晶為主，原子擴散充分，合金元素均勻分布在基體中，碳化物幾乎完全溶解，馬氏體組織極少，主要為奧氏體和少量的鐵素體、珠光體組成。在性能方面，預熱溫度對堆焊層的硬度、拉伸性能、耐磨性能和耐蝕性能等均有重要影響。隨著預熱溫度的升高，堆焊層的硬度逐漸降低。在150℃預熱溫度下，由于馬氏體組織和較多的碳化物存在，堆焊層硬度較高；隨著預熱溫度升高，馬氏體轉(zhuǎn)變量減少，組織更加均勻，硬度逐漸下降。拉伸性能方面，抗拉強度和屈服強度隨著預熱溫度的升高而逐漸降低，而延伸率則逐漸提高。較低預熱溫度下，馬氏體組織和碳化物的強化作用使得抗拉強度和屈服強度較高，但塑性較差，延伸率較低；隨著預熱溫度升高，組織的塑性得到改善，延伸率提高，而強度則因馬氏體組織的減少而降低。耐磨性能上，預熱溫度升高，堆焊層的磨損量逐漸降低。較低預熱溫度下，粗大的柱狀晶組織和不均勻的硬質(zhì)相分布使得堆焊層耐磨性較差；隨著預熱溫度升高，組織細化，硬質(zhì)相分布均勻，堆焊層與基體結(jié)合強度提高，耐磨性能顯著提升。耐蝕性能同樣隨著預熱溫度的升高而增強。較低預熱溫度下，組織不均勻和合金元素分布不均使得堆焊層容易發(fā)生局部腐蝕；隨著預熱溫度升高，組織均勻化，合金元素充分擴散，提高了堆焊層的電極電位，增強了其耐腐蝕性能。預熱溫度與12Cr2Mo1V基體堆焊層的組織和性能之間存在著明確的定性關系。較低的預熱溫度會導致堆焊層組織粗大、合金元素分布不均，進而使堆焊層具有較高的硬度、強度，但塑性、耐磨性能和耐蝕性能相對較差；而較