脉冲电流辅助CMT焊接参数对异质结构复合材料的摩擦磨损性能及电化学腐蚀性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of pulsed current-assisted CMT welding parameters on friction and wear properties and electrochemical corrosion performance of heterogeneous structure composites

多层复合结构轴承的脉冲电流辅助冷金属转移焊接工艺优化及摩擦磨损腐蚀性能研究。

　　本文探讨了一种新的焊接工艺，用于制造用于极端工况下的滑动轴承的巴氏合金衬套。这种工艺结合了低热输入的冷金属转移（CMT）与脉冲电流，旨在改善传统工艺中常见的界面空洞和热应力裂纹问题，从而提升材料的性能表现。研究重点分析了脉冲辅助CMT焊接参数对巴氏合金的摩擦磨损特性及在模拟海洋环境下的局部腐蚀行为的影响。

巴氏合金因其良好的嵌入性、顺应性和抗粘着性能，被广泛应用于滑动轴承中。然而，在实际应用中，由于巴氏合金与铜合金之间存在显著的物理性能差异，其界面结合强度和抗裂性能常受到挑战。为解决这些问题，研究提出了一种三层复合结构，包括42CrMo4钢、CuAl10Fe1青铜和ZSnSb8Cu4巴氏合金。这种设计不仅优化了材料的性能，还提升了其在恶劣环境下的可靠性。

研究中使用的ZSnSb8Cu4巴氏合金焊接丝具有1.6毫米的直径，其名义成分为8-9%的Sb、4.0-4.5%的Cu，其余为Sn。通过调整脉冲电流参数，研究实现了对焊接过程中热输入的精准控制，从而优化了巴氏合金的微观结构。选择了5、10和13个脉冲作为关键参数，以系统地研究脉冲系列对材料性能的影响。实验结果显示，10个脉冲系列的样品表现出最低的摩擦系数（约0.27）和最低的磨损率（2.95×10^-6 mm³/(N·m))，而13个脉冲系列的样品则在腐蚀性能方面表现出色，显示出最高的电化学阻抗、最正的自腐蚀电位和最低的腐蚀率（1.96×10^-7 A·cm^-2）。

在实验方法上，采用了多种先进的表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、能量色散X射线光谱（EDS）和透射电子显微镜（TEM）等，以全面分析材料的微观结构、沉淀相分布和界面特性。SEM图像显示，随着脉冲系列的增加，SnSb和Cu6Sn5沉淀相的尺寸和分布发生显著变化，其中10个脉冲系列的样品在沉淀相分布方面最为均匀。同时，TEM分析揭示了Sn基体与沉淀相之间的晶格间距变化，以及界面处的晶格失配情况，进一步证明了10个脉冲系列样品在界面结合强度和抗裂性能方面的优势。

电化学测试结果显示，13个脉冲系列的样品在模拟海洋环境中表现出最佳的抗腐蚀性能。通过极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）分析，发现13个脉冲系列样品的腐蚀电流密度最低，表明其具有更稳定的保护性膜层。此外，13个脉冲系列样品的电化学阻抗谱显示了最大的电容弧直径，这与较高的电荷转移电阻（Rct）相关，进一步支持其优越的抗腐蚀能力。

在摩擦磨损测试中，10个脉冲系列样品在摩擦系数和磨损率方面均表现最佳。这归因于其沉淀相的均匀分布和细小尺寸，这些特性有效减少了塑性变形和磨损。SEM图像显示，磨损表面出现了明显的沟槽和磨损碎屑，这些现象表明了磨损机制的复杂性，包括犁沟效应、材料去除和固相润滑等。研究还指出，10个脉冲系列样品的磨损率最低，且其摩擦系数在长时间滑动后趋于稳定，这表明其具有良好的摩擦性能和耐磨性。

讨论部分进一步分析了脉冲电流对巴氏合金摩擦磨损性能的影响机制。研究发现，脉冲系列的增加显著改善了材料的微观结构，如沉淀相的细化和界面的均匀化，从而增强了其抗磨损能力。然而，过高的脉冲数可能导致沉淀相的粗化和材料的软化，进而影响其抗磨损性能。此外，研究还探讨了沉淀相在局部腐蚀环境中的行为，指出Cu6Sn5沉淀相在3.5 wt.% NaCl溶液中更容易发生腐蚀，而SnSb沉淀相则表现出更高的稳定性。

总体而言，研究通过优化脉冲电流参数，实现了对巴氏合金微观结构和性能的精确控制。10个脉冲系列的样品在摩擦和磨损性能方面表现最佳，而13个脉冲系列的样品在抗腐蚀性能方面更为突出。这种工艺不仅提升了材料的性能，还具有良好的工业可扩展性和经济性，为下一代海上风力涡轮机轴承提供了新的冶金策略和制造方法。未来的研究可以进一步探索该工艺在更复杂环境下的应用，以及如何在磨损和腐蚀性能之间实现更优的平衡。