摘要：随着绿色制造体系的推进，高速列车EA4T车轴表面损伤修复技术对保障运行安全及推动循环经济发展具有关键意义。文章采用填丝式TIG熔覆技术，以五元/六元缆式丝为熔覆材料，在EA4T钢基体表面制备四组熔覆层，通过优化工艺参数为电流115~125A、焊速60mm/min、送丝速度0.9mm/s，结合NURBS函数映射曲线理论实现复杂曲面的精准熔覆。研究表明，熔覆层与基体形成冶金结合，显微硬度显著提升，由基体288.33HV提升至380~700HV；耐磨性能明显改善，稳定磨损阶段平均摩擦系数从基体的0.52降至0.39~0.51。复杂曲面熔覆试验验证了工艺的工程适用性，为车轴再制造提供了高效解决方案，对传统工业升级及循环经济模式具有支撑作用。

　　关键词：TIG熔覆；EA4T钢；高熵合金熔覆层；摩擦磨损

　　近年来，随着高速动车组对关键零部件性能要求提升，高铁车轴作为核心承载部件，其表面完整性面临严峻挑战。车轴在加工、装配及服役过程中易产生表面缺陷，特别是过盈配合引发的微动磨损会造成氧化、塑性变形及微裂纹，进而降低过盈配合精度与退轮力，甚至致疲劳断裂，多数缺陷车轴直接报废［1］，这不仅造成资源浪费，也与绿色经济理念相悖。

　　在此背景下，TIG熔覆技术展现出巨大潜力，若能突破工艺瓶颈，可实现车轴高效再制造。高熵合金凭借其高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等综合性能优势［2-4］，在TIG熔覆领域应用前景广阔，其熔覆层与基体形成冶金结合，不仅力学性能优异，且具有显著的经济效益，为车轴再制造提供了创新解决方案［5］。文章拟以缆式焊丝TIG熔覆EA4T钢，探索车轴再制造，助力循环经济与工业升级。

　　1试验材料及研究方法

　　1.1试验流程

　　基于EA4T钢表面通过TIG数控自动技术熔覆高熵合金熔覆层的全套制备过程：首先对EA4T钢采用丙酮、酒精清洗获得基体，同时将纯金属丝材通过绞合机绞合制备熔覆材料；随后将二者通过TIG熔覆工艺结合，再经线切割加工制成测试试样；最后对试样开展物相组成分析（XRD）、微观形貌分析（SEM）、元素成分分析（EDS）、磨损实验（耐磨性能）及硬度测试（力学性能），完成材料性能的多维度表征。

　　1.2试验材料

　　1.2.1基体材料

　　基体材料选择EA4T钢，化学成分如表1所示。基材尺寸为直径30mm、厚度10mm的圆片，试验前用粒度为600#的砂纸打磨EA4T钢表面，目的是去掉基体材料表面的油污、氧化膜，然后用丙酮进行超声清洗后待用。

       倍。本试验绕制了4种缆式焊丝：FeCuNiMoTiC、FeCu NiMoTi、AlCuNiMoTi、AlCuFeNiTi。

　　1.3高熵合金熔覆层的制备

　　1.3.1试验平台

　　TIG熔覆数控平台，如图2所示，主要由焊机、焊枪夹具、自动送丝机、焊枪、保护气和三轴立式数控铣床（XK715D，FANUC0i-MB）等组成。试验过程中，焊枪随主轴箱移动，试验基体随着工作台移动。

　　（1）焊机：TIG熔覆焊接电源采用上海生造生产的超能数字精密补焊机，型号为SZ-GCS05，焊接时输出电流范围为1~200A，焊丝应用范围为0.1~2.4mm。

　　（2）自动送丝机：为提高送丝精度，采用了缆式焊丝可用的自动送丝机，该送丝机由数控控制箱和送丝机体两部分组成，数控控制箱可设置送丝速度、退丝速度、延迟送丝时间等参数，并采用导丝轮推式送丝方式送丝。

　　（3）焊枪：采用型号为QQ150的高端硅胶款气冷氩弧焊焊枪，枪头为硅胶万向头。

　　（4）数控操作平台：数控操作平台包括三轴立式数控铣床（XK715D，FANUC0i-MB），固定支架和焊枪夹具，数控铣床可实现X、Y、Z轴方向的移动。焊枪夹具，可实现焊枪的位置调节。数控铣床和焊枪夹具的配合使用可实现焊枪与基材在X、Y、Z三轴上的精确控制。

　　1.3.2熔覆层制备工艺

　　与传统手持TIG焊不同的是该系统采用数控G代码程序对熔覆线路和速度精确控制。因此，影响熔覆层质量的参数由焊接电源与数控铣床两部分组成，且这两部分参数均对熔覆层的质量有较大的影响。在现有条件下，尽可能对所有参数进行试验验证，焊接电源采用高速脉冲模式，对焊机的电流、放电间隔时间、焊接时间、送丝机的送丝速度、基体移动速度、焊枪钨针直径、氩气流速等、焊枪钨针与基体间距等参数进行调节，确定最优参数。文章所确定的不同成分配比的缆式焊丝所需的最佳实验参数如表2所示。按表2中的实验参数，在EA4T钢基体表面制备出了Fe-Cu-Ni-Mo-Ti-C、Fe-Cu-Ni-Mo-Ti、Al-Cu-Ni-Mo-Ti、Al-Cu-Fe-Ni-Ti高熵合金熔覆层。完成制备后，将试样进行清洗，分类保存，以便后期检测。

　　1.4表征与测试

　　1.4.1 X射线衍射分析

　　采用XRD-7000型X射线衍射仪对熔覆试样进行物相分析，测试参数设置为：采用CuKa(λ=0.154）靶，管电流和管电压分别为30mA和40kV，扫描速度为5deg/min，扫描步长为0.02deg，扫描范围为（2theta）20。~90。。测试前将试样依次经过200#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、1800#、2000#砂纸打磨后超声清洗并吹干试样，进行检测。测试数据用Jade软件分析。

　　1.4.2扫描电镜和能谱分析

　　本试验采用的是QuantaFEG450扫描电子显微镜，观察熔覆层的显微组织结构。放大倍数为2万~10万倍，高真空分辨率：1.0nm/30kV，3.0nm/1kV；低真空分辨率：1.4nm/30kV，3.0nm/30kV，加速电压：200V~30kV。

　　准备工作：将试样切割为10mm×10mm的方块，砂纸打磨，抛光，超声清洗，吹干后待测。

　　1.5性能检测

　　1.5.1熔覆层显微硬度测试

　　本试验采用HSV-1000维氏显微硬度仪对熔覆试样进行显微硬度测量，测试载荷为500g，保压时间为15s，测试顺序为从基体到熔覆层，选取试样12个不同位置进行测量。

　　1.5.2熔覆层摩擦磨损测试

　　用线切割将焊有高熵合金熔覆层的EA4T钢基体上切下18mrn×10mrn×5mrn的长方体试样，将试样熔覆层表面依次经过200#、400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、1800#、2000#水砂纸打磨，试样熔覆层背面打磨平整以便于摩擦磨损试验机的夹具水平压紧试样，然后将试样放入盛有丙酮的超声波清洗机中清洗并风干。实验在干燥条件下进行，实验设备为高温摩擦磨损试验机HT-1000，如图3所示。

　　2熔覆层显微硬度

　　利用维氏硬度计对Al-Cu-Fe-Ni-Ti、Al-Cu-Ni-Mo-Ti、Fe-Cu-Ni-Mo-Ti、Fe-Cu-Ni-Mo-Ti-C高熵合金熔覆层进行硬度测试，整体来看从基体材料到高熵合金熔覆层，显微硬度上升趋势较为明显：其中基体材料的硬度最低，平均硬度为288.33HV；熔覆层与基体的结合区（BZ）也就是热影响区）HAZ）硬度有所上升，硬度值基本处于290~360HV，变化幅度较为稳定；熔覆层（CZ）硬度显著增高，硬度值分布在380~700HV，但波动较大。

　　数据显示高熵合金熔覆层区的硬度均高于结合区和基体，熔覆层区硬度是基体的2~3倍，这是因为熔覆层在高熵效应作用下主要由大量的硬质BCC相构成，BCC固溶体相的存在是使熔覆层具有高硬度的根本。Fe-Cu-Ni-Mo-Ti-C和Fe-Cu-Ni-Mo-Ti高熵合金熔覆层相比较，前者硬度提升效果明显高于后者，这是因为随着C元素的加入，形成了大量TiC为基的BCC固溶体相，提高了熔覆层的硬度。

　　3摩擦磨损性能分析

　　基体EA4T钢、Al-Cu-Fe-Ni-Ti、Al-Cu-Ni-Mo-Ti、Fe-Cu-Ni-Mo-Ti、Fe-Cu-Ni-Mo-Ti-C高熵合金熔覆层在常温下的摩擦系数变化曲线图，如图4所示。在跑合磨损阶段，其中基体EA4T钢用了3min，而高熵合金熔覆层基本在5min以上，基体与4种成分高熵合金熔覆层平均摩擦系数由低到高依次为：Al-Cu-Ni-Mo-Ti（0.2）<Al-Cu-Fe-Ni-Ti（0.23）＜基体EA4T钢（0.29）＜Fe-Cu-Ni-Mo-Ti-C（0.3）＜Fe-Cu-Ni-Mo-Ti（0.32）。在稳定磨损阶段，该阶段磨损速率曲线相对平稳，摩擦系数变化幅度较小，由低到高依次为：Al-Cu-Fe-Ni-Ti（0.39）＜Fe-Cu-Ni-Mo-Ti-C（0.45）＜Al-Cu-Ni-Mo-Ti（0.46）＜Fe-Cu-Ni-Mo-Ti（0.51）＜基体EA4T钢（0.52）。

　　4结论

　　综上所述，文章通过试验获得了最佳TIG熔覆工艺参数，采用最佳工艺参数在EA4T钢基体表面制备了Fe-Cu-Ni-Mo-Ti-C、Fe-Cu-Ni-Mo-Ti、Al-Cu-Ni-Mo-Ti、Al-Cu-Fe-Ni-Ti四组高熵合金熔覆层。高熵合金熔覆层与基体相比硬度显著增加，其中基体材料平均硬度为288.33HV，熔覆层与基体的结合区硬度有所上升，硬度值处于290~360HV，变化幅度较为稳定，熔覆层区硬度显著增高，其中Al-Cu-Ni-Mo-Ti和Fe-Cu-Ni-Mo-Ti-C高熵合金熔覆层硬度达到了700HV和619HV。四组高熵合金熔覆层的耐磨性能较EA4T钢基体均有明显改善，在跑合磨损阶段各高熵合金熔覆层比基体能多维持2分钟以上，摩擦表面不易被破坏，具有更强的耐摩擦磨损性能；在稳定磨损阶段，各熔覆层的平均摩擦系数均低于基体EA4T钢的平均摩擦系数，耐磨性能更强。从宏观形貌来看，四种成分的高熵合金熔覆层与基体相比，表面犁沟和划痕现象相较基体都有一定程度改善，磨粒磨损特征明显减弱，熔覆层耐磨性与EA4T钢基体相比均有明显提高，其中耐磨性能最强的是Al-Cu-Fe-Ni-Ti熔覆层，其平均摩擦系数为0.39。

参考文献

　　［1］杜松林，汪开忠，胡芳忠.国内外高速列车车轴技术综述及展望［J］.中国材料进展，2019，38（7）：641-650.

　　［2］丁一，胡振峰，梁秀兵，等.高熵合金高温抗氧化性的研究进展［J］.表面技术，2021，50（1）：162-172.

　　［3］唐秋逸，纪秀林.高熵合金及其涂层的耐磨性研究进展［J］.热加工工艺，2021，50（16）：18-24.

　　［4］贾云柯，杜艳晶，孙翠娟.高熵合金的优良性能和应用研究［J］.世界有色金属，2018（21）：202+204.

　　［5］李安敏，史君佐，谢明款.高熵合金力学性能的研究进展［J］.材料导报，2018，32（3)：461-466+472.