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不锈钢表面激光熔覆层耐腐蚀研究 |
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作者：石世宏 傅戈雁 |
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摘要：研究了在耐酸不锈钢基体上采用激光熔覆和等离子喷焊两种工艺形成的涂层对耐腐蚀性的影响。使用5kW横流CO2激光器对预置于基体上的Co基自熔合金粉末进行单道或多道扫描。得到的熔层与等离子焊层对比，激光熔层缺陷率低，成品率高。其组织细密均匀，晶粒细小，成分稀释率更小，对基体热影响小，熔层硬度与强韧性更高。性能试验证明，激光熔层具有更高的耐腐蚀性能。
关键词：激光熔覆；等离子喷焊；耐腐蚀性能
1 前言
在石油化工、反应堆与核电站中大量使用各种耐酸不锈钢阀门。由于生产过程中的各种介质都具有较强的腐蚀性甚至放射性，腐蚀的结果不仅使阀门的密封面受到破坏，大大缩短阀门使用寿命，而且介质的渗漏可能造成停工停产，污染环境甚至造成恶性事故。密封面的质量是考核阀门基本性能的重要指标，不锈钢阀门的密封面要求则更高。高参数不锈钢阀门的密封面一般采用直接在阀体上堆焊的方式进行强化，而不能进行镶嵌式［1，3］结构。
大功率激光束与材料的特殊作用可使基体表面得到满足设计者要求的合金层，这种合金层的综合性能不但大大优于不锈钢基材，而且优于传统的等离子喷焊层及各种堆焊层的性能。我们对20HJ63-20P型不锈钢核阀与尿素生产线甲胺组合阀密封面进行了激光熔覆加工，并与传统的等离子喷焊进行了比较分析。
2试验条件
2．1试验材料与方法
试验所用阀门为20HJ63-20P截止阀，材料为1Cr18Ni9Ti钢；3W-2BJ1甲胺泵进排液阀，材料为Cr18Ni12Mo3Ti钢。试样为方块试样（19mm×15mm×10mm）与环形试样（38×28mm×10mm）两种。激光熔覆采用HGL-90型5kW横流CO2激光器，合金粉末采用2132酚醛树脂粉＋乙醇调和预涂敷在加工表面上并烘干，预敷层厚度为3mm左右。激光熔覆在数控二维联动加工台上进行，其中方块试样采用多道扫描，每道搭接量为激光光斑直径的50%。环形试样在数控回转工作台上进行单道扫描。熔覆工艺参数为：激光功率p＝3000～3400W，扫描速度v＝8～12mm／s，光斑尺寸≈5mm。光斑能量为高斯分布形式。
等离子喷焊采用国产DP-500型粉末等离子弧堆焊机，焊枪为LFH型，采用送粉法，堆焊层为3mm左右。
2．2检测
采用JSM35C和S650型SEM扫描电镜对试样的熔焊层作高倍组织形貌分析；用MEF3大型光学金相显微镜观察涂层组织及拍照；用国产71型显微硬度计测量涂层硬度；用EDX-9100能谱仪测定各微区成分；用D／max-2000A型X射线衍射仪测定涂层相结构。
3试验结果及分析
激光熔覆与等离子喷焊的组织区域可分为3部分，即熔焊区、热影响区与基体。图1a、b显示了两种工艺的组织区域情况和显微硬度测试的压痕情况，其中激光熔层组织细密均匀，晶粒度测定为11～12级，热影响区宽约10～40μm；等离子焊层组织略粗大，晶粒度为9～10级，热影响区宽约120～160μm。熔焊层的质量在已解剖的125个试样中，激光熔层无缺陷的成品率达95%以上。等离子喷焊层中较易出现裂纹、气孔、夹杂物等缺陷，如图1c、d所示。对激光熔覆和等离子喷焊两种工艺处理的试样，分别沿熔层纵向的上中下层和沿横向自边缘至中心逐点测试显微硬度，测试结果表明：激光熔层平均显微硬度值为581HV0.2，比同种粉末的喷焊层硬度高20%～40%，且纵向和横向的硬度均匀性都高于喷焊层。
图1激光熔履与等离子喷焊组织形貌
（a）激光熔层结合区附近×100（b）等离子焊层结合区附近×100
（c）等离子焊层上部气孔×250（d）等离子焊层枝晶间夹杂物×250
经EDX-9100能谱仪分析，激光熔层中Ti，Fe，Ni3种元素受基体稀释后分别平均达到（w%）0.075，8.58，1.385，而等离子焊层中以上3种元素受基体稀释后分别平均达到（w%）0.83，16.19，2.06，可见后者比前者3种元素的稀释率分别高10倍、2倍和1.5倍。而熔焊层中Co，Cr，W3种元素向热影响区和基体的扩散损失率，等离子焊层比激光熔覆层也严重得多。从以上测试结果可分析如下：
（1）激光熔层比等离子喷焊层的组织更细密、均匀，热影响区更窄。由于激光功率高，扫描作用时间短，涂层和基体表层加热后熔化速度快，急速冷却时过冷度大，熔池中的合金元素能迅速形成多种化合物而增加非自发晶核的数量，使形核率大为提高，形成细小均匀的显微组织。组织细密可提高晶界结合力，增强材料强度和韧性。组织细密不但减少了单位晶界上的杂质含量，而且在快速冷却过程中成分偏析程度减少，从而减少了因形成原电池效应而加速腐蚀的影响。
（2）铬能显著提高钢的抗腐蚀能力，但碳与铬的亲和作用很容易生成碳化铬。钢中含碳量愈高，熔层中含铬量就要降低，则熔层耐腐蚀性就会降低。但是，一般阀门密封面需要一定的硬度与强度，而含碳量愈多，熔层的强度与硬度就越高。所以，碳在粉末中的作用是矛盾的。采用激光熔覆阀门密封面与传统工艺相比，由于激光热源的特殊作用可使熔层具有更细密的组织，更高的强度与硬度。故在激光熔覆粉末中可适当降低粉末的含碳量，这样既可得到密封面所要求的硬度与强度，又可减少碳化铬的形成量，相对保证了铬的含量。
（3）激光束作用时产生的熔池中的对流传质作用［2］，能充分搅拌熔池，使熔池中气体夹杂物能上浮析出，形成较为致密的涂层，保证了熔层的质量。而等离子喷焊过程是利用等离子体使喷焊粉末熔化、加速，通过大气空间再喷射到基体材料表面。此过程伴随有空气混入焊层，因此在喷涂层上及界面部位往往存有较多的气孔与夹杂物分布在粗大的枝晶之间，如图1c、d所示。非金属夹杂物造成的电化学不均匀性，由于熔层被稀释等原因造成的化学成分不均匀性和金属组织的不均匀性都降低了熔层的耐腐蚀性能。
（4）熔层的内应力会降低耐蚀性，即“应力腐蚀”。不锈钢表面形成密封面时的热作用会不同程度地在熔层中留下残余应力，故一般都需要在加工后进行消除残余应力的处理。处理的温度高，保温时间长，效果会更好。但这样可能使熔层组织中的碳化铬析出，贫铬会造成晶间腐蚀，所以加工处理后一般只加热到300～500℃保温1～2h。对于含碳低或含钛、铌等元素的粉末，加热温度可适当提高。超低碳粉末使熔层不能析出碳化物，可从根本上消除发生晶间腐蚀的可能性，但碳含量过低会使熔层的硬度与强度大大降低，而且成本很高。较合适的方法是在粉末中加入能形成碳化物的元素，即加入钛、铌等，这些与碳亲和力很强的元素会在熔层中优先形成TiC、NbC等，故可消除晶界出现的贫铬现象，晶间腐蚀就不会发生。
4熔焊层耐腐蚀性
用线切割方法切取涂层和基体材料相同的激光熔覆和等离子喷焊试块各4块，分别在不同溶液中进行腐蚀试验。腐蚀溶液置于温度为60℃的水浴槽中保温，两种工艺试样在4种介质中分别经8h、24h、48h和72h腐蚀后，清洗试样，然后用精密分析天平称量其失重量。试验结果和分析数据如表1所示。由试验数据分析可得出结论：激光熔覆工艺试片在H2SO4、HNO3、NaOH和尿素等4种溶液介质中的腐蚀速度均低于等离子喷焊工艺试片，具有优良的综合抗腐蚀性能。在H2SO4、HNO3两种溶液中的对比尤为明显。表1 腐蚀试验结果
注：P——等离子喷焊 L——激光熔覆 5结论
（1）激光熔覆工艺和传统的等离子喷焊工艺相比较，涂层组织细化、致密，消除了孔隙和夹杂，实现了涂层与基体的冶金结合。熔层成分被稀释和扩散的几率降低，硬度和强韧性均有所提高，耐腐蚀性能增强。激光熔覆粉末中含碳量可适当降低，以提高耐磨蚀性。
（2）激光熔覆工艺试片在多种溶液介质中的腐蚀速度均低于等离子喷焊工艺试片，具有优良的综合抗腐蚀性能。在H2SO4、HNO3两种溶液中的对比尤为明显。经激光熔覆的不锈钢阀门在湖南洞庭氮肥厂实用直今，效果良好。
作者简介：石世宏：男，硕士，副教授，系副主任，主要从事教学与激光熔覆表面改性技术的研究，发表论文20余篇。
作者单位：中南工学院机械系（衡阳421001）
参考文献
1高清宝.阀门堆焊技术.北京：机械工业出版社，1994：305～416
2王家金.激光加工技术.北京：中国计量出版社，1992：274～279
3杨源泉.阀门设计手册.北京：机械工业出版社，1995：398～440
4孙文等.激光工业加工综述.激光与光电子学进展（增刊），1996（7）：287～291
5阎毓禾.高功率激光加工及其应用.天津：天津科学技术出版社，1994：128～167
6大连工学院金相教研室.金属材料及热处理.沈阳：辽宁科学技术出版社，1984：316～341(end)
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(3/2/2008) |
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