不锈钢表面激光熔覆层耐腐蚀研究

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1、不锈钢表面激光熔覆层耐腐蚀研究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。　　　　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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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。　　　　(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%)0.83，16.1

7、9，2.06，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

8、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