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      不銹鋼表面激光熔覆層耐腐蝕分析

      作者: admin 發布時間:2019-11-25 10:25 查看次數:

      研究了在耐酸不銹鋼基體上采用激光熔覆和等離子噴焊兩種工藝形成的涂層對耐腐蝕性的影響。利用5kW橫流CO2激光器對預置于基體上的Co基自熔合金粉末舉行單道或多道掃描。得到的熔層與等離子焊層比擬,激光熔層缺陷率低,成品率高。其構造精密勻稱,晶粒微小,因素稀釋率更小,對基體熱影響小,熔層硬度與強韌性更高。性能試驗證明,激光熔層具有更高的耐腐蝕性能。
        
        1前言
        
        在煤油化工、應聲堆與核電站中大量利用種種耐酸不銹鋼閥門。由于生產進程中的種種介質都具有較強的腐蝕性乃至放射性,腐蝕的結果不但使閥門的密封面受到破壞,大大收縮閥門利用壽命,而且介質的滲漏大概造成停工停產,污染環境乃至造成惡性變亂。密封面的質量是稽核閥門基天性能的主要指標,不銹鋼閥門的密封面要求則更高。高參數不銹鋼閥門的密封面平常采用直接在閥體上堆焊的辦法舉行強化,而不能舉行鑲嵌式結構。
        
        大功率激光束與材料的特別作用可使基體表面得到滿足計劃者要求的合金層,這種合金層的綜合性能不光大大優于不銹鋼基材,而且優于傳統的等離子噴焊層及種種堆焊層的性能。我們對20HJ63-20P型不銹鋼核閥與尿素生產線甲胺組合閥密封面舉行了激光熔覆加工,并與傳統的等離子噴焊舉行了比較分析。
        
        2試驗條件
        
        2.1試驗材料與辦法
        
        試驗所用閥門為20HJ63-20P制止閥,材料為1Cr18Ni9Ti鋼;3W-2BJ1甲胺泵進排液閥,材料為Cr18Ni12Mo3Ti鋼。試樣為方塊試樣(19mm×15mm×10mm)與環形試樣(38×28mm×10mm)兩種。激光熔覆采用HGL-905kW橫流CO2激光器,合金粉末采用2132酚醛樹脂粉+乙醇調和預涂敷在加工表面上并烘干,預敷層厚度為3mm左右。激光熔覆在數控二維聯動加工臺上舉行,此中方塊試樣采用多道掃描,每道搭接量為激光光斑直徑的50%。環形試樣在數控回轉事情臺上舉行單道掃描。熔覆工藝參數為:激光功率p30003400W,掃描速度v812mms,光斑尺寸≈5mm。光斑能量為高斯散布情勢。
        
        等離子噴焊采用國產DP-500型粉末等離子弧堆焊機,焊槍為LFH型,采用送粉法,堆焊層為3mm左右。
        
        2.2檢測
        
        采用JSM35CS650SEM掃描電鏡對試樣的熔焊層作高倍構造形貌分析;用MEF3大型光學金相顯微鏡觀察涂層構造及照相;用國產71型顯微硬度計測量涂層硬度;用EDX-9100能譜儀測定各微區因素;用Dmax-2000AX射線衍射儀測定涂層相結構。
        
        3試驗結果及分析
        
        激光熔覆與等離子噴焊的構造地區可分為3部門,即熔焊區、熱影響區與基體。圖1a、b表現了兩種工藝的構造地區環境和顯微硬度測試的壓痕環境,此中激光熔層構造精密勻稱,晶粒度測定為1112級,熱影響區寬約1040μm;等離子焊層構造略粗大,晶粒度為910級,熱影響區寬約120160μm。熔焊層的質量在已解剖的125個試樣中,激光熔層完好陷的成品率達95%以上。等離子噴焊層中較易出現裂紋、氣孔、混合物等缺陷,如圖1c、d所示。對激光熔覆和等離子噴焊兩種工藝處理的試樣,分別沿熔層縱向的上中下層和沿橫向自邊緣至中間逐點測試顯微硬度,測試結果表明:激光熔層平均顯微硬度值為581HV0.2,比同種粉末的噴焊層硬度高20%40%,且縱向和橫向的硬度勻稱性都高于噴焊層。
        
        (a)激光熔層聯合區相近×100(b)等離子焊層聯合區相近×100 (c)等離子焊層上部氣孔×250(d)等離子焊層枝晶間混合物×250
        
        經EDX-9100能譜儀分析,激光熔層中Ti,Fe,Ni3種元素受基體稀釋后分別平均到達(w%)0.075,8.58,1.385,而等離子焊層中以上3種元素受基體稀釋后分別平均到達(w%)0.83,16.19,2.06,可見后者比前者3種元素的稀釋率分別高10倍、2倍和1.5倍。而熔焊層中Co,Cr,W3種元素向熱影響區和基體的擴散喪失率,等離子焊層比激光熔覆層也主要得多。從以上測試結果可分析如下:
        
        (1)激光熔層比等離子噴焊層的構造更精密、勻稱,熱影響區更窄。由于激光功率高,掃描作用時間短,涂層和基體表層加熱后熔化速度快,趕快冷卻時過冷度大,熔池中的合金元素能敏捷形成多種化合物而增加非自覺晶核的數量,使形核率大為提高,形成微小勻稱的顯微構造。構造精密可提高晶界聯合力,增強材料強度和韌性。構造精密不光淘汰了單位晶界上的雜質含量,而且在快速冷卻進程中因素偏析程度淘汰,從而淘汰了因形成原電池效應而加速腐蝕的影響。
        
        (2)鉻能顯著提高鋼的抗腐蝕能力,但碳與鉻的親和作用很容易生成碳化鉻。鋼中含碳量愈高,熔層中含鉻量就要減少,則熔層耐腐蝕性就會減少。但是,平常閥門密封面必要肯定的硬度與強度,而含碳量愈多,熔層的強度與硬度就越高。因而,碳在粉末中的作用是誤會的。采用激光熔覆閥門密封面與傳統工藝相比,由于激光熱源的特別作用可使熔層具有更精密的構造,更高的強度與硬度。故在激光熔覆粉末中可恰當減少粉末的含碳量,這樣既可得到密封面所要求的硬度與強度,又可淘汰碳化鉻的形成量,相對包管了鉻的含量。
        
        (3)激光束作用時產生的熔池中的對流傳質作用,能充實攪拌熔池,使熔池中氣體混合物能上浮析出,形成較為致密的涂層,包管了熔層的質量。而等離子噴焊進程是利用等離子體使噴焊粉末熔化、加速,經過大氣空間再噴射到基體材料表面。此進程陪伴有空氣混入焊層,因此在噴涂層上及界面部位每每存有較多的氣孔與混合物散布在粗大的枝晶之間,如圖1c、d所示。非金屬混合物造成的電化學不勻稱性,由于熔層被稀釋等緣故原由造成的化學因素不勻稱性和金屬構造的不勻稱性都減少了熔層的耐腐蝕性能。
        
        (4)熔層的內應力會減少耐蝕性,即"應力腐蝕"。不銹鋼表面形成密封面時的熱作用會不同的程度地在熔層中留下渣滓應力,故平常都必要在加工落伍行消除渣滓應力的處理。處理的溫度高,保溫時間長,結果會更好。但這樣大概使熔層構造中的碳化鉻析出,貧鉻會造成晶間腐蝕,因而加工處理后平常只加熱到300500℃保溫12h。對付含碳低或含鈦、鈮等元素的粉末,加熱溫度可恰當提高。超低碳粉末使熔層不能析出碳化物,可從根本上消除產生晶間腐蝕的大概性,但碳含量過低會使熔層的硬度與強度大大減少,而且成本很高。較適合的辦法是在粉末中參加能形成碳化物的元素,即參加鈦、鈮等,這些與碳親和力很強的元素會在熔層中優先形成TiC、NbC等,故可消除晶界出現的貧鉻征象,晶間腐蝕就不會產生。
        
        4熔焊層耐腐蝕性
        
        用線切割辦法切取涂層和基體材料雷同的激光熔覆和等離子噴焊試塊各4塊,分別在不同的溶液中舉行腐蝕試驗。腐蝕溶液置于溫度為60℃的水浴槽中保溫,兩種工藝試樣在4種介質中分別經8h、24h、48h72h腐蝕后,洗濯試樣,然后用精密分析天平稱量其失重量。試驗結果和分析數據如表1所示。由試驗數據分析可得出結論:激光熔覆工藝試片在H2SO4、HNO3、NaOH和尿素等4種溶液介質中的腐蝕速度均低于等離子噴焊工藝試片,具有精良的綜合抗腐蝕性能。在H2SO4、HNO3兩種溶液中的比擬尤為明顯。
        
        5結論
        
        (1)激光熔覆工藝和傳統的等離子噴焊工藝相比較,涂層構造細化、致密,消除了孔隙和混合,實現了涂層與基體的冶金聯合。熔層因素被稀釋和擴散的幾率減少,硬度和強韌性均有所提高,耐腐蝕性能增強。激光熔覆粉末中含碳量可恰當減少,以提高耐磨蝕性。
        
      (2)激光熔覆工藝試片在多種溶液介質中的腐蝕速度均低于等離子噴焊工藝試片,具有精良的綜合抗腐蝕性能。在H2SO4、HNO3兩種溶液中的比擬尤為明顯。經激光熔覆的不銹鋼閥門在湖南洞庭氮肥廠實用直今,結果良好。
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