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(duì)耐腐蝕性的影響。利用5kW橫流CO2激光器對(duì)預(yù)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(gòu)造精密勻稱，晶粒微小，因素稀釋率更小，對(duì)基體熱影響小，熔層硬度與強(qiáng)韌性更高。性能試驗(yàn)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(yīng)聲堆與核電站中大量利用種種耐酸不銹鋼閥門。由于生產(chǎn)進(jìn)程中的種種介質(zhì)都具有較強(qiáng)的腐蝕性乃至放射性，腐蝕的結(jié)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(zhì)的滲漏大概造成停工停產(chǎn)，污染環(huán)境乃至造成惡性變亂。密封面的質(zhì)量是稽核閥門基天性能的主要指標(biāo)，不銹鋼閥門的密封面要求則更高。高參數(shù)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(qiáng)化，而不能舉行鑲嵌式結(jié)構(gòu)。
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(jì)劃者要求的合金層，這種合金層的綜合性能不光大大優(yōu)于不銹鋼基材，而且優(yōu)于傳統(tǒng)的等離子噴焊層及種種堆焊層的性能。我們對(duì)20HJ63-20P型不銹鋼核閥與尿素生產(chǎn)線甲胺組合閥密封面舉行了激光熔覆加工，并與傳統(tǒng)的等離子噴焊舉行了比較分析。
2試驗(yàn)條件
2.1試驗(yàn)材料與辦法
試驗(yàn)所用閥門為20HJ63-20P制止閥，材料為1Cr18Ni9Ti鋼；3W-2BJ1甲胺泵進(jìn)排液閥，材料為Cr18Ni12Mo3Ti鋼。試樣為方塊試樣(19mm×15mm×10mm)與環(huán)形試樣(38×28mm×10mm)兩種。激光熔覆采用HGL-90型5kW橫流CO2激光器，合金粉末采用2132酚醛樹脂粉＋乙醇調(diào)和預(yù)涂敷在加工表面上并烘干，預(yù)敷層厚度為3mm左右。激光熔覆在數(shù)控二維聯(lián)動(dòng)加工臺(tái)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(huán)形試樣在數(shù)控回轉(zhuǎn)事情臺(tái)上舉行單道掃描。熔覆工藝參數(shù)為：激光功率p＝3000～3400W，掃描速度v＝8～12mm／s，光斑尺寸≈5mm。光斑能量為高斯散布情勢(shì)。
等離子噴焊采用國產(chǎn)DP-500型粉末等離子弧堆焊機(jī)，焊槍為LFH型，采用送粉法，堆焊層為3mm左右。
2.2檢測(cè)
采用JSM35C和S650型SEM掃描電鏡對(duì)試樣的熔焊層作高倍構(gòu)造形貌分析；用MEF3大型光學(xué)金相顯微鏡觀察涂層構(gòu)造及照相；用國產(chǎn)71型顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層硬度；用EDX-9100能譜儀測(cè)定各微區(qū)因素；用D／max-2000A型X射線衍射儀測(cè)定涂層相結(jié)構(gòu)。
3試驗(yàn)結(jié)果及分析
激光熔覆與等離子噴焊的構(gòu)造地區(qū)可分為3部門，即熔焊區(qū)、熱影響區(qū)與基體。圖1a、b表現(xiàn)了兩種工藝的構(gòu)造地區(qū)環(huán)境和顯微硬度測(cè)試的壓痕環(huán)境，此中激光熔層構(gòu)造精密勻稱，晶粒度測(cè)定為11～12級(jí)，熱影響區(qū)寬約10～40μm；等離子焊層構(gòu)造略粗大，晶粒度為9～10級(jí)，熱影響區(qū)寬約120～160μm。熔焊層的質(zhì)量在已解剖的125個(gè)試樣中，激光熔層完好陷的成品率達(dá)95%以上。等離子噴焊層中較易出現(xiàn)裂紋、氣孔、混合物等缺陷，如圖1c、d所示。對(duì)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(diǎn)測(cè)試顯微硬度，測(cè)試結(jié)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(lián)合區(qū)相近×100(b)等離子焊層聯(lián)合區(qū)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(jīng)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(dá)(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(dá)(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(qū)和基體的擴(kuò)散喪失率，等離子焊層比激光熔覆層也主要得多。從以上測(cè)試結(jié)果可分析如下：
(1)激光熔層比等離子噴焊層的構(gòu)造更精密、勻稱，熱影響區(qū)更窄。由于激光功率高，掃描作用時(shí)間短，涂層和基體表層加熱后熔化速度快，趕快冷卻時(shí)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(shù)量，使形核率大為提高，形成微小勻稱的顯微構(gòu)造。構(gòu)造精密可提高晶界聯(lián)合力，增強(qiáng)材料強(qiáng)度和韌性。構(gòu)造精密不光淘汰了單位晶界上的雜質(zhì)含量，而且在快速冷卻進(jìn)程中因素偏析程度淘汰，從而淘汰了因形成原電池效應(yīng)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(huì)減少。但是，平常閥門密封面必要肯定的硬度與強(qiáng)度，而含碳量愈多，熔層的強(qiáng)度與硬度就越高。因而，碳在粉末中的作用是誤會(huì)的。采用激光熔覆閥門密封面與傳統(tǒng)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(gòu)造，更高的強(qiáng)度與硬度。故在激光熔覆粉末中可恰當(dāng)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(qiáng)度，又可淘汰碳化鉻的形成量，相對(duì)包管了鉻的含量。
(3)激光束作用時(shí)產(chǎn)生的熔池中的對(duì)流傳質(zhì)作用，能充實(shí)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(zhì)量。而等離子噴焊進(jìn)程是利用等離子體使噴焊粉末熔化、加速，經(jīng)過大氣空間再噴射到基體材料表面。此進(jìn)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(xué)不勻稱性，由于熔層被稀釋等緣故原由造成的化學(xué)因素不勻稱性和金屬構(gòu)造的不勻稱性都減少了熔層的耐腐蝕性能。
(4)熔層的內(nèi)應(yīng)力會(huì)減少耐蝕性，即"應(yīng)力腐蝕"。不銹鋼表面形成密封面時(shí)的熱作用會(huì)不同的程度地在熔層中留下渣滓應(yīng)力，故平常都必要在加工落伍行消除渣滓應(yīng)力的處理。處理的溫度高，保溫時(shí)間長，結(jié)果會(huì)更好。但這樣大概使熔層構(gòu)造中的碳化鉻析出，貧鉻會(huì)造成晶間腐蝕，因而加工處理后平常只加熱到300～500℃保溫1～2h。對(duì)付含碳低或含鈦、鈮等元素的粉末，加熱溫度可恰當(dāng)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(chǎn)生晶間腐蝕的大概性，但碳含量過低會(huì)使熔層的硬度與強(qiáng)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(qiáng)的元素會(huì)在熔層中優(yōu)先形成TiC、NbC等，故可消除晶界出現(xiàn)的貧鉻征象，晶間腐蝕就不會(huì)產(chǎn)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(yàn)。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(zhì)中分別經(jīng)8h、24h、48h和72h腐蝕后，洗濯試樣，然后用精密分析天平稱量其失重量。試驗(yàn)結(jié)果和分析數(shù)據(jù)如表1所示。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得出結(jié)論：激光熔覆工藝試片在H2SO4、HNO3、NaOH和尿素等4種溶液介質(zhì)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(jié)論
(1)激光熔覆工藝和傳統(tǒng)的等離子噴焊工藝相比較，涂層構(gòu)造細(xì)化、致密，消除了孔隙和混合，實(shí)現(xiàn)了涂層與基體的冶金聯(lián)合。熔層因素被稀釋和擴(kuò)散的幾率減少，硬度和強(qiáng)韌性均有所提高，耐腐蝕性能增強(qiáng)。激光熔覆粉末中含碳量可恰當(dāng)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(zhì)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(jīng)激光熔覆的不銹鋼閥門在湖南洞庭氮肥廠實(shí)用直今，結(jié)果良好。
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