摘要：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。使用5kW橫流CO2激光器對預置于基體上的Co基自熔合金粉末進行單道或多道掃描。得到的熔層與等離子焊層對比，激光熔層缺陷率低，成品率高。其組織細密均勻，晶粒細小，成分稀釋率更小，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。 關鍵詞：激光熔覆；等離子噴焊；耐腐蝕性能 1 前言 在石油化工、反應堆與核電站中大量使用各種耐酸不銹鋼閥門。由于生產過程中的各種介質都具有較強的腐蝕性甚至放射性，腐蝕的結果不僅使閥門的密封面受到破壞，大大縮短閥門使用壽命，而且介質的滲漏可能造成停工停產，污染環境甚至造成惡性事故。密封面的質量是考核閥門基本性能的重要指標，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一般采用直接在閥體上堆焊的方式進行強化，而不能進行鑲嵌式［1，3］結構。 大功率激光束與材料的特殊作用可使基體表面得到滿足設計者要求的合金層，這種合金層的綜合性能不但大大優于不銹鋼基材，而且優于傳統的等離子噴焊層及各種堆焊層的性能。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進行了激光熔覆加工，并與傳統的等離子噴焊進行了比較分析。 2試驗條件 2．1試驗材料與方法 試驗所用閥門為20HJ63-20P截止閥，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-90型5kW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進行，其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工作臺上進行單道掃描。熔覆工藝參數為：激光功率p＝3000～3400W，掃描速度v＝8～12mm／s，光斑尺寸≈5mm。光斑能量為高斯分布形式。 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JSM35C和S650型SEM掃描電鏡對試樣的熔焊層作高倍組織形貌分析；用MEF3大型光學金相顯微鏡觀察涂層組織及拍照；用國產71型顯微硬度計測量涂層硬度；用EDX-9100能譜儀測定各微區成分；用D／max-2000A型X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組織區域可分為3部分，即熔焊區、熱影響區與基體。圖1a、b顯示了兩種工藝的組織區域情況和顯微硬度測試的壓痕情況，其中激光熔層組織細密均勻，晶粒度測定為11～12級，熱影響區寬約10～40μm；等離子焊層組織略粗大，晶粒度為9～10級，熱影響區寬約120～160μm。熔焊層的質量在已解剖的125個試樣中，激光熔層無缺陷的成品率達95%以上。等離子噴焊層中較易出現裂紋、氣孔、夾雜物等缺陷，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心逐點測試顯微硬度，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均勻性都高于噴焊層。 圖1激光熔履與等離子噴焊組織形貌 （a）激光熔層結合區附近×100（b）等離子焊層結合區附近×100 （c）等離子焊層上部氣孔×250（d）等離子焊層枝晶間夾雜物×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達到（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達到（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損失率，等離子焊層比激光熔覆層也嚴重得多。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組織更細密、均勻，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，急速冷卻時過冷度大，熔池中的合金元素能迅速形成多種化合物而增加非自發晶核的數量，使形核率大為提高，形成細小均勻的顯微組織。組織細密可提高晶界結合力，增強材料強度和韌性。組織細密不但減少了單位晶界上的雜質含量，而且在快速冷卻過程中成分偏析程度減少，從而減少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，熔層中含鉻量就要降低，則熔層耐腐蝕性就會降低。但是，一般閥門密封面需要一定的硬度與強度，而含碳量愈多，熔層的強度與硬度就越高。所以，碳在粉末中的作用是矛盾的。采用激光熔覆閥門密封面與傳統工藝相比，由于激光熱源的特殊作用可使熔層具有更細密的組織，更高的強度與硬度。故在激光熔覆粉末中可適當降低粉末的含碳量，這樣既可得到密封面所要求的硬度與強度，又可減少碳化鉻的形成量，相對保證了鉻的含量。 （3）激光束作用時產生的熔池中的對流傳質作用［2］，能充分攪拌熔池，使熔池中氣體夾雜物能上浮析出，形成較為致密的涂層，保證了熔層的質量。而等離子噴焊過程是利用等離子體使噴焊粉末熔化、加速，通過大氣空間再噴射到基體材料表面。此過程伴隨有空氣混入焊層，因此在噴涂層上及界面部位往往存有較多的氣孔與夾雜物分布在粗大的枝晶之間，如圖1c、d所示。非金屬夾雜物造成的電化學不均勻性，由于熔層被稀釋等原因造成的化學成分不均勻性和金屬組織的不均勻性都降低了熔層的耐腐蝕性能。 （4）熔層的內應力會降低耐蝕性，即“應力腐蝕”。不銹鋼表面形成密封面時的熱作用會不同程度地在熔層中留下殘余應力，故一般都需要在加工后進行消除殘余應力的處理。處理的溫度高，保溫時間長，效果會更好。但這樣可能使熔層組織中的碳化鉻析出，貧鉻會造成晶間腐蝕，所以加工處理后一般只加熱到300～500℃保溫1～2h。對于含碳低或含鈦、鈮等元素的粉末，加熱溫度可適當提高。超低碳粉末使熔層不能析出碳化物，可從根本上消除發生晶間腐蝕的可能性，但碳含量過低會使熔層的硬度與強度大大降低，而且成本很高。較合適的方法是在粉末中加入能形成碳化物的元素，即加入鈦、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現象，晶間腐蝕就不會發生。 4熔焊層耐腐蝕性 用線切割方法切取涂層和基體材料相同的激光熔覆和等離子噴焊試塊各4塊，分別在不同溶液中進行腐蝕試驗。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、48h和72h腐蝕后，清洗試樣，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，具有優良的綜合抗腐蝕性能。在H2SO4、HNO3兩種溶液中的對比尤為明顯。表1 腐蝕試驗結果 注：P——等離子噴焊 L——激光熔覆5結論 （1）激光熔覆工藝和傳統的等離子噴焊工藝相比較，涂層組織細化、致密，消除了孔隙和夾雜，實現了涂層與基體的冶金結合。熔層成分被稀釋和擴散的幾率降低，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適當降低，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，具有優良的綜合抗腐蝕性能。在H2SO4、HNO3兩種溶液中的對比尤為明顯。經激光熔覆的不銹鋼閥門在湖南洞庭氮肥廠實用直今，效果良好。 作者簡介：石世宏：男，碩士，副教授，系副主任，主要從事教學與激光熔覆表面改性技術的研究，發表論文20余篇。 作者單位：中南工學院機械系（衡陽421001） 參考文獻 1高清寶.閥門堆焊技術.北京：機械工業出版社，1994：305～416 2王家金.激光加工技術.北京：中國計量出版社，1992：274～279 3楊源泉.閥門設計手冊.北京：機械工業出版社，1995：398～440 4孫文等.激光工業加工綜述.激光與光電子學進展（增刊），1996（7）：287～291 5閻毓禾.高功率激光加工及其應用.天津：天津科學技術出版社，1994：128～167 6大連工學院金相教研室.金屬材料及熱處理.沈陽：遼寧科學技術出版社，1984：316～341