3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

激光熔覆與等離子噴焊的組織區(qū)域可分為3部分，即熔焊區(qū)、熱影響區(qū)與基體。激光熔層組織細(xì)密均勻，晶粒度測(cè)定為11～12級(jí)，熱影響區(qū)寬約10～40μm；等離子焊層組織略粗大，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，激光熔層無缺陷的成品率達(dá)95%以上。等離子噴焊層中較易出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾雜物等缺陷，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心逐點(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均勻性都高于噴焊層。

經(jīng)EDX-9100能譜儀分析，激光熔層中Ti，F(xiàn)e，Ni3種元素受基體稀釋后分別平均達(dá)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(dá)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(qū)和基體的擴(kuò)散損失率，等離子焊層比激光熔覆層也嚴(yán)重得多。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組織更細(xì)密、均勻，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，急速冷卻時(shí)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(fā)晶核的數(shù)量，使形核率大為提高，形成細(xì)小均勻的顯微組織。組織細(xì)密可提高晶界結(jié)合力，增強(qiáng)材料強(qiáng)度和韌性。組織細(xì)密不但減少了單位晶界上的雜質(zhì)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(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，熔層中含鉻量就要降低，則熔層耐腐蝕性就會(huì)降低。但是，一般閥門密封面需要一定的硬度與強(qiáng)度，而含碳量愈多，熔層的強(qiáng)度與硬度就越高。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(tǒng)工藝相比，由于激光熱源的特殊作用可使熔層具有更細(xì)密的組織，更高的強(qiáng)度與硬度。故在激光熔覆粉末中可適當(dāng)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(qiáng)度，又可減少碳化鉻的形成量，相對(duì)保證了鉻的含量。

（3）激光束作用時(shí)產(chǎn)生的熔池中的對(duì)流傳質(zhì)作用［2］，能充分?jǐn)嚢枞鄢兀谷鄢刂袣怏w夾雜物能上浮析出，形成較為致密的涂層，保證了熔層的質(zhì)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(xué)不均勻性，由于熔層被稀釋等原因造成的化學(xué)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(nèi)應(yīng)力會(huì)降低耐蝕性，即“應(yīng)力腐蝕”。不銹鋼表面形成密封面時(shí)的熱作用會(huì)不同程度地在熔層中留下殘余應(yīng)力，故一般都需要在加工后進(jìn)行消除殘余應(yīng)力的處理。處理的溫度高，保溫時(shí)間長(zhǎng)，效果會(huì)更好。但這樣可能使熔層組織中的碳化鉻析出，貧鉻會(huì)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(duì)于含碳低或含鈦、鈮等元素的粉末，加熱溫度可適當(dāng)提高。超低碳粉末使熔層不能析出碳化物，可從根本上消除發(fā)生晶間腐蝕的可能性，但碳含量過低會(huì)使熔層的硬度與強(qiáng)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(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)的貧鉻現(xiàn)象，晶間腐蝕就不會(huì)發(fā)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(jìn)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，清洗試樣，然后用精密分析天平稱量其失重量。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，具有優(yōu)良的綜合抗腐蝕性能。在H2SO4、HNO3兩種溶液中的對(duì)比尤為明顯。

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，涂層組織細(xì)化、致密，消除了孔隙和夾雜，實(shí)現(xiàn)了涂層與基體的冶金結(jié)合。熔層成分被稀釋和擴(kuò)散的幾率降低，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適當(dāng)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(zhì)中的腐蝕速度均低于等離子噴焊工藝試片，具有優(yōu)良的綜合抗腐蝕性能。在H2SO4、HNO3兩種溶液中的對(duì)比尤為明顯。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，效果良好。

作者簡(jiǎn)介：石世宏：男，碩士，副教授，系副主任，主要從事教學(xué)與激光熔覆表面改性技術(shù)的研究，發(fā)表論文20余篇。

作者單位：中南工學(xué)院機(jī)械系（衡陽(yáng)421001）

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