選用無鈷NOREM02鐵基粉末在不銹鋼基體上進(jìn)行激光熔覆。對在不同工藝參數(shù)下熔覆層形貌、微觀組織及顯微硬度進(jìn)行觀察和測試，并進(jìn)行了物相分析。采用靜態(tài)浸泡法對NOREM02鐵基激光熔覆層的耐腐性進(jìn)行研究，并與Stellite6鈷基熔覆層和不銹鋼基體對比。結(jié)果表明：NOREM02鐵基粉末在優(yōu)化的激光熔覆工藝參數(shù)下，可獲得表面連續(xù)光滑，寬度和厚度均勻的熔覆層。該熔覆層組織致密，晶粒細(xì)小，結(jié)合區(qū)牢固，顯微硬度600HV0。5以上，具有強(qiáng)韌兩相組成(奧氏體和M7C3)的微觀特征。在10%H2SO4和10%NaCl溶液中鐵基熔覆層抗腐蝕性能接近鈷基熔覆層。

1、引言

　　核電閥門密封面強(qiáng)化材料多為鈷基合金，是由于鈷基合金具有良好的低摩擦和抗磨損特性，優(yōu)異的耐腐蝕性等特點(diǎn)。但鈷基合金在我國資源匱乏，且鈷基合金經(jīng)磨損后產(chǎn)生的磨屑經(jīng)激發(fā)后變?yōu)?0Co，延長了核輻射的半衰期，增加輻射。所以科學(xué)工作者都在致力于鈷基合金替代材料的研發(fā)。

　　密封面堆焊層性能與質(zhì)量不僅取決于堆焊材料，而且在很大程度上取決于堆焊方法與工藝。目前核閥堆焊仍采用等離子噴焊、火焰堆焊等傳統(tǒng)方法，熔覆層質(zhì)量受到一定限制。先進(jìn)的堆焊技術(shù)是當(dāng)前各國競相研究的焦點(diǎn)，其中最具有前景的當(dāng)屬激光熔覆技術(shù)。該技術(shù)以其特有的高功率密度速冷速熱實(shí)現(xiàn)材料的超快速熔化凝固，所制備的涂覆層組織更為致密，晶粒更細(xì)小，且空隙率和缺陷率低，熔覆層與基體形成良好的冶金結(jié)合。因此，本文選用NOREM 02鐵基粉末，并用激光熔覆的手段，在不銹鋼1Cr18Ni9Ti基體上制備涂層，對經(jīng)后選用和設(shè)計(jì)核電閾門密封面強(qiáng)化材料的研究提供參考和對照。

2、試驗(yàn)材料和方法

　　基體為不銹鋼，尺寸50mmx30mmx10mm;NOREM 02粉末粒度為100～325目，顆粒形貌如圖1所示，基體和粉末化學(xué)成分如表1所示。

　　圖1 NOREM 02粉末顆粒形貌

　　表1 基體和NOREM 02鐵基粉末的化學(xué)成分(w.t%)

　　成分CCrNiMoFeMnSiWCo

　　基體1Cr18Ni9Ti≤0.1217.00~19.008.00~11.00余≤2.00≤1.00

　　粉末stellite6 1 28 5 余

　　粉末NOREM 021.3124.54.52.3余4.13.4

　　試驗(yàn)所用的激光器為GS-TFL-10KW型高功率橫流CO2激光器，輸出的激光模式為TEM01，激光熔覆頭由本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制作，實(shí)驗(yàn)中以不同離焦量的聚光束垂直入射樣品表面，同軸吹A(chǔ)r氣保護(hù)，具體熔覆工藝參數(shù)如表2所示。

　　表2 激光熔覆工藝參數(shù)

　　編號功率/W送粉速度/(g.min-1)掃描速度/(mm.s-1)離焦量/mm光斑直徑/mm

　　1600036.2502.5

　　2600036.2523.3

　　3620036.2554.5

　　4650036.2596

　　將試樣垂直掃描方向切割，拋光打磨后經(jīng)HCl+HNO3(3:1)溶液腐蝕，在KYKY2800型掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察熔覆層的微觀組織合開裂狀況;采用Per-tProMPD型X射線衍射儀對其成分進(jìn)行分析;使用MH-5維氏硬度計(jì)測試涂層顯微硬度，加載為500g，作用時間8s。

　　選擇編號3熔覆工藝參數(shù)下的鐵基合金熔道和鈷基合金熔道及未經(jīng)加工的基體進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，腐蝕溶液分別為10%H2SO4和10%NaC，l在常溫下進(jìn)行，采用靜態(tài)浸泡法。用電子天平(精度為10-4g)稱其失重，計(jì)算出腐蝕速率(mg.mm2.d-1)。

3、試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　(1)NOREM02鐵基激光熔覆層的宏觀特征

　　如圖2所示，在焦點(diǎn)處熔覆層被嚴(yán)重?zé)龘p嚴(yán)重，熔覆層高度幾乎為零，隨著離焦量的增大，熔覆層的高度逐漸增大，外觀形貌逐漸改善，當(dāng)離焦量為9mm時，高度開始下降，涂層表面粉末黏附明顯，但離焦量的變化總體對熔道的寬度影響不大，表3列出了熔覆層宏觀形貌特征。

　　圖2 不同工藝參數(shù)下熔覆層宏觀形貌

表3 熔覆層宏觀形貌特征

　　試樣光斑直徑/mm外觀熔覆層寬度/mm熔覆層高度/mm

12.5熔道呈黑色3.50.7

23.3比較光滑，厚度不均勻3.21

34.5熔道飽滿，連續(xù)光滑3.661.76

46熔道呈褐色3.71.1

(2)硬度

　　不同的工藝參數(shù)下鐵基合金熔覆層的硬度曲線如圖4所示，不銹鋼基體的硬度在300HV0.5左右，第3熔道硬度最高在600HV0.5以上，其他三道硬度平均都在420HV0.5左右。這是因?yàn)?，2熔道是在焦點(diǎn)處熔覆加工的，能量密度過高，導(dǎo)致基體熔化嚴(yán)重，基體成分大大稀釋熔覆層成分，且熔覆層表面燒損厲害，熔覆層厚度不到1mm，整個熔層硬度較低;而第4熔道因離焦量太大能量密度低，基體和粉末都得不到充足的能量，導(dǎo)致粉末和基體表面沒有充分熔化，大量粉末落到基體表面反彈，從而導(dǎo)致熔覆層與基體的結(jié)合不好，且熔覆層組織疏松，硬度下降，熔層不高。而在與鐵基熔覆層相同工藝參數(shù)下制備的鈷基合金熔覆層硬度平均在450HV0.5。

距離熔覆層表面距離/Lm

圖4 不同離焦量下熔覆層組織顯微硬度

(3)顯微組織與物相分析

　　鐵基合金激光熔覆層的顯微組織為均勻細(xì)小的枝晶和多元共晶的混合組織，熔覆層與基體界面處有一條合金元素交互擴(kuò)散結(jié)合帶，說明鐵基合金熔覆層與奧氏體不銹鋼形成了良好的冶金結(jié)合。溫度梯度/凝固速度(G/M)是凝固組織生長形態(tài)選擇的控制參數(shù)。在熔池/基體界面處My0而G最大，G/M值很大，凝固組織以低速平界面生長，隨M的增加和G/M逐漸減小，呈現(xiàn)為沿?zé)崃鲾U(kuò)散方向生長的細(xì)小枝晶和多元共晶的混合組織。圖5為鐵基復(fù)合涂層典型微觀組織。由圖6XRD衍射分析表明，涂層由C-Fe過飽和固溶體，連續(xù)網(wǎng)狀分布的M7C3(M=Cr，F(xiàn)e，Mn等)組成。韌性相C-奧氏體為合金元素過飽和含量極高的亞穩(wěn)相;強(qiáng)化相M7C3(是Cr基合金碳化物)。由于激光快熱的特點(diǎn)，熔池中先析出C-奧氏體相，由于C-奧氏體的析出消耗了較多的Cr，N，iSi等元素，剩余液相達(dá)到共晶成分時將發(fā)生共晶反應(yīng)，生成(Cr，F(xiàn)e)7(C，B)3+C共晶。

(a)熔覆層結(jié)合區(qū)顯微組織

(b)熔覆層中部顯微組織

圖5 熔覆層微觀組織

圖6 熔覆層的X射線衍射圖

(4)耐腐蝕性

　　圖7是鐵基涂層、鈷基涂層和不銹鋼分別在10%H2SO4溶液和10%NaCl溶液中腐蝕速率隨時間變化的情況。從圖中可以看出，試樣在第1d和第2d腐蝕速率都較大，這是由于在腐蝕溶液中試樣表面還沒有來得及形成鈍化膜，后來幾天試樣質(zhì)量變化不大，腐蝕速率逐漸減小趨于穩(wěn)定。在10%H2SO4溶液中鐵基熔覆層抗腐蝕性能大大高于不銹鋼，接近鈷基熔覆層;在10%NaCl溶液中，不銹鋼和鈷基熔覆層都表現(xiàn)出良好的抗腐蝕性能，鐵基熔覆層略差。

時間/d

圖7 在10%H2SO4溶液和10%NaCl溶液中鐵基熔覆層、不銹鋼和鈷基熔覆層的腐蝕速率

　　NOREM02鐵基熔覆層主要成分為Fe和Cr，其次有N，iMo，S，iMn等，其中Cr，Mo，N，iSi等元素對Fe起到鈍化的作用。表面致密氧化膜主要成分是Cr2O3，其次是FeO，MoO3，NiO等。Stellite 6鈷基熔覆層表面氧化膜主要成分有CoO，Cr2O3等。不銹鋼基體表面氧化膜主要是Cr2O3和FeO。

　　在試驗(yàn)過程中，鐵基涂層和鈷基涂層在10%H2SO4溶液中經(jīng)7天以后，溶液仍基本保持透明，涂層失重小。NOREM02粉末中含有24.5%的Cr，且N，iMo和Si等元素形成的氧化膜有效抑制了H2SO4的腐蝕。鈷基涂層含有更高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cr，主要成分鈷元素氧化生成CoO與Cr2O3形成致密的氧化膜，且W的加入進(jìn)一步增強(qiáng)的涂層的抗腐蝕特性，因此鈷基涂層不僅在常溫下，在高溫環(huán)境中也表現(xiàn)出優(yōu)異的抗腐蝕性能。不銹鋼基體放入10%H2SO4溶液后，20min后試樣表面出現(xiàn)大量的氣泡，1d之后發(fā)現(xiàn)基體表面發(fā)黑，用棉棒擦拭有疏松的物質(zhì)脫落，且溶液變?yōu)榫G色，主要是發(fā)生反應(yīng)(H2SO4+FeO=FeSO4+H2O)，生成FeSO4所致。

　　鐵基涂層和基體在10%NaCl溶液中，經(jīng)7d之后，溶液略顯淡黃色，腐蝕瓶底有黃色腐蝕產(chǎn)物，主要是氧化膜與NaCl及溶于溶液中少許的氧氣發(fā)生反應(yīng)(4NaCl+Cr2O3+5/2 O2=2Na2CrO4+2Cl2)生成少量的Na2CrO4，但鈷基涂層所在溶液基本保持透明。

4、結(jié)論

　　(1)NOREM02鐵基粉末在激光熔覆過程中，受離焦量不同影響顯著。在離焦量為5mm即光斑直徑為4.5mm時熔道表面連續(xù)光滑，寬度和厚度均勻，高度可達(dá)到1.76mm。

　　(2)熔覆層組織致密，晶粒細(xì)小，結(jié)合區(qū)牢固，在優(yōu)化工藝參數(shù)下，熔道顯微硬度600HV0.5以上。

　　(3)經(jīng)XRD物相分析，發(fā)現(xiàn)熔覆層具有強(qiáng)韌兩相組成(奧氏體和M7C3)的微觀特征。

　　(4)常溫下，在10%H2SO4和10%NaCl溶液中，鐵基熔覆層抗腐蝕性能接近鈷基熔覆層。