Fe基激光熔覆層腐蝕失效分析及應(yīng)對措施

來源：深圳市泰立儀器儀表有限公司 2021年03月22日 08:56

Fe基激光熔覆層腐蝕失效分析及應(yīng)對措施

激光熔覆作為一種重要的材料表面改性技術(shù),，主要是利用高能量密度的激光束作為熱源，將合金粉末和基體表面同時熔化，并快速凝固后原位形成稀釋度極低,、與基體成冶金結(jié)合的表面熔覆層，顯著改善基體表面的耐磨,、耐蝕,、耐熱及抗氧化等性能，從而達到表面改性的目的,，具有冶金結(jié)合牢固,、熔覆層性能優(yōu)異、對環(huán)境無污染等優(yōu)點,。激光熔覆技術(shù)不僅可以對磨損失效的機械裝備進行再制造恢復(fù)其使用性能,，而且能夠?qū)π碌臋C械裝備進行表面強化，延長其使用壽命,，因此激光熔覆技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注,，開始在煤機、礦山,、石油及電力等行業(yè)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,。目前，常用的激光熔覆材料有Fe基,、Ni基,、Co基、陶瓷復(fù)合材料等,，由于Fe基粉末種類多,、性能好、成本低等,，在激光熔覆中得到廣泛應(yīng)用,。Fe基激光熔覆層質(zhì)量的好壞直接影響了裝備表面激光熔覆強化的效果，在實際使用過程中,，F(xiàn)e基激光熔覆層會受激光熔覆材料,、工藝、環(huán)境等因素的影響,，從而出現(xiàn)磨損,、腐蝕等形式的失效。

以煤機行業(yè)液壓支架為例，液壓支架作為機械化采煤的關(guān)鍵裝備,，主要起支撐并防止煤矸石和煤屑落入刮板輸送機,、隔離采空區(qū)的作用，對于煤礦安全具有重要的意義,。由于煤礦井下濕度大,，存在大量腐蝕介質(zhì)，為了減少液壓支架的腐蝕失效,，延長使用壽命,，常用的做法是對液壓支架活柱、中缸表面進行電鍍處理,。隨著國家對環(huán)境保護的重視,，電鍍行業(yè)面臨的壓力越來越大，應(yīng)用激光熔覆技術(shù)在液壓支架活柱,、中缸表面制備Fe基熔覆層被越來越多地采用,。基于此背景,，本文以液壓支架活柱,、中缸為例，主要對Fe基激光熔覆層腐蝕失效進行分析,，并提出一系列的應(yīng)對措施,。

一、Fe基熔覆層的制備

采用IGJR-4型數(shù)控半導(dǎo)體激光熔覆設(shè)備對液壓支架活柱,、中缸進行激光熔覆處理,。激光熔覆材料選用Fe基自熔性合金粉末，根據(jù)液壓支架活柱,、中缸表面的性能要求和工況條件,，選用不同成分配比的Fe基粉末。

液壓支架活柱,、中缸Fe基熔覆層制備的主要流程：清洗→激光熔覆→車削熔覆層→拋光熔覆層→質(zhì)檢→成品,。針對舊的液壓支架活柱、中缸,，在上述流程開始之前增加車削疲勞層的過程,。

二、Fe基激光熔覆層腐蝕失效分析

在實際使用過程中,，由于激光熔覆Fe基粉末成分選用不合理、激光熔覆工藝參數(shù)不匹配等原因,，液壓支架活柱,、中缸表面的Fe基激光熔覆層難免會出現(xiàn)腐蝕失效的現(xiàn)象，通常采用的腐蝕失效分析方法有外觀形貌分析、化學(xué)成分分析,、顯微組織分析,、鹽霧腐蝕試驗分析。

（1）外觀形貌分析

觀察液壓支架活柱,、中缸表面的Fe基熔覆層,，當(dāng)出現(xiàn)明顯的點蝕、鐵銹,、腐蝕坑等缺陷時,，表明Fe基熔覆層已經(jīng)腐蝕失效。液壓支架中缸表面Fe基激光熔覆層腐蝕失效與未腐蝕表面形貌對比,。

（2）化學(xué)成分分析

采用手持式X射線熒光光譜儀對激光熔覆后的Fe基激光熔覆層進行化學(xué)成分分析,。

由圖2可知，手持式X射線熒光光譜儀可以直接測出Fe基熔覆層的Cr含量,。由于液壓支架活柱,、中缸所處礦井環(huán)境大多含有腐蝕介質(zhì)，因此為了提升液壓支架的使用性能,，其活柱,、中缸可以采用激光熔覆技術(shù)制備一層Fe基熔覆層，而要保證熔覆層的耐蝕性要求,，熔覆層必須含有足夠多的Cr,，故激光熔覆時所用的激光熔覆材料為高Cr不銹鋼Fe基自熔性粉末。然而,，激光熔覆過程中熔覆層顯微組織晶界處會析出碳化鉻,，當(dāng)Cr含量不足時，會出現(xiàn)貧鉻區(qū),，而貧鉻區(qū)往往優(yōu)先發(fā)生腐蝕,，并且貧鉻區(qū)的Cr含量相比未腐蝕區(qū)域偏低。因此,，采用手持式X射線熒光光譜儀檢測液壓支架活柱,、中缸表面Fe基熔覆層Cr含量，通過對比不同區(qū)域位置的Cr含量,，初步判斷Fe基熔覆層腐蝕失效的原因,。

（3）組織分析

Fe基激光熔覆層腐蝕失效的一個重要原因是工藝匹配不合理，要確定腐蝕失效是否由工藝原因引起,，需要對Fe基熔覆層進行組織分析,。首先制備Fe基激光熔覆層金相觀察試樣，主要流程為取樣→磨樣→拋光→腐蝕,，然后采用金相顯微鏡對金相組織進行觀察,。Fe基激光熔覆層顯微組織對比,。

由圖3可知，F(xiàn)e基熔覆層顯微組織主要包括平面晶,、樹枝晶,。在熔覆層底部與界面結(jié)合處，溫度梯度（G）與凝固速度（R）的比值G/R大,，組織以平面晶方式外延生長,，而在熔覆層內(nèi)部，主要為樹枝晶,。激光熔覆工藝匹配是否合理,，對Fe基熔覆層的顯微組織有著顯著的影響。當(dāng)激光熔覆工藝匹配合理時,，F(xiàn)e基熔覆層顯微組織主要由平面晶與枝晶尺寸較小,、分布相對均勻的樹枝晶組成；當(dāng)激光熔覆工藝匹配不合理時,，F(xiàn)e基熔覆層顯微組織主要由平面晶與大小不一的樹枝晶組成,，由于晶界處易產(chǎn)生偏析，并且晶界處的電位一般低于晶粒內(nèi)部,，發(fā)生微電池反應(yīng),，加速腐蝕的發(fā)生，因此會直接影響Fe基熔覆層的組織形貌,，降低熔覆層的耐蝕性,，在使用過程中更易失效。

（4）鹽霧腐蝕試驗分析

Fe基熔覆層的失效分析可以采用鹽霧腐蝕試驗來判斷,。制備Fe基熔覆層鹽霧腐蝕試驗樣塊,，按照《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗GB/T10125—2012》規(guī)定進行鹽霧試驗。不同F(xiàn)e基熔覆層48h鹽霧腐蝕試驗結(jié)果對比,。

相同試驗條件下,，F(xiàn)e基熔覆層表面出現(xiàn)明顯的銹蝕點，而圖4b中Fe基熔覆層表面狀況良好,，未見銹蝕現(xiàn)象,，這表明圖4a中的Fe基熔覆層耐蝕性較差，在使用過程中更易發(fā)生失效現(xiàn)象,。

三,、減少Fe基激光熔覆層腐蝕失效的措施

結(jié)合失效分析的結(jié)果，減少Fe基激光熔覆層腐蝕失效的措施主要有以下幾種：

（1）選擇合適的激光熔覆粉末

理論和實踐表明,，激光熔覆粉末成分直接影響了熔覆層的耐蝕性,。因此，要綜合考慮工件表面的性能要求,、環(huán)境條件和使用工況等因素,，選用恰當(dāng)?shù)娜鄹卜勰┎牧稀?/span>

（2）優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)

相同的粉末類型,，激光熔覆工藝參數(shù)不同,，所得的熔覆層耐蝕性也不同,。激光功率、熔覆速度,、熔覆搭接量,、送粉量及保護氣流量等工藝參數(shù)，會影響激光熔覆層的顯微組織形貌,，進而影響熔覆層的耐蝕性,。通過合理匹配各工藝參數(shù)，可獲得組織細(xì)密,、均勻的熔覆層,，減少Fe基激光熔覆層腐蝕失效的發(fā)生傾向。

（3）改進激光熔覆的工藝方法

在激光熔覆過程中,，通過電磁攪拌,、超聲振動等方法，改善激光熔池內(nèi)的對流運動,，將樹枝晶打碎,，從而細(xì)化熔覆層組織，減少偏析和疏松,，有助于抑制氣孔和裂紋等缺陷的產(chǎn)生,。由于Fe基熔覆層的腐蝕失效大多起源于氣孔、裂紋處,，因此減少氣孔,、裂紋的產(chǎn)生能夠有效地減少Fe基熔覆層的腐蝕失效。

（4）細(xì)化激光熔覆過程的品質(zhì)管理

在Fe基激光熔覆層制備過程中,，要加強全過程的管理,，例如，激光熔覆之前,，嚴(yán)格按照激光熔覆粉末烘干規(guī)程進行烘干,，待熔覆工件要進行*清洗，以減少Fe基熔覆層氣孔的產(chǎn)生,；激光熔覆時發(fā)現(xiàn)熔覆層缺陷要及時進行修補等,。

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