激光与氩弧重熔热喷涂涂层的表面性能
陈桂山，刘宗德，胡卫强
腐蚀与防护
内容导读：本文针对钢管基材，通过熔覆工艺，得到合金涂层，对涂层性能进行检测。
摘要：采用电弧喷涂方法制备了合金涂层，然后使用氩弧和激光重熔技术分别获得了具有冶金结合的耐磨涂层。对涂层进行了硬度试验、高温冲蚀磨损试验和显微组织试验，并进行了分析和比较。结果表明，熔覆层表面硬度高达１２００ＨＶ，是２０Ｇ钢的６～７倍，组织均匀，与基体之间冶金结合，耐高温冲蚀性能为２０Ｇ钢的２．５～４倍。对两种熔覆技术进行了比较。
关键词：合金涂层；熔覆层；硬度；高温冲蚀磨损；组织分析
铁基非晶／纳米晶复合涂层作为一种新型的涂层材料，具有优异的强度、耐磨损及耐腐蚀性能，无论是作为功能梯度材料还是结构涂层材料，都有广阔的应用前景［１］。对铁基非晶／纳米晶复合涂层的制备主要采用热喷涂和激光熔覆等手段［２］。早期的铁基涂层研究以超音速火焰喷涂和电弧喷涂等热喷涂工艺为主，该法制备的涂层内部存在较多微小孔洞和裂纹，结构不够致密均匀，与基体之间主要为机械结合［３］，结合强度偏低，而且当涂层较厚时常常从基体开裂剥离。
本工作采用热喷涂的方法在管材表面喷上一层特殊的涂层，然后再分别采用氩弧和激光重熔的方法使涂层重熔结晶，达到改善表面性能的目的。由于实验室条件所限，本工作在大气的环境下，从高温冲蚀磨损的角度对水冷壁管的磨损做定性的分析。
１ 试 验
１．１ 基材与涂层材料
试验 用 基 材 为 外 径５７ ｍｍ，壁 厚５ ｍｍ，长０．５ｍ的２０Ｇ钢钢管，即目前火电厂普遍使用且急需表面防护的锅炉水冷壁管。涂层化学成分为：熔覆合金粉末为均匀混合粉末，其名义成分为（原子百分比）Ｆｅ５２．１Ｃｒ９．７Ｎｉ８．９Ｔｉ６．８Ｃ４．５Ｓｉ１．８Ａｌ１．４Ｎｂ１．５Ｂ１３．３，粉末粒径范围４８～１５０μｍ，纯度范围９８％～９９．９％。混合粉末用奥氏体不锈钢包裹，拉拔成２．０ｍｍ的丝材。电弧喷涂前对基体材料做表面处理，为重熔创造良好的基础。基材表面处理采用喷砂打磨方式，除去表面油污且产生足够大而多的毛刺，以使涂层能牢固结合。
１．２ 熔覆工艺
氛弧熔覆设各为时代WSE-315型数字式电焊机，用ＴＩＧ熔覆设备进行熔覆，电弧电流１６５Ａ，电弧电压１９Ｖ，扫描速度１５ｍｍ／ｓ。为提高熔覆金属凝固速率及降低基体金属对熔覆层的稀释率，在熔覆过程中，基体钢管内部使用循环冷却水对熔覆层进行强制冷却。熔覆过程中的搭接率取０．５０。采用的激光熔覆设备［４］为ＪＬ６－ＡＧ型横流ＣＯ２激光器（５ｋＷ）进行多道搭接激光熔敷处理，激光器的输出功率为２ｋＷ，扫描速度为６ｍｍ／ｓ，焦距为３６０ｍｍ，束斑直径５～９ｍｍ。激光熔覆过程中，熔池吹入氩气保护，以防氧化。熔覆过程中的搭接率取０．５０，没有采用水冷。试验辅助设备为自动焊接实验台，此实验台架是根据实际情况自主开发制作的。可以实现壁管的自主变速转动，以及焊枪随管壁转动同时径向上可以缓慢移动，而且可以在管内加水冷的情况下实现水冷壁管的涂层熔覆过程，这样可以使焊接过程产生的大量热量及时地传导出去，尽可能防止热变形。
１．３ 熔覆层性能分析
（１）组织分析
使用ＳＥＭ扫描电镜（ＨｉｔａｃｈｉＸ ６５０，并装有Ｎｏｒａｎ２型能谱仪）分析涂层的组织结构和成分，ＳＥＭ试样在与熔道垂直的横断面上截取。采用Ｒｉｇａ ｋｕ Ｄ／ｍａｘ－ⅢＡ型Ｘ－射线衍射仪进行涂层的ＸＲＤ物相分析［５］。
 
（２）显微硬度
取涂层断面截面和基体断面为硬度试验面，经过除污、金相抛光使样品达到试验要求，测量硬度所加载的载荷为３００ｇ，加载时间为１５ｓ。取点为四列矩阵式分布，分别沿涂层外表面向与基材结合面纵向方向和平行于涂层表面横向方向取点，纵向间隔０．２ｍｍ，横向间隔０．５ｍｍ，图１为取点示意图。然后横向方向四个点再取平均值，绘出硬度曲线，验证重熔前后涂层硬度变化。
（３）高温冲蚀磨损性能试验
试验设备为全军装备维修表面工程中心研制的垂直气－砂喷射式高温冲蚀磨损试验装置（简称ＧＷ／ＣＳ－ＭＳ），该设备为模拟燃煤电站锅炉省煤器和一级过热器承受燃气飞灰磨粒冲蚀磨损工况下的垂直气－砂喷射式高温冲蚀磨损试验装置试验工作参数为：大气环境，温度为９００ ℃，选取１６０～２１２μｍ的 石 英 砂 磨 粒，冲 蚀 速 度 为６０ｍ／ｓ，气压０．１ＭＰａ，分别选用４５°、９０°的冲蚀角度对每个样块冲蚀６次，每次所使用的白刚玉质量为４０ｇ。鉴于试验条件和流化床内部循环条件相差较大，故试验结果只是从直观上对比涂层重熔前后的耐冲蚀性能，通过试验结果讨论涂层重熔前后的高温冲蚀机理，验证涂层的耐高温冲蚀磨损性能。
２ 结果与讨论
２．１ 熔覆涂层微观组织及分析
图２为带有１ｍｍ涂层的基体钢管的外观形貌图及截面图。观察发现：涂层均匀分布，与基体结合致密，没有孔洞和裂缝等结构缺陷。图２ 氩弧和激光熔覆涂层的２０Ｇ钢管外观及截面图耐磨粉芯丝材主要成分为：碳化物、硼化物、金属复合陶瓷、Ｎｉ、Ｃｒ、稀土（ＲＥ）等，具有很好的高温硬度和耐磨性，制备的涂层硬度高，耐磨性好，特别适用于磨损严重的部位大面积制作防磨涂层，如ＣＦＢ锅炉磨损严重的水冷壁、过热器、省煤器等，涂层结合强度高。然而采用电弧喷涂涂层由于其客观条件的限制，即产生大量的孔隙和夹杂，导致涂层结合不致密，涂层与基体是机械结合等缺点，其抗热腐蚀和震性能较低，在流化床锅炉内部强烈的腐蚀和冲蚀磨损的条件下，综合性能较差。现分别将氩弧熔覆和激光熔覆涂层微观组织进行分析对比。
图３为氩弧熔覆涂层横断面不同部位的ＳＥＭ形貌。由图３可以看出，涂层由无质量衬度的非晶相和均匀弥散分布的纳米晶粒组成。经过大量采样统计，非晶相所占体积分数在５０％左右，晶粒呈棒状和不规则多边形特点，棒状晶粒直径约１００ｎｍ。结合ＸＲＤ图谱，非晶区域出现纳米晶粒的原因可能是Ｆｅ２Ｂ形核及晶粒长大过程中释放结晶潜热，使得快速冷却熔体形成的非晶相发生纳米晶化，短程有序结构转化为中程有序结构，直到形成镶嵌于非晶相区域的纳米晶结构。由于氩弧熔覆的能量较为集中所以在熔覆过程中不会产生未熔化的颗粒，孔隙率也较少，熔覆层组织晶粒小，且分布均匀，没有层状现象，熔覆层与基体是良好的冶金结合。这主要是因为氩弧功率密度大，能量集中，在极短的时间内可以使涂层和基体同时熔化，形成高达几千摄氏度的熔池。在瞬间熔覆层和基体材料相互均匀混合，实现了元素的重新分布，组织出现一定的变化。氩弧重熔电弧喷涂合金涂层后，涂层经表面改性，涂层内部结合致密，涂层与基体达到冶金结合，且整体硬度和韧性提高，这对抗氧化腐蚀和冲蚀磨损的恶劣条件非常有利。图４为激光重熔涂层和基体界面的ＳＥＭ图。可以看出，组织为粒径均匀的条状晶及粒状晶粒，涂层和基体之间没有明显的孔洞和裂纹等缺陷，结合致密。在电弧喷涂熔滴与基体的碰撞结合过程中，基体中的铁元素部分向涂层进行扩散，涂层中的铬元素向基体中进行扩散，经过激光重熔，电弧喷涂涂层再次熔融，熔池粘度降低，加剧了铁、铬甚至氧元素的扩散。激光熔覆技术的特点是热源能量集中，工件表面至内部温度梯度大，熔覆层自冷却速率高，能够制备出非晶含量较高的铁基非晶／纳米晶复合涂层。
２．２ 熔覆涂层的显微硬度
图５为氩弧和激光熔覆涂层的硬度曲线。由图５可以看出，涂层重熔后硬度得到较大提高，涂层的硬度可达２０Ｇ钢管基体（～２００ＨＶ０．３）的５倍以上，涂层综合性能有更大提高。对于激光熔覆层来说，熔覆层以及基体界面的连接处硬度分布比较均匀。在热影响区和过渡区之间（大致从１．５ｍｍ到２．５ｍｍ）硬度变化缓慢并随着与表面距离的增加硬度缓慢降低，直至达到基体硬度。基材２０Ｇ样块测得硬度范围为：１７０～２００ＨＶ０．３，涂层激光重熔后硬度得到较大提高，约为基材的２～５倍，涂层综合性能有很大提高。与氩弧熔覆涂层相比，显微硬度相差不大，硬度变化曲线大致相同，这是因为氩弧熔覆和激光熔覆的方法，均备出非晶含量较高的铁基非晶／纳米晶复合涂层，而且非晶含量大致相同，经大量采样统计，非晶相所占体积分数均在５０％左右。
２．３ 熔覆层高温冲蚀磨损性能
分别对氩弧和激光熔覆层进行高温冲蚀磨损性能试验，试验结果见图６。由图６能够清晰地看出在４５°和９０°冲蚀角下熔覆层的总的高温冲蚀磨损量要远小于２０Ｇ钢总磨损量。经过高温冲蚀磨损之后，２０Ｇ钢高温冲蚀磨损失重量大约为氩弧熔覆层的２倍。而且在４５°冲蚀角下材料的冲蚀失重量比９０°时要大。熔覆层总的变化曲线是相似的，都显示了熔覆层具有良好的韧性和均匀性，并有着良好的耐冲蚀性能。这和微观组织分析的结果大致一样，即都制备了大致相同的非晶含量较高的铁基非晶／纳米晶复合涂层。
３ 结 论
（１）氩弧和激光熔覆层能够很好地解决一般热喷涂涂层结合不紧固的缺点，能谱分析表明，氩弧和激光熔覆层是具有冶金结合的熔覆层，基体中的铁元素和熔覆层中的铬元素相互渗透，并形成了共熔体。
（２）电镜分析表明，熔覆层内组织分布均匀，整个影响区域可以分为三个部分：熔覆层，过渡区，基体。整个区域内没有空隙，质地紧密，熔覆层中裂纹较少。
（３）熔覆层有着良好的耐高温冲蚀性能。其冲蚀类型介于塑性和脆性之间，并以塑性磨损为主，表现出比２０Ｇ钢更好的耐磨损性能。氩弧重熔合金涂层具有优异的综合力学性能、抗高温冲蚀磨损性能。
（４）氩弧熔覆工艺成本低廉，自动化程度高，适合在线作业，满足大规模生产与维护的需求。激光熔覆工艺由于其自身特点，设备复杂，运行和维护成本较高，不适合实施现场在线作业。
参考文献略
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