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Fe基激光熔覆层腐蚀失效分析及应对措施

激光熔覆作为一种重要的材料表面改性技术,主要是利用高能量密度的激光束作为热源,将合金粉末和基体表面同时熔化,并快速凝固后原位形成稀释度极低、与基体成冶金结合的表面熔覆层,显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐热及抗氧化等性能,从而达到表面改性的目的,具有冶金结合牢固、熔覆层性能优异、对环境无污染等优点。激光熔覆技术不仅可以对磨损失效的机械装备进行再制造恢复其使用性能,而且能够对新的机械装备进行表面强化,延长其使用寿命,因此激光熔覆技术逐渐引起人们的关注,开始在煤机、矿山、石油及电力等行业产业化应用。目前,常用的激光熔覆材料有Fe基、Ni基、Co基、陶瓷复合材料等,由于Fe基粉末种类多、性能好、成本低等,在激光熔覆中得到广泛应用。Fe基激光熔覆层质量的好坏直接影响了装备表面激光熔覆强化的效果,在实际使用过程中,Fe基激光熔覆层会受激光熔覆材料、工艺、环境等因素的影响,从而出现磨损、腐蚀等形式的失效。


以煤机行业液压支架为例,液压支架作为机械化采煤的关键装备,主要起支撑并防止煤矸石和煤屑落入刮板输送机、隔离采空区的作用,对于煤矿安全具有重要的意义。由于煤矿井下湿度大,存在大量腐蚀介质,为了减少液压支架的腐蚀失效,延长使用寿命,常用的做法是对液压支架活柱、中缸表面进行电镀处理。随着国家对环境保护的重视,电镀行业面临的压力越来越大,应用激光熔覆技术在液压支架活柱、中缸表面制备Fe基熔覆层被越来越多地采用。基于此背景,本文以液压支架活柱、中缸为例,主要对Fe基激光熔覆层腐蚀失效进行分析,并提出一系列的应对措施。


一、Fe基熔覆层的制备


采用IGJR-4型数控半导体激光熔覆设备对液压支架活柱、中缸进行激光熔覆处理。激光熔覆材料选用Fe基自熔性合金粉末,根据液压支架活柱、中缸表面的性能要求和工况条件,选用不同成分配比的Fe基粉末。激光熔覆主要工艺参数如表1所示。

表1 激光熔覆主要工艺参数

液压支架活柱、中缸Fe基熔覆层制备的主要流程:清洗→激光熔覆→车削熔覆层→抛光熔覆层→质检→成品。针对旧的液压支架活柱、中缸,在上述流程开始之前增加车削疲劳层的过程。


二、Fe基激光熔覆层腐蚀失效分析


在实际使用过程中,由于激光熔覆Fe基粉末成分选用不合理、激光熔覆工艺参数不匹配等原因,液压支架活柱、中缸表面的Fe基激光熔覆层难免会出现腐蚀失效的现象,通常采用的腐蚀失效分析方法有外观形貌分析、化学成分分析、显微组织分析、盐雾腐蚀试验分析。

(1)外观形貌分析
观察液压支架活柱、中缸表面的Fe基熔覆层,当出现明显的点蚀、铁锈、腐蚀坑等缺陷时,表明Fe基熔覆层已经腐蚀失效。液压支架中缸表面Fe基激光熔覆层腐蚀失效与未腐蚀表面形貌对比如图1所示。

(a)未腐蚀表面形貌  (b)腐蚀失效表面

图1  液压支架中缸表面Fe基激光熔覆层腐蚀失效与未腐蚀表面形貌对比


(2)化学成分分析
采用手持式X射线荧光光谱仪对激光熔覆后的Fe基激光熔覆层进行化学成分分析,如图2所示。

图2 手持式X射线荧光光谱仪测试Fe基激光熔覆层成分


由图2可知,手持式X射线荧光光谱仪可以直接测出Fe基熔覆层的Cr含量。由于液压支架活柱、中缸所处矿井环境大多含有腐蚀介质,因此为了提升液压支架的使用性能,其活柱、中缸可以采用激光熔覆技术制备一层Fe基熔覆层,而要保证熔覆层的耐蚀性要求,熔覆层必须含有足够多的Cr,故激光熔覆时所用的激光熔覆材料为高Cr不锈钢Fe基自熔性粉末。然而,激光熔覆过程中熔覆层显微组织晶界处会析出碳化铬,当Cr含量不足时,会出现贫铬区,而贫铬区往往优先发生腐蚀,并且贫铬区的Cr含量相比未腐蚀区域偏低。因此,采用手持式X射线荧光光谱仪检测液压支架活柱、中缸表面Fe基熔覆层Cr含量,通过对比不同区域位置的Cr含量,初步判断Fe基熔覆层腐蚀失效的原因。

(3)组织分析
Fe基激光熔覆层腐蚀失效的一个重要原因是工艺匹配不合理,要确定腐蚀失效是否由工艺原因引起,需要对Fe基熔覆层进行组织分析。首先制备Fe基激光熔覆层金相观察试样,主要流程为取样→磨样→抛光→腐蚀,然后采用金相显微镜对金相组织进行观察。Fe基激光熔覆层显微组织对比如图3所示。

(a)激光熔覆工艺匹配合理  (b)激光熔覆工艺匹配不合理

图3 Fe 基激光熔覆层显微组织对比


由图3可知,Fe基熔覆层显微组织主要包括平面晶、树枝晶。在熔覆层底部与界面结合处,温度梯度(G)与凝固速度(R)的比值G/R最大,组织以平面晶方式外延生长,而在熔覆层内部,主要为树枝晶。激光熔覆工艺匹配是否合理,对Fe基熔覆层的显微组织有着显著的影响。当激光熔覆工艺匹配合理时,Fe基熔覆层显微组织主要由平面晶与枝晶尺寸较小、分布相对均匀的树枝晶组成;当激光熔覆工艺匹配不合理时,Fe基熔覆层显微组织主要由平面晶与大小不一的树枝晶组成,由于晶界处易产生偏析,并且晶界处的电位一般低于晶粒内部,发生微电池反应,加速腐蚀的发生,因此会直接影响Fe基熔覆层的组织形貌,降低熔覆层的耐蚀性,在使用过程中更易失效。

(4)盐雾腐蚀试验分析
Fe基熔覆层的失效分析可以采用盐雾腐蚀试验来判断。制备Fe基熔覆层盐雾腐蚀试验样块,按照《人造气氛腐蚀试验盐雾试验GB/T10125—2012》规定进行盐雾试验。不同Fe基熔覆层48h盐雾腐蚀试验结果对比如图4所示。

a)腐蚀失效  (b)未腐蚀

图4 不同Fe基熔覆层48h盐雾腐蚀试验结果


由图4可知,相同试验条件下,图4a中Fe基熔覆层表面出现明显的锈蚀点,而图4b中Fe基熔覆层表面状况良好,未见锈蚀现象,这表明图4a中的Fe基熔覆层耐蚀性较差,在使用过程中更易发生失效现象。


三、减少Fe基激光熔覆层腐蚀失效的措施


结合失效分析的结果,减少Fe基激光熔覆层腐蚀失效的措施主要有以下几种:

(1)选择合适的激光熔覆粉末
理论和实践表明,激光熔覆粉末成分直接影响了熔覆层的耐蚀性。因此,要综合考虑工件表面的性能要求、环境条件和使用工况等因素,选用恰当的熔覆粉末材料。

(2)优化激光熔覆工艺参数
相同的粉末类型,激光熔覆工艺参数不同,所得的熔覆层耐蚀性也不同。激光功率、熔覆速度、熔覆搭接量、送粉量及保护气流量等工艺参数,会影响激光熔覆层的显微组织形貌,进而影响熔覆层的耐蚀性。通过合理匹配各工艺参数,可获得组织细密、均匀的熔覆层,减少Fe基激光熔覆层腐蚀失效的发生倾向。

(3)改进激光熔覆的工艺方法
在激光熔覆过程中,通过电磁搅拌、超声振动等方法,改善激光熔池内的对流运动,将树枝晶打碎,从而细化熔覆层组织,减少偏析和疏松,有助于抑制气孔和裂纹等缺陷的产生。由于Fe基熔覆层的腐蚀失效大多起源于气孔、裂纹处,因此减少气孔、裂纹的产生能够有效地减少Fe基熔覆层的腐蚀失效。

(4)细化激光熔覆过程的品质管理
在Fe基激光熔覆层制备过程中,要加强全过程的管理,例如,激光熔覆之前,严格按照激光熔覆粉末烘干规程进行烘干,待熔覆工件要进行彻底清洗,以减少Fe基熔覆层气孔的产生;激光熔覆时发现熔覆层缺陷要及时进行修补等。

参考文献:略

作者:丁紫阳,刘永超

单位:郑州职业技术学院

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