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,Fe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。激光熔覆主要工藝參數(shù)如表1所示。
表1 激光熔覆主要工藝參數(shù)
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。觀察液壓支架活柱、中缸表面的Fe基熔覆層,當出現(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如圖1所示。
(a)未腐蝕表面形貌 (b)腐蝕失效表面
圖1 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
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,如圖2所示。
圖2 手持式X射線熒光光譜儀測試Fe基激光熔覆層成分
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。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如圖3所示。
(a)激光熔覆工藝匹配合理 (b)激光熔覆工藝匹配不合理
圖3 Fe 基激光熔覆層顯微組織對比
由圖3可知,Fe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最大,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。當激光熔覆工藝匹配合理時,Fe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;當激光熔覆工藝匹配不合理時,Fe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。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)果對比如圖4所示。
a)腐蝕失效 (b)未腐蝕
圖4 不同F(xiàn)e基熔覆層48h鹽霧腐蝕試驗結(jié)果
由圖4可知,相同試驗條件下,圖4a中Fe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: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?shù)娜鄹卜勰┎牧稀?/span>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。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。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,待熔覆工件要進行徹底清洗,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。
作者:丁紫陽,劉永超
單位:鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院
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