激光熔覆作為一種重要的材料表面改性技術,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,具有冶金結合牢固、熔覆層性能優異、對環境無污染等優點。激光熔覆技術不僅可以對磨損失效的機械裝備進行再制造恢復其使用性能,而且能夠對新的機械裝備進行表面強化,延長其使用壽命,因此激光熔覆技術逐漸引起人們的關注,開始在煤機、礦山、石油及電力等行業產業化應用。目前,常用的激光熔覆材料有Fe基、Ni基、Co基、陶瓷復合材料等,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用。Fe基激光熔覆層質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、環境等因素的影響,從而出現磨損、腐蝕等形式的失效。以煤機行業液壓支架為例,液壓支架作為機械化采煤的關鍵裝備,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,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。隨著國家對環境保護的重視,電鍍行業面臨的壓力越來越大,應用激光熔覆技術在液壓支架活柱、中缸表面制備Fe基熔覆層被越來越多地采用?；诖吮尘?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,并提出一系列的應對措施。
一、Fe基熔覆層的制備
采用IGJR-4型數控半導體激光熔覆設備對液壓支架活柱、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如表1所示。
表1 激光熔覆主要工藝參數
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腐蝕失效的現象,通常采用的腐蝕失效分析方法有外觀形貌分析、化學成分分析、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,當出現明顯的點蝕、鐵銹、腐蝕坑等缺陷時,表明Fe基熔覆層已經腐蝕失效。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、中缸所處礦井環境大多含有腐蝕介質,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,會出現貧鉻區,而貧鉻區往往優先發生腐蝕,并且貧鉻區的Cr含量相比未腐蝕區域偏低。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,由于晶界處易產生偏析,并且晶界處的電位一般低于晶粒內部,發生微電池反應,加速腐蝕的發生,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》規定進行鹽霧試驗。不同Fe基熔覆層48h鹽霧腐蝕試驗結果對比如圖4所示。
a)腐蝕失效 (b)未腐蝕
圖4 不同Fe基熔覆層48h鹽霧腐蝕試驗結果
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生失效現象。
三、減少Fe基激光熔覆層腐蝕失效的措施
結合失效分析的結果,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、環境條件和使用工況等因素,選用恰當的熔覆粉末材料。相同的粉末類型,激光熔覆工藝參數不同,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,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,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基熔覆層氣孔的產生;激光熔覆時發現熔覆層缺陷要及時進行修補等。
作者:丁紫陽,劉永超
單位:鄭州職業技術學院
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