Mo對N80油管激光合金化層組織及性能的影響

郭浩霖，韓 彬

（1.海洋石油工程股份有限公司檢驗公司，天津300452；2.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島266580）

Mo對N80油管激光合金化層組織及性能的影響

郭浩霖1，韓 彬2

（1.海洋石油工程股份有限公司檢驗公司，天津300452；2.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島266580）

為了研究不同Mo添加量對N80油管激光合金化層組織和性能的影響，在N80油管表面預置Ni-Cr-Ti-B4C-Mo合金粉末，通過激光處理獲得與基體冶金結合良好的合金化層，并對激光合金化層的組織、化學成分及顯微硬度進行測試分析。結果顯示，Mo添加量為5%～10%時，隨著Mo含量的增加，α-Fe固溶體晶粒細化效果越明顯，增強相TiB2、TiC含量增多，體積增大，分布更為均勻；當Mo的加入量為5%時，激光合金化層中TiB2、TiC增強相含量最多，硬度最高。研究表明，從耐磨性角度考慮，建議Mo的添加量為5%。

N80油管；激光合金化；顯微組織；硬度

原位合成增強顆粒復合法是一種新型的金屬基復合材料制備方法，能夠避免顆粒外加產(chǎn)生的諸多問題，如顆粒燒損、界面污染、增強相分解等。原位合成技術主要有鑄造原位合成技術、熔覆原位合成技術等。采用激光作為熱源，利用熔覆原位合成技術在材料表面原位合成含有TiCTiB2增強相的熔覆層，即在基體材料表面預置TiC、TiB2合金粉末，利用激光熱源加熱熔化，在熔池內(nèi)部反應原位生成TiC、TiB2增強顆粒，使基體表面形成冶金結合的復合材料熔覆層。這種熔覆層充分利用了TiC和TiB2的高硬度、高熔點、高模量、耐沖擊和高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)異力學性能[1-2]，使材料表面具備了高耐磨損性能，既延長了材料的使用壽命，又提高了材料的強度，能夠滿足一些惡劣工況下部件的修復，在很多需要提高部件磨損性能的場合也得到應用，而且由這種表面改性方法制備具有特殊性能的功能熔覆層，工藝比較簡單，成本低廉，有著重要的工程應用價值。但是，金屬陶瓷復合材料原位合成技術存在著增強相偏聚及增強相體積小、數(shù)量少等問題，影響了復合材料組織的均勻性與性能的穩(wěn)定性，阻礙了該技術的推廣和應用[3]。同時，增強相與基體的結合強度，以及合金元素與基體的熔合效果都影響著合金化的效果。已有研究表明，在激光合金化技術中，Mo可以改善液態(tài)金屬Fe對增強相的潤濕性，溶入α-Fe相中，起固溶強化粘結相的作用[4]。目前，我國許多油田已進入中后期開采階段，油管的腐蝕與管桿偏磨問題日益加劇[5-7]，激光合金化在N80油管方面的應用研究報道較少[8-9]。因此，本研究采用激光合金化對N80油管的內(nèi)壁制備TiC-TiB2增強相的鐵基熔覆層，分析Mo元素對N80油管合金化層組織和性能的影響，以期使合金化層的組織更加致密，各相間結合強度得到加強，合金化層性能得到一定提高。

1 試驗材料與方法

試驗用N80油管的化學成分見表1。所用合金粉末為Ni、Cr、Ti、B4C 和Mo。 其中，Ni、Cr、Mo、Ti的粒度為200目，B4C石墨的粒度為280目，純度大于99%。合金粉末配比見表2，Ti與B4C配比為摩爾比3∶1。

用砂紙將N80油管表面銹跡除去，并用丙酮清洗后干燥備用。采用粉末預置法進行鋪粉，預置粉末厚度為0.2 mm。利用DL-HL-T5000W CO2橫流激光器進行合金化，光斑直徑為3.0 mm，合金化過程采用氬氣側吹法進行保護，氬氣流量為10 L/min。激光輸出功率為2.8～3.1 kW，掃描速度為700 mm/min，多道搭接率為40%。

表1 N80油管鋼的化學成分 %

表2 合金粉末的化學成分 %

N80油管激光合金化后，截取其橫截面，用水砂紙進行研磨拋光，采用LEO-1450型掃描電鏡進行顯微組織分析；JEOLJXA-8100型電子探針進行微區(qū)化學成分定性分析；HX-1000T型顯微硬度測定儀測量硬度，載荷為200 g。

2 試驗結果和討論

2.1 組織形貌分析

圖1為添加不同Mo含量的合金化層顯微組織形貌。由圖1（a）可見，激光合金化層主要由TiC、TiB2增強顆粒和α-Fe固溶體組成，TiC、TiB2顆粒從基體中原位形核、長大，熱力學穩(wěn)定，與金屬基體浸潤性好。顆粒相TiB2、TiC多呈顆粒狀或不規(guī)則多邊形狀鑲嵌在α-Fe固溶體中，尺寸較小，分布也多不均勻。隨著Mo含量的增加，α-Fe固溶體晶粒細化效果越明顯，TiB2和TiC顆粒分布、含量及尺寸發(fā)生變化。當添加5%Mo時，明顯改善了Fe對增強相TiB2、TiC的潤濕性，使TiB2、TiC顆粒彌散分布于Fe基固溶體相中，合金化區(qū)顯微組織更加致密，微觀缺陷減少。另外，增強相TiB2、TiC含量最多，其尺寸較未添加Mo時也有所增加。這是由于Mo的加入改善了α-Fe相與TiB2、TiC增強相之間的潤濕性，增加了TiB2、TiC的形核質點，使增強相更加容易聚集長大。因為Mo的加入能形成一種包覆層結構（surrounding structure，簡稱SS相），增強相包覆Mo形核長大。當添加Mo的質量分數(shù)為10%時，進一步改善了TiC、TiB2在合金化區(qū)中的分布，α-Fe固溶體晶粒進一步細化。但是，基體組織細化的同時也會使增強相尺寸增加，SS相很脆，必須控制它的生長，當SS相厚度超過l μm時，合金化層強度也會下降；而SS相過分發(fā)達時，又會導致合金化層的耐磨性和韌性大大降低。

圖1 添加不同Mo含量合金化層SEM顯微組織

2.2 化學成分分析

圖2 w（Mo）為10%的激光合金化區(qū)截面背散射及線掃描圖

圖2為添加w（Mo）為10%的激光合金化區(qū)截面電子探針背散射圖像及元素線掃描圖譜。由圖2可知，B、C、Fe及Mo的含量波動平穩(wěn)，基本保持穩(wěn)定，說明Mo已彌散分布于固溶體及增強相中；Ni、Ti、Cr的含量在合金化層和基體的界面處出現(xiàn)較大變化，但合金化層波動較小，表明合金化層成分較為均勻。

圖3為激光合金化區(qū)的背散射圖像及線掃描圖譜。由圖3可知，Mo在Fe粘結相中具有一定的溶解度，說明Mo原子也向α-Fe晶格中擴散。Mo的固溶有利于提高粘結相的抗氧化性和高溫強度，同時改善對TiC相的潤濕性。C、B、Ti與Fe、Ni、Cr元素的線分布強度特征相反，尤其是Ti的含量變化非常明顯，由于Mo的加入使增強相體積增大，線掃描結果進一步證明了圖中黑色相為TiC、TiB2增強相。另外，還可以看出，α-Fe相與TiC、TiB2顆粒接觸緊密，粘附均勻，增強相顆粒周圍無氣孔、微裂紋等缺陷，界面潔凈，結合強度高。

圖3 激光合金化區(qū)背散射及線掃描圖

2.3 顯微硬度分析

圖4為激光合金化層表面至基體的硬度分布。從圖4可以看出，當w（Mo）為5%時合金化層硬度最高，達到630 HV0.2，未添加Mo時次之，而當Mo質量分數(shù)達到10%時合金化層硬度反而降低。這是由于Ti、C、B、Ni和Mo的原子半徑不同，形成固溶強化，有助于提高合金化層的硬度[10]，同時加入Mo后晶粒細化效果明顯，因此，加入Mo的質量分數(shù)為5%時的合金化層硬度更高。隨著Mo含量的增加，固溶強化效應是增強的，但是Mo含量太高時，TiB2及TiC增強相含量有所降低，合金化層硬度略有降低。

圖4 Mo含量與合金化層硬度的關系曲線

3 結 論

（1）N80油管激光熔覆Ni-Cr-Ti-B4C合金粉末，激光合金化層主要由原位生成的TiC、TiB2增強顆粒和α-Fe固溶體組成。

（2）Mo添加的質量分數(shù)為5%～10%時，隨著Mo含量的增加，α-Fe固溶體晶粒細化效果越明顯，增強相TiB2、TiC含量增多，體積增大，分布更為均勻。

（3）當Mo添加的質量分數(shù)為5%時，合金化層硬度得到顯著提高，但當Mo添加的質量分數(shù)為10%時，合金化層的硬度下降。

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Effect of Molybdenum Element on Microstructure and Properties of Laser Alloying Layers on N80 Oil Tube

GUO Haolin1,HAN Bin2
（1.China Offshore Oil Engineering Company Inspection Division,Tianjin 300452,China;2.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

In order to study the effect of different content of molybdenum element on microstructure and properties of laser alloying layers on N80 oil tube,the N80 oil tube surface was presented Ni-Cr-Ti-B4C-Mo alloying powders,the alloying layer which was metallurgical bonding with substrate was obtained through laser treatment.The microstructure,the distribution of the main alloying elements and microhardness of laser alloying layer were tested.The results showed that when the content of molybdenum element is between 5%and 10%,with the increase of molybdenum content the grain refinement of α-Fe solid solution is more obvious,and the volume content and size of the reinforcing phase TiB2and TiC which are well-distributed increase.When the content of Mo is 5%,the volume content of TiB2and TiC and the hardness of the laser alloying layer are highest.In terms of wear resistance,it is recommended that the content of molybdenum element is 5%.

N80 oil tube;laser alloying;microstructure;hardness

TG115.28

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.002

郭浩霖（1980—），男，工程師，主要從事材料、焊接相關研究及應用。

2016-07-12

李 超