稀土元素對(duì)油管激光合金化層組織及性能影響

孫小磊 韓 彬

(1.海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

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稀土元素對(duì)油管激光合金化層組織及性能影響

孫小磊1韓 彬2

(1.海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

在N80油管表面預(yù)置Ni-Cr-Ti-B4C-La2O3合金粉末，通過激光處理獲得與基體冶金結(jié)合良好的合金化層，研究La2O3添加量對(duì)激光合金化層組織和性能的影響。利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和顯微硬度計(jì)對(duì)合金化層的組織及顯微硬度進(jìn)行測(cè)試分析，利用電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試合金化層的動(dòng)電位極化曲線。結(jié)果表明，La2O3添加量影響N80油管表面激光合金化層原位生成TiB2，TiC相的尺寸及分布、硬度及耐蝕性。當(dāng)La2O3的加入量為0.5%時(shí)，激光合金化層中TiB2，TiC增強(qiáng)相細(xì)小且分布均勻，硬度最高，耐蝕性得到改善。

N80油管 激光合金化 顯微組織 顯微硬度 耐蝕性

0 序 言

目前，中國(guó)許多油田已進(jìn)入中后期開采階段，油管的腐蝕與管桿偏磨問題日益加劇[1-2]，已嚴(yán)重影響油田的正常生產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)油管腐蝕問題，國(guó)內(nèi)外油管的防腐蝕方法主要有注入緩蝕劑、使用耐蝕合金管材、陰極保護(hù)、使用防腐蝕涂層管材，但存在通用性差、成本過高、易老化等問題。針對(duì)管桿偏磨問題，有相當(dāng)部分的解決措施為機(jī)械方式，例如扶正器等，但無法從根本上解決此問題。

激光合金化是在高能量激光束的照射下，使基體材料表面一薄層與根據(jù)需要加入的合金元素相互作用，以達(dá)到表面改性的目的。目前，通過這種方法在基體中加入或合成碳化物，硼化物，氮化物和其它金屬間化合物等強(qiáng)化相制造高性能復(fù)合材料[3-4],但目前激光合金化在N80油管方面的應(yīng)用研究報(bào)道較少[5]。稀土作為活性元素，在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域及激光表面改性領(lǐng)域早有應(yīng)用，研究表明稀土可起到細(xì)化晶粒、凈化焊縫的作用[6]。因此，文中采用激光合金化方法對(duì)N80油管的內(nèi)壁進(jìn)行改性，研究稀土元素含量對(duì)油管合金化涂層的影響，以期進(jìn)一步改善油管的耐腐蝕性能以及減弱或防止管桿偏磨，具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)方法與材料

試驗(yàn)用N80油管的化學(xué)成分見表1。所用合金粉末為Ni，Cr，Ti，B4C，La2O3，其中Ni，Cr，Ti的粒度為2.05 mm，B4C石墨的粒度為2.81 mm，純度大于99%。合金粉末配比見表2，其中Ti與B4C配比為摩爾比3∶1。

表1 N80油管鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 合金粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

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(yù)置法進(jìn)行鋪粉，預(yù)置粉末厚度為0.2 mm。利用DL-HL-T5000WCO2橫流激光器進(jìn)行合金化，光斑直徑為3.0 mm，合金化過程采用氬氣側(cè)吹法進(jìn)行保護(hù)，氬氣流量為10 L/min。激光輸出功率為2.8～3.1 kW。激光掃描速度為700 mm/min，多道搭接率為40%。

N80油管激光合金化后，截取其橫截面，用水砂紙進(jìn)行研磨拋光，采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行顯微組織分析，電子探針進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分定性分析，顯微硬度測(cè)定儀測(cè)量硬度，硬度計(jì)載荷200 g。用電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)合金化涂層進(jìn)行耐蝕性分析，腐蝕介質(zhì)為3.5%NaCl溶液。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 組織形貌分析

添加不同含量La2O3的合金化層的組織如圖1所示。由圖1a可見，TiC，TiB2顆粒從基體中原位形核、長(zhǎng)大，熱力學(xué)性能穩(wěn)定，與金屬基體浸潤(rùn)性好。顆粒相TiB2，TiC多呈顆粒狀或不規(guī)則多邊形狀鑲嵌在Ni基奧氏體中，尺寸較小，分布也多不均勻。由圖1a～1c可知，當(dāng)加入0.5%La2O3時(shí)，TiB2，TiC增強(qiáng)相的尺寸減??；當(dāng)La2O3的加入量由0.5%增加到1%時(shí)，隨著La2O3加入量的增加，TiB2，TiC增強(qiáng)相的尺寸亦隨之增加，且明顯可見La2O3的加入均起到細(xì)化基體晶粒的作用。這是由于添加的La2O3在高能激光束作用下發(fā)生分解，一部分與硫、磷、硅等有害元素形成低熔點(diǎn)共晶化合物，凝固后隨熔體上浮形成熔渣，一部分生成可作為形核核心的稀土化合物，使TiB2，TiC顆粒形核數(shù)量增加，有效增加TiB2，TiC彌散分布的幾率，同時(shí)La2O3的加入改善了合金化區(qū)的組織形貌，組織更加致密。當(dāng)La2O3添加量增加到2%時(shí)，在合金化區(qū)底部形成包裹整個(gè)合金化區(qū)的粗晶區(qū)，如圖1d所示。圖1e為圖1d中粗晶區(qū)的掃描電鏡組織形貌，可以看出，粗晶區(qū)內(nèi)TiB2，TiC增強(qiáng)相尺寸減少，同時(shí)數(shù)量也有所減少。這可能是由于過量的La2O3與C發(fā)生反應(yīng)生成稀土碳化物，對(duì)基體細(xì)化作用減弱，同時(shí)熔池底部對(duì)流弱，晶粒隨之長(zhǎng)大。

圖1 合金化層顯微組織

2.2 顯微硬度分析

由于La2O3的加入量影響合金化層中TiB2，TiC晶粒的尺寸、形態(tài)和分布，合金化層的性能也發(fā)生變化。圖2為合金化層的硬度與La2O3含量之間的關(guān)系曲線。由圖可知，當(dāng)La2O3含量為0.5%時(shí)，合金化層的平均硬度值比未加入La2O3時(shí)高30 HV0.2左右，達(dá)到580 HV0.2。當(dāng)La2O3含量增至1%時(shí)，合金化層硬度比未加入La2O3時(shí)降低約30 HV0.2。當(dāng)La2O3含量進(jìn)一步增加到2%時(shí)，合金化層硬度降至525 HV0.2。因此可見,當(dāng)La2O3含量為0.5%時(shí)可在Ni-Cr-Ti-B4C合金粉末基礎(chǔ)上達(dá)到進(jìn)一步提高耐磨性的目的。

合金化層中適量La2O3對(duì)TiC和基體金屬起到細(xì)化晶粒和增加形核核心的作用，也凈化了合金化層的組織。形核核心的增多，增加了TiB2，TiC增強(qiáng)相彌散分布的幾率，使得合金化層的微觀晶界增加，提高了合金化層的強(qiáng)度和韌性。但當(dāng)合金化層中La2O3加入量超過1%后，會(huì)導(dǎo)致合金化層硬度的降低。這可能是因?yàn)樘砑舆^量La2O3時(shí)，超過與氧、硫反應(yīng)所需用量，La2O3將生成LaCx，及出現(xiàn)La-Fe-C三元化合物，這將減少γ體中固溶的含碳量，降低合金化層硬度。

圖2 La2O3含量與合金化層硬度關(guān)系曲線

2.3 耐蝕性分析

2.3.1 開路電位Ecorr分析

開路電位Ecorr反映了材料的腐蝕熱力學(xué)傾向。未加La2O3和加入0.5%La2O3時(shí),合金化試樣在腐蝕液中電極電位隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖3所示?？梢钥闯?，未加La2O3和加入0.5%La2O3時(shí)合金化試樣的電極電位隨著時(shí)間的延長(zhǎng)是緩慢降低的，加La2O3的合金化試樣的最終電極電位高于未加La2O3合金化試樣的最終電極電位。電極電位隨時(shí)間變化的曲線可以顯示耐蝕材料表面狀態(tài)在腐蝕介質(zhì)中由活化態(tài)逐漸鈍化的過程。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，表面鈍化膜從無到有、從疏松到致密，鈍化膜完全形成后，其電極電位就達(dá)到了平衡。平衡電極電位越高，說明材料腐蝕傾向越小。加入La2O3后的合金化試樣最終電極電位高于未加La2O3時(shí)的電極電位，這說明加入適量的La2O3能夠使表面產(chǎn)生更加致密和完整的氧化物保護(hù)膜，有利于提高材料的耐蝕性能。

圖3 開路電位與時(shí)間的關(guān)系

2.3.2 極化曲線分析

未加La2O3和加入0.5% La2O3的動(dòng)電位極化曲線如圖4所示。通過極化曲線擬合的未加La2O3和加入0.5% La2O3的腐蝕電流密度分別為0.302 μA/cm2和0.125 μA/cm2?？梢钥闯觯尤?.5% La2O3的合金化試樣的腐蝕電流密度低于未加La2O3的合金化試樣的腐蝕電流密度，說明加La2O3的合金化試樣的耐蝕性能較好。

圖4 動(dòng)電位極化曲線

3 結(jié) 論

(1)La2O3的添加影響N80油管表面激光合金化層原位生成TiB2，TiC相的尺寸及分布。當(dāng)La2O3的加入量為0.5%～2%時(shí)，隨著La2O3加入量增加，TiB2，TiC相的尺寸先增加后減?。划?dāng)La2O3的加入量為0.5%時(shí)，TiB2，TiC增強(qiáng)相細(xì)小且分布均勻。

(2)La2O3的添加影響N80油管表面激光合金化層的硬度。當(dāng)La2O3的加入量為0.5%～2%時(shí)，隨著La2O3加入量增加，合金化層的硬度先升高后降低；當(dāng)加入0.5%的La2O3時(shí)，合金化層的硬度最高，可達(dá)580 HV0.2，比基體高30 HV0.2左右；當(dāng)La2O3加入量超過1%，合金化層的硬度低于未加La2O3的硬度值。

(3)La2O3的添加可改善N80油管表面激光合金化層的耐蝕性。與未添加La2O3相比，La2O3的加入量為0.5%時(shí)，腐蝕電流密度由0.302 μA/cm2降低到0.125 μA/cm2。

(4)N80油管表面采用Ni-Cr-Ti-B4C-La2O3合金粉末進(jìn)行激光合金化改性，建議La2O3的加入量為0.5%。

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2017-02-13

TG47

孫小磊，1983年出生，碩士，工程師。主要從事海洋鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)等方面工作，已發(fā)表論文20余篇。