CRDM鉤爪不同工藝鈷基合金堆焊層組織表征及性能研究

郭寶超 ，薛 松 ，蔣 恩 ，米大為 ，陳 亮 ，楊亞濤 ，李鑄國

（1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.上海第一機(jī)床廠有限公司，上海 201308；3.核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗室，廣東 深圳 518172）

0 前言

鈷-鉻合金是以鈷元素為基體的合金，一般稱為鈷基合金[1]。相對于鐵基、鎳基合金堆焊，鈷基合金在約650℃具有較高的強(qiáng)度、硬度以及耐磨性[2]。鈷基合金常用于高溫狀態(tài)下工作的零件表面。我國目前投入運(yùn)行或在建的核電站絕大多數(shù)為壓水堆核電站，特別是近年來CAP1400、華龍一號等的三代核電技術(shù)成為國家核電建設(shè)的重中之重[3]。其中控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的鉤爪部件是壓水堆一回路的運(yùn)動執(zhí)行部件，其形狀復(fù)雜精密，銷軸孔與齒部鈷基合金堆焊層組織與性能要求極高，同時在核電壓力容器內(nèi)的工作溫度約為400℃[4]，高溫水在一定壓力下在其中循環(huán)，帶來了劇烈的振動，組件間不斷摩擦，對組件間的連接部分的強(qiáng)度和耐磨性提出了非常高的要求，因此鈷基合金在高溫下高強(qiáng)度、高耐磨性的特點(diǎn)對保證核電站的安全運(yùn)行起到了非常重要的作用[5-6]。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，特別是激光焊等先進(jìn)焊接技術(shù)的應(yīng)用[7]，為鉤爪鈷基堆焊提供給了更多的可能。本研究通過激光熔敷、氧乙炔焊兩種工藝試驗，獲得滿足設(shè)計要求的工藝參數(shù)，并對這兩種工藝獲得的鈷基合金堆焊熔敷層進(jìn)行了組織表征與分析。

1 試驗材料

1.1 基板材料

試驗用00Cr18Ni10N是一種奧氏體不銹鋼，化學(xué)成分如表1所示。傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼通常面臨晶間腐蝕問題[8]，它是在一定溫度區(qū)間內(nèi)，奧氏體不銹鋼會沿晶界析出CrxC6碳化物，進(jìn)而引起晶界周圍貧鉻所致[9]。00Cr18Ni10N作為超低碳奧氏體不銹鋼，抗晶間腐蝕性優(yōu)于傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼，且具有較好的力學(xué)性能和加工性能，如表2所示，故廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

表1 00Cr18Ni10N的化學(xué)成分 %

表2 00Cr18Ni10N的主要力學(xué)性能

1.2 粉末材料

試驗所用合金粉末是Kennametal公司生產(chǎn)的Stellite6合金粉末[10]，化學(xué)成分如表3所示，其特點(diǎn)是含碳量較高，一般為1%，因此熔覆層的硬度較高，具有良好的耐磨粒磨損性能[11]和抗高溫耐腐蝕性能。力學(xué)性能如表4所示。

表3 Stellite6的化學(xué)成分 %

表4 Stellite6的主要力學(xué)性能

粉末形貌如圖1所示。

圖1 Stellite6合金粉末形貌

1.3 試驗工藝

試驗使用激光焊、氧乙炔兩種工藝對CRDM鉤爪表面進(jìn)行熔覆，進(jìn)而比較不同工藝方法對涂層組織及性能的影響。

激光焊工藝即激光熔覆技術(shù)[12]，是指以不同的添料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料經(jīng)激光輻射使之與表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體材料形成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱，抗氧化及電氣特性等的工藝方法[13]。它易實(shí)現(xiàn)選區(qū)熔覆，且具有熱變形小、熔覆層成分及稀釋率可控等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)為：設(shè)備昂貴，投資較高；熔覆前的準(zhǔn)備工作量大，工藝條件復(fù)雜；對工件和工藝要求高，成本高，不宜在施工現(xiàn)場操作，生產(chǎn)環(huán)境要求高等[14]。

氧乙炔工藝屬于火焰噴涂，它具有工藝設(shè)備簡單、操作方便、投資少、見效快、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)，在火焰噴涂中可采用的燃?xì)庥幸胰病⒈榈忍烊粴?，其中，乙炔的溫度高，?jīng)濟(jì)性好，所以一般用乙炔作為燃?xì)?。氧乙炔火焰粉末噴涂（焊）的原理為：噴涂粉末靠自重和氧氣的吸附作用不斷從料口進(jìn)入輸送粉末的氧氣中，并被該氣體加速。當(dāng)粉末被輸送到噴嘴出口處時，被氧-乙炔火焰加熱融化或接近融化的粉末以一定的動能高速噴向工件，形成涂層，涂層再經(jīng)火焰重熔而得到十分致密的噴焊層。氧乙炔火焰噴涂與電弧法、等離子法、激光法等相比，由于其有效溫度范圍和粉粒飛行速度低，因此孔隙率增加，結(jié)合強(qiáng)度降低，涂層質(zhì)量相對較差，不宜用于對涂層質(zhì)量要求很高的涂件[15]。

1.4 材料表征方法

1.4.1 顯微組織與成分分析

試驗采用ZEISS公司生產(chǎn)的AxioCam MRc5光學(xué)顯微鏡對熔覆層進(jìn)行微觀組織觀察，其放大倍數(shù)為25～1000倍。為了進(jìn)一步觀察涂層的顯微組織，采用VEGA 3 XMU（LaB6）型掃描電子顯微鏡對其組織進(jìn)行表征，并采用EDS能譜分析成分。

試驗需在金相顯微鏡下觀察，故需對樣品進(jìn)行腐蝕，腐蝕液為2號卡林腐蝕劑（CuCl25 g，HCl 100 ml，無水乙醇 100 ml）。

1.4.2 顯微硬度測試

采用Zwick/Roell ZHμ維氏硬度計分析測試熔覆層的顯微硬度。測試前使用1500#砂紙打磨樣品，除去表面層（如氧化、污染）對測試可能造成的影響。

2 熔覆層微觀組織結(jié)構(gòu)及成分分析

2.1 熔覆層的微觀組織結(jié)構(gòu)特征

熔覆層表面品質(zhì)的優(yōu)劣可根據(jù)熔覆層表面形貌和稀釋率兩個方面來判斷，即從宏觀上觀察熔覆層表面是否平整光滑、有無裂紋和氣孔等缺陷，從微觀上計算熔覆層稀釋率的大小[16]。

不同工藝下得到的Stellite6熔覆層橫截面形貌如圖2所示。由圖2可知，在不同工藝下，熔覆層的表面成形良好，證明熔覆金屬的潤濕性較好，二者表面均光滑平整，熔覆層內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔、裂紋等缺陷。

圖2 不同工藝下得到的Stellite6熔覆層橫截面形貌

2.2 兩種工藝條件下熔覆層的組織形態(tài)及演變

熔覆層組織是熔池在非平衡快速凝固過程中形成的，而合金在凝固過程中會發(fā)生成分過冷現(xiàn)象，該現(xiàn)象與溫度梯度（G）和凝固速度（R）有關(guān)，其中，G×R決定了晶體的尺寸，而G/R則決定了晶體的生長形態(tài)。其中，從熔覆層底部和母材的結(jié)合處開始到熔覆層頂部為止，G/R持續(xù)減小而成分過冷逐步增大，故一開始在結(jié)合處，由于G/R具有最大值，成分過冷程度最小，會形成平面晶，而在平面晶上方，因生長速率增大，溫度梯度減小，成分過冷程度變大，固液界面失去穩(wěn)定性，晶體呈胞狀生長。同理，在熔覆層中部，成分過冷程度更大，晶體生長進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲钌L。而在熔覆層頂部，由于溫度梯度小，且受表面空氣對流影響，會形成等軸晶，晶粒相對而言細(xì)小無序。

不同工藝下熔覆層中枝晶生長狀態(tài)如圖3所示，基本可根據(jù)凝固原理分為4個部分——靠近母材的平面晶、平面晶上分布的細(xì)小胞狀晶區(qū)、熔覆層內(nèi)面積最大的樹枝晶區(qū)以及分布在熔覆層頂端的等軸晶區(qū)。雖然可以清楚地看到熔覆層搭接的痕跡，熔覆層交接處出現(xiàn)平面晶和細(xì)小的胞狀晶，平面晶和胞狀晶上長出樹枝晶，但總體而言枝晶的生長狀態(tài)符合4個部分劃分。

圖3 熔覆層中枝晶生長狀態(tài)

由圖3可知，熔覆層與母材熔合良好，未觀察到裂紋、氣孔、固體夾雜、未熔合等問題，證明這兩種工藝所得的熔覆層的品質(zhì)都較好。

兩種工藝下熔覆層的枝晶臂枝晶直徑測量如圖4所示，激光焊、氧乙炔的枝晶臂直徑測量平均值分別為15.28 μm和21.71 μm，激光焊的枝晶臂直徑明顯小于氧乙炔工藝。由此可見，激光焊的冷卻速度（R）大于氧乙炔工藝，根據(jù)細(xì)晶強(qiáng)化原理，可簡單判斷激光焊的熔覆層力學(xué)性能方面應(yīng)好于氧乙炔熔覆層。

3 熔覆層力學(xué)性能表征

兩種工藝下得到的熔覆層的硬度分布如圖5所示，其中熔覆層硬度整體上為激光焊的高于氧乙炔的。由于它們的熔覆層均是多層搭接制成，因此硬度發(fā)生波動應(yīng)與搭接有關(guān)。

由圖4可知，激光焊的枝晶臂直徑明顯小于氧乙炔焊工藝，因此具有一定的細(xì)晶強(qiáng)化作用，硬度更高。兩種熔覆層母材相同，均為00Cr18Ni10N，但由圖5可知，兩種母材的硬度有細(xì)微差異，經(jīng)分析母材來源于鑄錠，而鑄錠的成分往往不夠均勻，所以存在硬度的差異。根據(jù)資料顯示，00Cr18Ni10N的硬度小于等于220 HV，圖中兩種熔覆層的母材部分的硬度是符合國標(biāo)的。

兩種工藝下熔覆層線掃描成分如圖6所示。由圖6可知，激光焊和氧乙炔工藝所得熔覆層中的Fe含量明顯低于母材，并且在熔合線處顯示出陡降特征，證明二者熔覆層的稀釋率均很低。Cr含量表現(xiàn)出緩升現(xiàn)象，這與Cr在奧氏體不銹鋼母材00Cr18Ni10N與鈷基合金熔敷層中含量差異有關(guān)。00Cr18Ni10N中Co含量低，在熔合線附近急劇攀升，并在熔合線以外極窄區(qū)域內(nèi)達(dá)到相對穩(wěn)定值，同樣說明兩種工藝均具備極低的稀釋率。Si與C含量呈現(xiàn)出類似特種。這與圖3的組織分析相一致。因此可判斷兩種熔覆層表面品質(zhì)比較好。

圖4 兩種工藝下熔覆層的枝晶臂直徑測量

圖5 兩種工藝下得到的熔覆層的硬度分布

圖6 兩種工藝下熔覆層線掃描成分

4 結(jié)論

（1）激光焊和氧乙炔的熔覆層結(jié)合處界面較為平直、稀釋率低，熔覆層中Fe含量明顯低于母材，兩種工藝的熔覆層表面品質(zhì)都較好。

（2）兩種工藝的熔覆層的枝晶生長狀態(tài)有靠近母材的平面晶、平面晶上分布的細(xì)小的胞狀晶區(qū)、熔覆層內(nèi)面積最大的樹枝晶區(qū)以及分布在熔覆層頂端的等軸晶區(qū)；激光焊和氧乙炔的枝晶臂直徑測量值分別為15.28 μm和21.71 μm，激光焊的枝晶臂直徑小于氧乙炔工藝的；激光焊的熔覆層力學(xué)性能等方面好于氧乙炔熔覆層。

（3）兩種工藝的熔覆層硬度整體上是激光焊的高于氧乙炔的；兩種熔覆層均是多層搭接制成，硬度的波動與稀釋率有關(guān)。