添加有機物對激光熔覆層耐腐蝕性能的影響

龍 騰，任棟宇，陳 坤，聶銘，賀沅瑋

(湖南交通工程學(xué)院 機電工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

1 引言

激光熔覆技術(shù)是發(fā)展較為成熟的一項先進制造技術(shù)，利用它，可以在價格便宜，性能一般的鋼材上熔覆一層性能較突出的涂層，使得普通的鋼材具有了較好的抗拉性能、耐摩擦性能、耐腐蝕性能等等，使得普通的鋼材也能應(yīng)用在各種工況條件惡劣，要求嚴苛的生產(chǎn)作業(yè)場合[1～3]。因為只是在普通廉價的鋼材表面熔覆不太厚的涂層，所以使用的貴重金屬材料并不是很多，故此可以大幅度降低生產(chǎn)成本，貴重而稀有的金屬材料得到大量的節(jié)約；與此同時還使得金屬零部件的壽命延長，服役時間增長，降低能源消耗，減少了環(huán)境污染[4～6]。

生產(chǎn)生活中有一種常見的現(xiàn)象——金屬腐蝕，按照性質(zhì)可以大致分為三大類：化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、物理腐蝕[7，8]。金屬或者非金屬材料與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生相互作用，從而引起材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)反生改變，使得材料發(fā)生破壞。金屬的化學(xué)腐蝕主要是指在生產(chǎn)作業(yè)過程中，較為活潑金屬原子與周圍環(huán)境介質(zhì)反生氧化還原反應(yīng)，生成的氧化物不具備金屬的物理性質(zhì)，導(dǎo)致金屬性能工作性能衰減。例如，碳鋼在空氣中發(fā)生了生銹現(xiàn)象等[9]。

因為金屬能與多重環(huán)境介質(zhì)放生反應(yīng)，所以金屬腐蝕是普遍存在的，且難以避免的，每年全世界金屬腐蝕使得金屬零部件喪失功能，造成大量的金屬破壞，占全年金屬產(chǎn)量較大的比例。據(jù)統(tǒng)計，大部分工業(yè)發(fā)達的國家，金屬腐蝕造成的直接損失可高達上億元，且造成大量的安全事故；2018年后，我國有金屬腐蝕造成經(jīng)濟損失已經(jīng)突破2萬億元[7]。由于腐蝕，金屬不能滿足日常服役需要，從而埋下隱患，尤其是應(yīng)力腐蝕，發(fā)生破壞前毫無征兆。特別是石油化工行業(yè)，70%的事故都是由于石油化工裝備被腐蝕而引起的；腐蝕破壞的金屬需要回爐再造，造成人力與能源的浪費。因此研究如何提高金屬腐蝕耐腐性能具有重大經(jīng)濟效益和社會意義[10，11]。

2 實驗材料和方法

(1)實驗基材采用廉價的鋼材Q235，將其切割成尺寸160 mm×55 mm×15 mm,打磨平整光滑，然后用脫脂劑清洗，接著清水、酒精、丙酮依次擦拭，最后進行噴砂處理,除去其表面油污，銹跡等異物，得到干凈平整的基材。

(2)熔覆采用的合金粉末成分為：C:0.12～0.2、Cr:16～18、Ni:2～3 、B:0.1～0.2、Si:0.1～0.25加入一定比例的的有機物，根據(jù)不同的配比，化學(xué)成分質(zhì)量百分比如表1。

表1 粉末成分

將松香溶解在酒精中，將1號粉末倒入溶劑中攪拌均勻，烘干，破碎，過80目篩，將1號粉末和2號粉末實驗前放入在45～60 ℃的干燥箱中，烘烤8 h以上,以去除粉末中的水分。采用同步送粉方式，1號粉末和2號粉末粉末,對應(yīng)的成形試件分別為試件1,試件2。采用側(cè)向同步送粉，激光器為武漢團結(jié)激光5 kW橫流CO2，激光工藝參數(shù)如表2。

表2 激光工藝參數(shù)

3 實驗結(jié)果分析

3.1 外觀形貌分析

從圖1可以看出，試件1的激光熔覆層，在熔覆過程中，幾乎沒有與空氣反生反應(yīng)，熔覆層表面具有明顯的金屬色澤，合金粉末中的合金元素流失較少。試件2的激光熔覆層表面，覆蓋著一層明顯的深色氧化物雜質(zhì)，相比試件1，試件2金屬質(zhì)感相差較大，說明在激光高溫下，合金粉末與空氣發(fā)生了氧化反應(yīng)，致使合金粉末中的合金元素氧化燒損很嚴重。

圖1 外觀形貌圖

3.2 腐蝕試驗

電化學(xué)腐蝕所用的實驗儀器采用的是武漢科思特CS系列化學(xué)工作站，模擬金屬在海水中的腐蝕。10 g氯化鉀、1～1.5 g瓊脂作為溶質(zhì)，30 mL純凈作為溶劑，加熱溶液使得溶質(zhì)完全溶解，將這種溶液作為鹽橋。一般情況用鉑或者石墨作為輔助電極，如圖2所示。

從表3和圖3來看，試件1的腐蝕電壓和腐蝕電流均高于試件2，試件1腐蝕速率為0.005 mm/a， 試件2腐蝕速率為0.046 mm/a，試件2的腐蝕速率是試件1的9倍左右，實驗結(jié)果表明：①電化學(xué)腐蝕速率與金屬本身含雜質(zhì)多少相關(guān)，結(jié)合圖1看，試件2包含氧化雜質(zhì)較多，故其腐蝕速率越快；②Cr和Ni能提高鋼材的耐腐蝕能力，添加有機物的試件1，在激光熔覆過程中，這兩種元素氧化燒損較少，故抗腐蝕能力較強。

圖2 腐蝕裝置示意

表3 腐蝕測試結(jié)果

圖3 激光熔覆層的電化學(xué)腐蝕

4 結(jié)論

在激光熔覆過程中,有機物對熔池起著保護的作用，防止液態(tài)金屬的氧化,緩解了合金粉末在熔覆過程中的氧化燒損，減少熔覆層氣孔夾渣缺陷的產(chǎn)生。故Cr和Ni損失較少，添加有機物激光熔覆層的耐腐性能大幅提升。