海水抽水蓄能機(jī)組過(guò)流部件表面熔覆奧氏體不銹鋼組織與性能研究

張奎良， 賈朋剛， 許佳麗， 程廣福

(1.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；2.水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (哈爾濱大電機(jī)研究所)，哈爾濱 150040；3.哈爾濱能創(chuàng)數(shù)字科技有限公司，哈爾濱 150028)

0 前言

目前，抽水蓄能電站是應(yīng)用最為廣泛的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一。傳統(tǒng)抽水蓄能機(jī)組采用淡水運(yùn)行，需要依靠江河湖泊進(jìn)行建設(shè)。而我國(guó)擁有廣闊的海岸線和豐富的海島資源，所以建設(shè)海水抽水蓄能電站有廣闊的發(fā)展前景。并且我國(guó)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)更加發(fā)達(dá)，電力系統(tǒng)峰谷差更為嚴(yán)重，新能源技術(shù)也在飛速發(fā)展，也急需儲(chǔ)能技術(shù)，所以研究和開(kāi)發(fā)海水抽水蓄能電站同樣存在一定的需求性[1-2]。

與常規(guī)的淡水抽水蓄能電站相比，海水抽水蓄能電站具有選址方便、無(wú)需建設(shè)下水庫(kù)、水位變化小等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。但海水具有強(qiáng)烈的腐蝕性，因此相對(duì)于傳統(tǒng)淡水機(jī)組來(lái)說(shuō)，海水抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)組的過(guò)流部件的腐蝕防護(hù)問(wèn)題是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的最為關(guān)鍵的問(wèn)題[5-6]。淡水環(huán)境下抽蓄機(jī)組常選用普通碳鋼材料，由于其耐腐蝕性較差，在不采取有效的防護(hù)措施的情況下，已無(wú)法滿足海水環(huán)境下的服役要求[7]?？紤]到制造成本，海水抽水蓄能機(jī)組的水輪機(jī)部件，如蝸殼、尾水肘管及擴(kuò)散段等將由碳鋼鋼板制造，但需采取表面防護(hù)措施[8]。采用有機(jī)涂層涂覆[9]或電弧噴涂[10-11]可對(duì)碳鋼表面進(jìn)行腐蝕防護(hù)，但這些部位的流速高，有機(jī)涂層和電弧噴涂界面結(jié)合力較低，并且防護(hù)層厚度較小，因此在海水中易發(fā)生防護(hù)層破損[12-13]，所以有必要完善海水抽蓄高流速過(guò)流面腐蝕防護(hù)技術(shù)。

日本建造的第一座海水抽水蓄能電站的過(guò)流部件均采用316L進(jìn)行制造，基于此本文提出碳鋼表面熔覆316L奧氏體不銹鋼耐蝕層的方法對(duì)海水抽蓄用碳鋼表面進(jìn)行防護(hù)。而針對(duì)海水抽蓄機(jī)組，應(yīng)用碳鋼表面熔覆奧氏體層的應(yīng)用研究還未見(jiàn)報(bào)道。所以，本文針對(duì)海水抽水蓄能用鋼耐蝕性問(wèn)題，對(duì)低水頭下蝸殼常用的Q345B鋼的表面開(kāi)展了機(jī)器人堆焊熔覆試驗(yàn)，隨后對(duì)其表面熔覆的顯微組織和性能進(jìn)行了研究，并通過(guò)滲透探傷、電化學(xué)試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)對(duì)熔覆層的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 熔覆層制備

焊接機(jī)器人為日本安川的MA1440，焊接電源為福尼斯TPS-3200-CMT。選擇ER316L為表面熔覆層材料，為防止316L堆焊層發(fā)生裂紋等焊接缺陷并防止Cr和Ni被稀釋，選擇ER309L為過(guò)渡層材料。堆焊熔覆前首先對(duì)待焊工件進(jìn)行表面清理，使工件表面露出金屬光澤，然后使用酒精對(duì)表面進(jìn)行清洗，消除表面的油污等污漬。根據(jù)工藝驗(yàn)證性試驗(yàn)，選擇了成型效果良好的堆焊熔覆工藝參數(shù)，見(jiàn)表1。利用該參數(shù)開(kāi)展了Q345B鋼板熔覆試驗(yàn)，熔覆過(guò)程中先熔覆第一層的309L，再熔覆兩層316L。

表1 堆焊工藝參數(shù)

1.2 分析方法

分別沿平行和垂直于焊道的方向取樣，依次使用150號(hào)、400號(hào)、800號(hào)、1000號(hào)的砂紙對(duì)其打磨，再使用金剛石研磨膏拋光后腐蝕，腐蝕劑選用王水。使用ZEISS Stemi-2000C體式顯微鏡觀察試樣宏觀形貌，使用ZEISS Observer.A1m光學(xué)顯微鏡觀察試樣顯微組織。利用S-3700N掃描電鏡配套的BRUKER XFlash Detector 630M能譜分析儀 (EDS)進(jìn)行微區(qū)成份分析。使用MHV-2T顯微硬度計(jì)對(duì)試板開(kāi)展硬度測(cè)試，載荷選擇為4.903N，加載時(shí)間選擇為15s，每個(gè)位置測(cè)量3次，取平均值。PT滲透檢測(cè)試板表面狀態(tài)為機(jī)加工，滲透劑型號(hào)、清洗劑型號(hào)及顯像劑型號(hào)為DPT-5，滲透時(shí)間為15min。使用WE-300液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行彎曲工藝評(píng)定。使用Zahner Zennium電化學(xué)工作站開(kāi)展電化學(xué)測(cè)試，工作站使用標(biāo)準(zhǔn)的三電極體系，鉑電極作為輔助電極，飽和甘汞電極和鹽橋組成參比電極，試驗(yàn)溶液為3.5%NaCl溶液。電化學(xué)試樣試驗(yàn)前分別使用150號(hào)、400號(hào)、800號(hào)的砂紙對(duì)試樣進(jìn)行打磨，置于丙酮中，使用超聲清洗15min，隨后使用去離子水清洗，并吹干。

2 結(jié)果與討論

2.1 組織與性能研究

2.1.1 宏觀形貌

平行和垂直于焊道的Q345B熔覆層試樣的斷面宏觀形貌如圖1所示。從圖中觀察到截面的組織可分為4個(gè)區(qū)域，即熔覆層、過(guò)渡層、熱影響區(qū)和基體。Q345B基體與309L過(guò)渡層，309L過(guò)渡層與316L熔覆層的熔合線清晰，界面呈波形，無(wú)宏觀裂紋等缺陷，堆焊層厚度約為2.5mm，每波長(zhǎng)度為1.4mm，波形界面的存在是界面結(jié)合良好的重要標(biāo)志。

圖1 截面宏觀組織

2.1.2 顯微組織

2.1.2.1 金相組織分析

圖2為不同部位的熔覆層的顯微組織照片，在圖2(a)中可見(jiàn)熱影響區(qū)與309L過(guò)渡層之間的界面存在白亮層，表明熔覆層同碳鋼基體的界面結(jié)合為冶金結(jié)合。劉喜明等[14]在Q235表面激光熔覆Ni60A時(shí)，界面結(jié)合處同樣存在白亮層。進(jìn)一步觀察組織變化，可見(jiàn)熔覆層顯微組織在熔覆層底部為平面晶，隨后演變?yōu)榘麪罹?，再演變?yōu)榇执蟮闹鶢顦?shù)枝晶，到熔覆層表面演變?yōu)檩^細(xì)的樹(shù)枝晶。

胞狀晶和柱狀樹(shù)枝晶均沿垂直于結(jié)合面的方向生長(zhǎng)，這是因?yàn)榇怪庇诮缑娴姆较驕囟忍荻茸畲?，且垂直于界面方向由于基體的冷卻作用使得該方向散熱更快。凝固在熔池底部最先發(fā)生，隨后向熔池頂部方向凝固，由于基體鋼板的冷卻作用大，沿著垂直于基體的方向熱量散失最為迅速，所以在垂直于基體方向的溫度梯度最大，而在平行于基體方向，溫度梯度則很小，因此堆焊熔覆時(shí)液態(tài)金屬在冷卻凝固過(guò)程中存在一定的方向性。通過(guò)圖2(d)可知，在接近熔覆層頂部時(shí)，出現(xiàn)了組織稍細(xì)且取向改變的枝晶。這主要是由于此處熔池的頂面距離基體鋼板已有一定距離且基體溫度也已升高，導(dǎo)致基體的熱傳導(dǎo)散熱顯著降低，固/液界面前沿的溫度梯度降低，主要的熱流散失方向發(fā)生了改變。該處熔覆層堆焊過(guò)程主要通過(guò)與空氣及高速流動(dòng)的保護(hù)氣體的對(duì)流和熱輻射進(jìn)行散熱，所以在對(duì)流散熱和已凝固合金熱傳導(dǎo)的雙重作用下，熔覆層中生成了取向改變的細(xì)小晶粒。堆焊層內(nèi)部組織整體致密均勻、無(wú)夾雜物、氣孔、顯微裂紋等顯微缺陷，熔覆層組織控制良好。

圖2 顯微組織

熔覆層的組織形態(tài)主要取決于界面前沿溫度梯度G和凝固速率R的比值，即G/R值[15-17]。在堆焊熔覆過(guò)程中，熱量主要是通過(guò)與基體和周圍環(huán)境交互作用進(jìn)行散熱。當(dāng)剛開(kāi)始進(jìn)行熔覆時(shí)，基體溫度相對(duì)較低，基體與熔液的界面處溫度梯度較大，而此時(shí)熔液的凝固速率非常小，所以G/R的值很高，凝固開(kāi)始時(shí)形成平面晶。而隨著固/液界面向熔池內(nèi)部的推進(jìn)，固/液界面溫度梯度降低，成份過(guò)冷增大，G/R的值降低，最終導(dǎo)致平面晶向包狀晶、柱狀樹(shù)枝晶演變[18-19]。

為考察堆焊熔覆熱循環(huán)對(duì)母材組織的影響，觀察了熱影響區(qū)及未受熱影響區(qū)顯微組織，如圖3所示。由圖3可知熔合區(qū)附近母材過(guò)熱區(qū)組織為粒狀貝氏體和粗針狀、塊狀鐵素體、少量珠光體；母材粗晶區(qū)組織為粒狀貝氏體和塊狀鐵素體及少量珠光體；母材重結(jié)晶顯微組織由細(xì)粒鐵素體和少量珠光體組成；母材不完全重結(jié)晶區(qū)組織由鐵素體和經(jīng)相變分解的珠光體組成。母材組織由鐵素體和珠光體組成，呈帶狀分布，熱影響區(qū)組織中未見(jiàn)異常組織。

圖3 母材及熱影響區(qū)組織

2.1.2.2 元素分布與成份分析

界面處元素的分布顯著影響結(jié)合層性能，決定了堆焊熔合金各組成元素的冶金過(guò)程。為了深入理解堆焊條件下主要元素的分布情況，使用掃描電鏡能譜對(duì)結(jié)合層附近的宏觀元素分布開(kāi)展表征，得到了主要元素Fe、Cr、Ni的面掃和線掃結(jié)果。圖4和圖5分別為Q345B/309L過(guò)渡層和309L過(guò)渡層/316L熔覆層的EDS能譜面掃照片。由面掃圖可直觀觀察到Q345B碳鋼與309L不銹鋼過(guò)渡層的熔合線清晰，界面結(jié)合良好。316L熔覆層與309L過(guò)渡層的Fe含量相近，如圖5(b)所示，316L堆焊層的Cr和Ni含量大于309L過(guò)渡層的Cr和Ni含量，如圖5(c)～(d)所示，但ER309L中Cr和Ni的含量是高于ER316L的，說(shuō)明碳鋼表面熔覆過(guò)程中施加309L過(guò)渡層，可以控制316L熔覆層的元素稀釋。

圖4 Q345B與309L過(guò)渡層面掃照片

元素線掃描曲線結(jié)果如圖6所示，縱坐標(biāo)為相對(duì)計(jì)數(shù)強(qiáng)度。從分析結(jié)果可以看出，309L過(guò)渡層與Q345B碳鋼中的合金元素發(fā)生了相互擴(kuò)散，309L過(guò)渡層中Cr和Ni元素穿過(guò)結(jié)合面向Q345B基體中擴(kuò)散，Q345B基體中的Fe元素穿過(guò)結(jié)合面向309L過(guò)渡層覆層擴(kuò)散，在界面處形成一個(gè)互擴(kuò)散區(qū)域，并且元素?cái)U(kuò)散過(guò)程是連續(xù)的，表明界面處形成了冶金結(jié)合過(guò)渡區(qū)，即 Q345B與309L過(guò)渡層，309L過(guò)渡層與316L熔覆層均為擴(kuò)散型冶金結(jié)合。擴(kuò)散使得兩種不同合金中的原子相互作用的機(jī)會(huì)增加，增強(qiáng)兩種合金之間結(jié)合，利于結(jié)合面的冶金結(jié)合，提高堆焊層與基體的的結(jié)合強(qiáng)度。

2.1.3 顯微硬度

熔覆層顯微硬度的分布，同樣影響耐蝕層的性能。Q345B碳鋼表面熔覆不銹鋼的顯微硬度分布如圖7所示，測(cè)量方向由基體延伸到316L熔覆層中部。遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的Q345B基體組織硬度分布較為均勻，基體硬度在165～170HV之間。熔覆層底部熱影響區(qū)的基體金屬受到淬硬效應(yīng)的影響，硬度可增加至200HV，這說(shuō)明熔覆淬硬效應(yīng)對(duì)基材力學(xué)性能影響較大，越接近堆焊層的熱影響區(qū)的硬度越大。309L和316L的堆焊層硬度在205HV左右，均大于Q345B碳鋼基體硬度。

圖7 維氏硬度分布曲線

從熔覆層到基體，硬度呈梯度分布，這種呈梯度分布的硬度對(duì)提高鋼板熔覆層性能是有利的。通常堆焊熔覆后，熔覆層內(nèi)部會(huì)存在較高的內(nèi)應(yīng)力，而梯度分布的硬度可以使得熔覆層與基體之間的內(nèi)應(yīng)力獲得了平穩(wěn)過(guò)渡，降低熔覆層失效的趨勢(shì)[15]。此外，提高表面熔覆層的硬度，同時(shí)能改善過(guò)流面的耐沖蝕性。

2.2 工藝評(píng)定

2.2.1 滲透檢測(cè)

為確定熔覆層表面是否存在裂紋或孔洞等缺陷，開(kāi)展了滲透探傷測(cè)試。滲透探傷結(jié)果如圖8所示，結(jié)果表明，熔覆層內(nèi)表面無(wú)圓形或線性顯示，堆焊層缺陷控制良好。

圖8 試板的滲透檢測(cè)照片

2.2.2 彎曲性能研究

碳鋼表面熔覆的奧氏體不銹鋼耐蝕層經(jīng)PT探傷后，按照QW-453表面耐蝕層堆焊的工藝/技能評(píng)定厚度范圍和試樣進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)。圖9是碳鋼表面熔覆奧氏體不銹鋼耐蝕層后的彎曲試驗(yàn)結(jié)果，可以看出側(cè)彎和正彎試樣彎曲后都未發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂紋。

圖9 熔覆奧氏體不銹鋼耐蝕層的工藝評(píng)定試驗(yàn)

2.2.3 耐腐蝕性研究

圖10為測(cè)得Q345B和熔覆的奧氏體不銹鋼耐蝕層的極化曲線。圖10中a點(diǎn)為陰極極化曲線和陽(yáng)極極化曲線的交點(diǎn)，根據(jù)Tafel曲線擬合可得到材料的自腐蝕電流，對(duì)應(yīng)的電位即材料的自腐蝕電位；從b點(diǎn)開(kāi)始材料表面生成一層保護(hù)性鈍化膜，使陽(yáng)極溶解反應(yīng)受到很大抑制，腐蝕速度大大降低，隨著電位的正移電流密度變化很小直到c點(diǎn)，這個(gè)階段金屬在溶液中的腐蝕程度較小，維持較為穩(wěn)定的鈍化狀態(tài)，因此bc段也稱為鈍化區(qū)，鈍化區(qū)范圍越寬說(shuō)明材料的鈍態(tài)越穩(wěn)定；b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電位即致鈍電位(Epp)，Epp可以說(shuō)明腐蝕體系鈍化的難易程度，Epp負(fù)值越大說(shuō)明體系越容易鈍化。到達(dá)c點(diǎn)后材料的鈍化膜被擊穿導(dǎo)致電流密度再次上升，因此c點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電位稱為擊破電位(Epit)[20]?？梢钥闯觯瑘D10中熔覆的奧氏體不銹鋼材料316L的鈍化區(qū)間明顯大于碳鋼材料Q345B，致鈍電位(Epp)略高于碳鋼材料，而擊破電位(Epit)顯著高于碳鋼Q345B，因此碳鋼表面熔覆的316L奧氏體不銹鋼耐蝕層在腐蝕環(huán)境中呈現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能，可以起到腐蝕防護(hù)作用。

圖10 Q345B和熔覆奧氏體不銹鋼耐蝕層的腐蝕極化曲線

3 結(jié)論

(1)機(jī)器人自動(dòng)堆焊熔覆工藝參數(shù)優(yōu)良，從熔覆層頂部到底端，依次存在細(xì)小的樹(shù)枝晶、粗大樹(shù)枝晶、包狀晶和平面晶，呈現(xiàn)典型的快速凝固組織特征，熔覆層內(nèi)部組織整體致密均勻、無(wú)夾雜物、氣孔、顯微裂紋等缺陷。

(2)不銹鋼與碳鋼層之間的結(jié)合面呈波形，界面為擴(kuò)散型冶金結(jié)合，界面結(jié)合良好。

(3)基體到熔覆層的硬度逐漸增加，不僅能使得熔覆層與基體之間的內(nèi)應(yīng)力平穩(wěn)過(guò)渡，降低熔覆層失效的趨勢(shì)，還能改善過(guò)流面的耐沖蝕性。

(4)各項(xiàng)工藝評(píng)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足要求，滲透檢測(cè)表面無(wú)圓形和線性顯示，熔覆層側(cè)彎和正彎均未發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂紋。熔覆的奧氏體不銹鋼316L耐蝕層在海水腐蝕環(huán)境中呈現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能，能夠?qū)μ间摶w起到腐蝕防護(hù)作用。