CrNiMo不銹鋼表面激光熔覆與合金化抗空蝕涂層研究.pdf

1、0Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼(CrNiMo)具有良好的抗空蝕性能、耐蝕性能和抗沖刷磨損性能，是常用的水輪機(jī)部件材料。但是，CrNiMo不銹鋼在作為制造大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的材料時(shí)，容易出現(xiàn)裂紋。為降低開裂趨勢(shì)，提高材料性能，對(duì)合金成份進(jìn)行了調(diào)整，增加真空精煉冶煉工藝，開發(fā)出了M-CrNiMo不銹鋼。
　　 本文將二者與0Cr13Ni4Mo不銹鋼相對(duì)照，研究了這三種不銹鋼材料的抗空蝕損傷、空蝕與腐蝕交互作用損傷和沖刷磨損行為，并對(duì)其

2、抗空蝕機(jī)理進(jìn)行了探討。為了進(jìn)一步提高M(jìn)-CrNiMo不銹鋼的抗空蝕能力，利用激先表面合金化和激光熔覆技術(shù)在M-CrNiMo不銹鋼材料表面制備具有冶金結(jié)合界面、無裂紋等缺陷、組織致密和抗空蝕性能優(yōu)良的涂層，進(jìn)而改進(jìn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪表面處理技術(shù)。
　　 采用超聲振蕩空蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)三種不銹鋼材料進(jìn)行了超聲空蝕實(shí)驗(yàn)；利用電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量了不銹鋼材料在靜態(tài)和空蝕條件下的極化曲線；并采用旋轉(zhuǎn)圓盤儀裝置對(duì)不銹鋼材料進(jìn)行了沖刷磨損實(shí)驗(yàn)。
　　

3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，M-CrNiMo不銹鋼在單相液體介質(zhì)中的抗空蝕和抗沖刷磨損性能明顯高于CrNiMo不銹鋼和0Cr13Ni4Mo不銹鋼。不銹鋼微觀組織中的各相在空蝕作用下產(chǎn)生塑性變形和破壞。破壞從鐵素體薄弱區(qū)開始，而后擴(kuò)展到馬氏體，產(chǎn)生空蝕微坑；到了空蝕穩(wěn)定期，在整個(gè)材料表面，空蝕微坑隨空蝕的繼續(xù)而加寬、加深，發(fā)展成尺寸較大的空蝕坑。腐蝕與沖刷磨損因素對(duì)三種不銹鋼的空蝕破壞都有顯著促進(jìn)作用，M-CrNiMo不銹鋼在含砂水中的抗沖刷磨損性

4、能略高于CrNiMo不銹鋼和0Cr13Ni4Mo不銹鋼。不銹鋼的顯微組織尺寸與硬度因素對(duì)抗空蝕性能的提高起決定作用。
　　 以M-CrNiMo不銹鋼材料作為基體，采用激光表面技術(shù)，通過優(yōu)化各項(xiàng)激光工藝參數(shù)，在M-CrNiMo不銹鋼表面制備出了的抗空蝕性能更強(qiáng)的WC合金化涂層和NiCrSiB熔覆層。利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)及附帶能譜儀(EDAX)、透射電鏡(TEM)、X-射線衍射分析(XRD)、超聲振蕩空蝕試驗(yàn)機(jī)

5、以及測(cè)定顯微硬度等分析手段，對(duì)所制備涂層的組織結(jié)構(gòu)、界面結(jié)合、空蝕失重、空蝕形貌及相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　 選取純WC粉末作為合金化材料，利用脈沖Nd:YAG激光器，優(yōu)化激光工藝，在M-CrNiMo不銹鋼材料表面制備出的激光表面合金化WC涂層的表面光滑均勻，內(nèi)部組織細(xì)小且致密、無氣孔和裂紋等微觀缺陷。X-射線分析結(jié)果表明，WC合金化層的基體由Fe-Ni-Cr固溶體構(gòu)成，內(nèi)部有W2C、Ni4W、MoNi4、Fe6W6C、F

6、e7W6和CrC等硬質(zhì)相生成。合金化工藝使表面的顯微硬度得到大大提高，并增強(qiáng)了M-CrNiMo不銹鋼的抗蝕性能。WC合金化層表面空蝕破壞形貌與M-CrNiMo不銹鋼相比明顯輕微，空蝕過程沒有大的空蝕坑出現(xiàn)。WC合金化層抗空蝕性能增強(qiáng)的原因歸結(jié)于其與基體的界面處呈良好的冶金結(jié)合、合金化層中的硬質(zhì)析出相和激光表面處理時(shí)的快速冷卻。
　　 分別采用脈沖Nd: YAG激光器和CO2連續(xù)激光器在M-CrNiMo不銹鋼材料表面制得了NiCr

7、SiB熔覆層。熔覆層表面光滑，內(nèi)部組織細(xì)小、均勻，與不銹鋼基體具有良好的冶金結(jié)合，在涂層以及界面處均沒有裂紋和氣孔等缺陷存在。X-射線分析結(jié)果表明，NiCrSiB熔覆層的基體由CrNiFe構(gòu)成，內(nèi)部有M23[CB]6(M=Cr、Fe)、CrB、CrSi和Fe2B等硬質(zhì)相生成。超聲空蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光熔覆NiCrSiB涂層空蝕破壞損傷降低，熔覆層的空蝕失重率僅為M-CrNiMo不銹鋼的1/3，且低于WC表面合金化層。熔覆層的硬度有顯著的

8、提高，表面有明顯的加工硬化效應(yīng)。此外，NiCrSiB熔覆層表面的空蝕破壞與M-CrNiMo不銹鋼相比顯著輕微，空蝕3小時(shí)后仍有完整表面存在；空蝕6小時(shí)后仍然沒有大的空蝕坑出現(xiàn)。
　　 NiCrSiB熔覆層的強(qiáng)化機(jī)制包括細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化和加工硬化等，涂層與基體的界面處呈良好的冶金結(jié)合，NiCrSiB自熔合金自身的良好性能與激光熔覆過程中的急冷因素都是熔覆層抗空蝕性能的提高原因。與脈沖Nd:YAG激光器制備的NiCrSiB熔覆層