激光重熔鎳基合金熱噴焊層的組織結(jié)構(gòu)及高溫氧化性能

激光重熔鎳基合金熱噴焊層的組織結(jié)構(gòu)及高溫氧化性能

由于嚴(yán)重的表面氧化，在高溫下工作的零件的使用性能和服務(wù)年限等需要顯著縮短。特別是冶金、化工、能源等領(lǐng)域,每年因高溫氧化所造成的損失相當(dāng)嚴(yán)重,因此了解和掌握材料高溫氧化的規(guī)律,盡量減少或抑制高溫氧化反應(yīng)的產(chǎn)生,延長(zhǎng)工件的使用壽命,對(duì)于減少企業(yè)損失提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義表面改性技術(shù)是提高材料表面力學(xué)性能及抗高溫氧化性能最經(jīng)濟(jì)有效的手段,其中熱噴焊技術(shù)因工藝簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在表面改性技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用本文以鎳基合金熱噴焊層為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)募す庵厝厶幚?分析經(jīng)激光重熔的鎳基合金熱噴焊層的組織變化,并測(cè)定其抗高溫氧化性能,為采用熱噴焊鎳基合金與激光重熔復(fù)合的改性技術(shù)制備雙金屬工件提供試驗(yàn)和理論依據(jù)。11.1現(xiàn)代物流試驗(yàn)用基體材料為馬鋼生產(chǎn)的Q345鋼板,試板尺寸為200mm×30mm×8mm。噴焊材料選用上海斯米克公司生產(chǎn)的牌號(hào)為F102的鎳基自熔性合金粉末,粒度≤150目,化學(xué)成分列于表1。1.2試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果將基材表面打磨除銹并清理干凈,采用QH-4/h型氧乙炔火焰噴焊槍將Ni基合金粉末噴焊到基材上,獲得厚度為2～3mm的熱噴焊層。用中性火焰噴焊時(shí)氧氣壓力為4.3MPa,乙炔壓力為0.09MPa;采用TJ-HL-T5000型橫流CO2激光器對(duì)熱噴焊層表面進(jìn)行多道激光重熔處理,采用Ar氣作保護(hù)氣體,激光重熔工藝參數(shù)見(jiàn)表2。為防止重熔噴焊層表面產(chǎn)生微裂紋,重熔前將試板在電阻爐中于250℃預(yù)熱2h,經(jīng)重熔后再次在250℃保溫2h去應(yīng)力退火。將鎳基合金熱噴焊層和重熔噴焊層試板制備的金相試樣用ZEISSAxiovert-40型光學(xué)顯微鏡對(duì)其進(jìn)行組織觀察和拍照;用JEOLJSM-6490LV型掃描電鏡對(duì)其表面組織形貌進(jìn)行高倍觀察分析,并對(duì)高溫氧化試驗(yàn)后的熱噴焊層表面的氧化膜形貌進(jìn)行觀察;用Bruker-08A型X射線衍射儀對(duì)其組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行物相分析。將鎳基合金熱噴焊層和重熔噴焊層從基體上線切割下來(lái),并制成尺寸為10mm×10mm×1.5mm的試樣進(jìn)行高溫氧化試驗(yàn)。高溫氧化試驗(yàn)在SXR-5-12型箱式電阻爐中進(jìn)行,以空氣作為加熱氣氛。試驗(yàn)溫度分別為600℃和800℃,總氧化時(shí)間120h,試驗(yàn)過(guò)程中每隔24h采用感量為0.1mg的FA-2004N型電子天平稱量一次質(zhì)量。通過(guò)非線性曲線擬合,求得不同試驗(yàn)溫度下熱噴焊層的氧化動(dòng)力學(xué)曲線。22.1噴焊層表面形貌圖1為鎳基合金熱噴焊層表面的顯微組織形貌。由圖1(a)可以看出,噴焊層組織比較粗大且不均勻,還有疏松、氣孔、夾雜等缺陷,這些缺陷的存在將嚴(yán)重惡化熱噴焊層的使用性能。分析認(rèn)為,熱噴焊的熱源是氧乙炔中性火焰,其能量密度較低,噴焊過(guò)程中加熱的區(qū)域較大且加熱時(shí)間較長(zhǎng),使液態(tài)合金粉末噴焊層冷卻速度減緩,最終導(dǎo)致噴焊層組織也較粗大。另外,火焰噴焊是純手工操作,不能精確控制工藝參數(shù),噴熔過(guò)程中有時(shí)無(wú)法保證噴焊層中高熔點(diǎn)合金粉末完全重熔,從而造成組織疏松和不均勻;其次,操作時(shí)由于保護(hù)不當(dāng),即使在噴熔過(guò)程中噴焊層完全重熔,但如果由于噴焊層內(nèi)的氣體、夾雜等來(lái)不及上浮到表面溢出,將會(huì)在噴焊層的上部形成一定數(shù)量的氣孔、夾雜等缺陷,這將對(duì)使用性能產(chǎn)生不利影響。由圖1(b)鎳基合金熱噴焊層的掃描電鏡組織形貌可以發(fā)現(xiàn),鎳基合金熱噴焊層基體中存在少量未完全重熔的噴焊粉末顆粒和在噴焊過(guò)程中形成的細(xì)粒狀和塊狀的碳化物、硼化物等硬質(zhì)相,在完全重熔形成的固溶體邊緣還存在少量的層片狀共晶組織。圖2為鎳基合金熱噴焊層表面X射線衍射物相分析圖譜。物相分析結(jié)果表明,鎳基合金熱噴焊層組織主要由γ-(Fe,Ni)固溶體和Cr7C3和Cr23C6碳化物以及CrB、Cr2B、Ni3B等硼化物組成。其中γ-(Fe,Ni)固溶體的衍射峰最高,是噴焊層的基體相,同時(shí)由于火焰噴焊過(guò)程中加熱和冷卻速度較緩慢,使得形成的噴焊層在凝固過(guò)程中形成了一定數(shù)量的Cr7C3和Cr23C6等碳化物相以及CrB、Cr2B、Ni3B等硼化物相,這是噴焊層的強(qiáng)化相。2.2x-射線衍射圖譜圖3為經(jīng)激光重熔的鎳基合金熱噴焊層的表面(a)OM;(b)SEM顯微組織。由圖3(a)可以看出,熱噴焊層經(jīng)激光重熔處理后表面組織得到明顯的細(xì)化,不但比較均勻、致密,而且氣孔、夾雜等缺陷基本被消除。由圖3(b)重熔噴焊層的掃描電鏡組織形貌可以看出,熱噴焊層經(jīng)激光重熔處理后,組織主要由細(xì)小樹(shù)枝晶γ-(Fe,Ni)固溶體及枝晶間均勻分布的層片狀共晶組織組成,基體中還有一些呈暗黑色小塊狀碳、硼化物圖4為鎳基合金重熔噴焊層表面的X射線衍射圖譜,與圖2未經(jīng)激光重熔的噴焊層的X射線衍射圖譜相比可知,經(jīng)激光重熔處理的鎳基合金熱噴焊層的相組成并未發(fā)生明顯變化,仍然主要為γ-(Fe,Ni)固溶體和Cr7C3、Cr23C6、Cr2B、CrB、Ni3B等強(qiáng)化相。但經(jīng)激光重熔處理后,噴焊層基體相γ-(Fe,Ni)固溶體的衍射峰強(qiáng)度有所升高,而Cr7C3、Ni3B等強(qiáng)化相的衍射峰強(qiáng)度有所降低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是高能量密度激光使原來(lái)較粗大的γ-(Fe,Ni)固溶體以及噴熔過(guò)程中殘留的少量未完全重熔的噴焊粉末重新被細(xì)化和熔化,加之大量分布不均勻的強(qiáng)化相又重新被高溫加熱分解而溶入基體中,從而導(dǎo)致固溶體過(guò)飽和度急劇增大,再經(jīng)快速冷卻使得碳化物和硼化物的生成量有所減少。2.3試驗(yàn)結(jié)果及分析圖5是重熔與未重熔的鎳基合金熱噴焊層在600℃和800℃的氧化動(dòng)力學(xué)曲線。非線性曲線擬合結(jié)果表明,二者在600℃的氧化動(dòng)力學(xué)曲線均符合對(duì)數(shù)規(guī)律,而在800℃的氧化動(dòng)力學(xué)曲線均符合拋物線規(guī)律,這進(jìn)一步說(shuō)明鎳基合金噴焊層在兩種溫度下的氧化機(jī)制是不同的。分析認(rèn)為,在600℃氧化試驗(yàn)時(shí),由于氧化溫度較低,生成的氧化膜很薄,氧化膜內(nèi)外存在很大的壓應(yīng)力差,導(dǎo)致膜中的晶格空位向內(nèi)部運(yùn)動(dòng),從而阻止了氧離子進(jìn)一步向基體內(nèi)部擴(kuò)散,使氧化膜的外層致密化,因此600℃形成的氧化膜生長(zhǎng)速度較慢,氧化動(dòng)力學(xué)曲線呈對(duì)數(shù)規(guī)律變化圖6為鎳基合金熱噴焊層和重熔噴焊層經(jīng)800℃×120h氧化試驗(yàn)后的表面氧化膜形貌,可以發(fā)現(xiàn),兩者表面氧化膜的形貌和分布有較大的差異。經(jīng)800℃氧化120h后,熱噴焊層表面氧化膜呈顆粒狀,很不均勻且比較疏松,局部區(qū)域還由于生成氧化膜產(chǎn)生的應(yīng)力過(guò)大,導(dǎo)致膜表面出現(xiàn)了裂紋及剝落。這主要與噴焊層表面成分和組織不均勻,同時(shí)表面存在少量氣孔、空隙等缺陷有關(guān)。而重熔噴焊層經(jīng)相同溫度和時(shí)間高溫氧化試驗(yàn)后,由于重熔噴焊層的組織比較均勻、細(xì)小、致密,經(jīng)高溫氧化后表面形成的氧化膜相互連接形成連續(xù)的塊狀,并且氧化膜比較均勻、致密,由氧化膜產(chǎn)生所引起的應(yīng)力分布也比較均勻,表面無(wú)明顯的裂紋及剝落,能有效阻礙氧離子進(jìn)一步向基體內(nèi)部擴(kuò)散,從而使重熔噴焊層的抗高溫氧化性能得到很大的提高。試驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)明,鎳基合金噴焊層經(jīng)激光重熔處理后,組織的明顯改善是其高溫抗氧化性能得到提高的主要原因圖7為鎳基合金熱噴焊層和重熔噴焊層表面氧化膜微區(qū)能譜分析結(jié)果。由圖可知,噴焊層經(jīng)800℃×120h氧化試驗(yàn)后,經(jīng)能譜測(cè)定,1點(diǎn)和3點(diǎn)氧化膜的Cr和O元素含量很高,主要是Cr的氧化物Cr2O3;而2點(diǎn)和4點(diǎn)氧化膜則Si和O元素的含量較高,主要是Si的氧化物SiO2。這說(shuō)明鎳基合金熱噴焊層和重熔噴焊層表面氧化膜的類型基本相似,但是經(jīng)激光重熔前后,由于組織形態(tài)明顯不同,使得兩種噴焊層表面氧化膜也呈現(xiàn)出不同的形貌。由能譜分析結(jié)果還可以看出,重熔噴焊層所形成的氧化膜中Cr元素和Si元素的含量較高。其主要原因是,熱噴焊層經(jīng)激光重熔處理后,一方面由于基體中Cr元素和Si元素的固溶量有所提高,另一方面是由于基體的組織細(xì)化使得形成致密氧化膜的合金元素Cr和Si的分布更加均勻,兩者的綜合作用導(dǎo)致鎳基合金熱噴焊層經(jīng)激光重熔后抗高溫氧化性能得到了較大幅度的提高。3鎳基合金熱噴焊層的組織形態(tài)(1)鎳基合金熱噴焊層經(jīng)激光重熔處理后組織更均勻、細(xì)小,氣孔、夾雜等缺陷被基本消除,重熔噴焊層組織主要由細(xì)小的樹(shù)枝晶以及枝晶間均勻分布的層片狀共晶和一些強(qiáng)化相組成。(2