镍基激光熔覆层冲刷腐蚀行为研究

2019-11-18 03:05:55 hualin

冲刷腐蚀是金属表面与腐蚀性流体之间由于相对运动而引起的金属损坏现象，是材料受冲刷和腐蚀交互作用的结果[1]。冲刷腐蚀环境广泛存在于石油、化工领域，严重影响运输管道、叶轮及阀门等设备构件的服役寿命。为避免和降低以上损害，可以通过表面处理方法来改善设备表面的力学和耐腐蚀性能。常用的表面处理技术包括等离子喷涂、气相沉积、激光熔覆技术等。其中，激光熔覆技术是一种通过高能量密度激光熔化基材表面和熔覆材料并使其形成冶金结合熔覆层的新型表面处理方法。激光熔覆层的制备方法分别为同步送粉法和预置涂覆法[2]。使用激光熔覆技术制备的熔覆层具有优异的力学性能、耐蚀性及优良的界面结合强度[3,4]。Xu等[5]认为，与等离子喷涂相比，激光熔覆工艺具有更高的效率，所获熔覆层的微观组织也更加精细。Pei等[6]研究认为，激光熔覆层与基体之间的界面区冶金结合良好。

基于上述分析可知，镍基激光熔覆层在复杂冲刷腐蚀环境中具有较好的应用前景，对其进行冲刷腐蚀行为的研究尤为必要。进行冲刷腐蚀实验的常用研究方法包括管流式、喷射式及旋转式。Zheng等[7]采用喷射式实验方法研究了铁基非晶合金涂层的冲刷腐蚀行为，并通过失重法和电化学方法评估了其在含固相颗粒、不同冲击角及不同流速条件下的冲刷腐蚀行为。张大伟等[8]利用旋转式实验设备测试了镍基复合熔覆层的抗冲刷腐蚀性能，并认为其与熔覆层组织及韧化性直接相关。刘国宇等[9]通过自制旋转式试验机证明了冲刷腐蚀速率受冲刷角、流体流速及温度等多因素的影响。Tian等[10]通过旋转式冲刷腐蚀实验观察到，冲刷角效应是流体正应力和剪切应力共同作用的结果，其中，前者可以通过直接作用于样品表面而使其产生裂纹或孔隙，后者则可以使表面膜层变薄或去除。姚新阳等[11]采用喷射式试验机研究了冲蚀介质pH值对激光熔覆钴基合金熔覆层冲刷腐蚀行为的影响。经过学者多年的努力，在材料冲刷腐蚀实验的开展及机理分析上均已积累了一定的基础。然而，就镍基激光熔覆层而言，其冲刷腐蚀行为的系统研究还较少，限制了该类熔覆层的推广应用。近几年，Chen等[12,13]利用射流冲击系统研究了多种因素下镍基激光熔覆层的冲刷腐蚀行为，并揭示其与流体的冲刷速度及流体冲击下熔覆层表面出现钝化和去钝化两个过程有关。

本文为研究流体剪切应力、正应力及固相颗粒对镍基激光熔覆层冲刷腐蚀行为的影响，采用自制管流式冲刷腐蚀试验机，对镍基激光熔覆层在不同冲刷角及固相颗粒存在条件的冲刷腐蚀行为进行了研究，所获研究结果对该类熔覆层的实际应用具有支撑和参考价值。

1 实验方法

采用高功率半导体激光器在Q235碳钢基材上通过预置涂覆法制备镍基激光熔覆层。Q235碳钢基材的化学组成（质量分数，%）为：Si 0.37，Mn 0.08，C 0.16，S 0.04，P 0.04，Fe余量。熔覆材料为镍基合金粉末，其化学组成（质量分数，%）为：Cr 21，Mo 13，Fe 5，W 5，Ni余量。激光熔覆过程中所使用的激光功率为3000 W，扫描速率为6 m/s，光斑直径为8 mm，搭接率为35%。用线切割的方法将熔覆后的样品切割成尺寸为10 mm×10 mm×4 mm的块状试样，用240~2000#的SiC水性砂纸对熔覆层表面进行打磨，并对磨制后的表面用粒度为1 μm的刚玉粉末进行抛光处理，然后再依次用无水乙醇和蒸馏水清洗熔覆层表面并吹干，除待测10 mm×10 mm熔覆层表面，其余面用硅橡胶覆盖。此外，用王水对试样表面进行腐蚀以利于熔覆层表面微观组织的观察。

采用自制管流式冲刷腐蚀试验机对处理后的激光熔覆层试样进行冲刷腐蚀实验，试验机的结构设计如图1所示。在冲刷腐蚀实验进行时同步进行电化学测试。采用CS310型电化学工作站进行电化学测试，测试时使用三电极体系，Pt片为辅助电极，饱和甘汞为参比电极，试样为工作电极。冲刷介质为3.5% （质量分数） NaCl溶液和含有6 kg/m3不规则SiO2颗粒（~75 μm）的NaCl溶液。表1为冲刷腐蚀实验条件汇总。由于实验装置的限制，冲刷速度选择1 m/s。在正式开始冲刷腐蚀实验之前，预先冲刷30 min获得稳定的流速后同步进行电化学测试。在获得稳定开路电位后测试试样的电化学阻抗谱（EIS）及动电位极化曲线，并讨论固相颗粒和冲刷角度对熔覆层冲刷腐蚀行为的影响。利用装配有能谱仪（EDS）的扫描电子显微镜（SEM，Zeiss）分析单相流中不同冲刷角度条件下镍基激光熔覆层的表面形貌。