鎳基激光熔覆層沖刷腐蝕行為研究

2019-11-18 03:05:55 hualin

沖刷腐蝕是金屬表面與腐蝕性流體之間由于相對運動而引起的金屬損壞現(xiàn)象，是材料受沖刷和腐蝕交互作用的結果[1]。沖刷腐蝕環(huán)境廣泛存在于石油、化工領域，嚴重影響運輸管道、葉輪及閥門等設備構件的服役壽命。為避免和降低以上損害，可以通過表面處理方法來改善設備表面的力學和耐腐蝕性能。常用的表面處理技術包括等離子噴涂、氣相沉積、激光熔覆技術等。其中，激光熔覆技術是一種通過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結合熔覆層的新型表面處理方法。激光熔覆層的制備方法分別為同步送粉法和預置涂覆法[2]。使用激光熔覆技術制備的熔覆層具有優(yōu)異的力學性能、耐蝕性及優(yōu)良的界面結合強度[3,4]。Xu等[5]認為，與等離子噴涂相比，激光熔覆工藝具有更高的效率，所獲熔覆層的微觀組織也更加精細。Pei等[6]研究認為，激光熔覆層與基體之間的界面區(qū)冶金結合良好。

基于上述分析可知，鎳基激光熔覆層在復雜沖刷腐蝕環(huán)境中具有較好的應用前景，對其進行沖刷腐蝕行為的研究尤為必要。進行沖刷腐蝕實驗的常用研究方法包括管流式、噴射式及旋轉式。Zheng等[7]采用噴射式實驗方法研究了鐵基非晶合金涂層的沖刷腐蝕行為，并通過失重法和電化學方法評估了其在含固相顆粒、不同沖擊角及不同流速條件下的沖刷腐蝕行為。張大偉等[8]利用旋轉式實驗設備測試了鎳基復合熔覆層的抗沖刷腐蝕性能，并認為其與熔覆層組織及韌化性直接相關。劉國宇等[9]通過自制旋轉式試驗機證明了沖刷腐蝕速率受沖刷角、流體流速及溫度等多因素的影響。Tian等[10]通過旋轉式?jīng)_刷腐蝕實驗觀察到，沖刷角效應是流體正應力和剪切應力共同作用的結果，其中，前者可以通過直接作用于樣品表面而使其產(chǎn)生裂紋或孔隙，后者則可以使表面膜層變薄或去除。姚新陽等[11]采用噴射式試驗機研究了沖蝕介質(zhì)pH值對激光熔覆鈷基合金熔覆層沖刷腐蝕行為的影響。經(jīng)過學者多年的努力，在材料沖刷腐蝕實驗的開展及機理分析上均已積累了一定的基礎。然而，就鎳基激光熔覆層而言，其沖刷腐蝕行為的系統(tǒng)研究還較少，限制了該類熔覆層的推廣應用。近幾年，Chen等[12,13]利用射流沖擊系統(tǒng)研究了多種因素下鎳基激光熔覆層的沖刷腐蝕行為，并揭示其與流體的沖刷速度及流體沖擊下熔覆層表面出現(xiàn)鈍化和去鈍化兩個過程有關。

本文為研究流體剪切應力、正應力及固相顆粒對鎳基激光熔覆層沖刷腐蝕行為的影響，采用自制管流式?jīng)_刷腐蝕試驗機，對鎳基激光熔覆層在不同沖刷角及固相顆粒存在條件的沖刷腐蝕行為進行了研究，所獲研究結果對該類熔覆層的實際應用具有支撐和參考價值。

1 實驗方法

采用高功率半導體激光器在Q235碳鋼基材上通過預置涂覆法制備鎳基激光熔覆層。Q235碳鋼基材的化學組成（質(zhì)量分數(shù)，%）為：Si 0.37，Mn 0.08，C 0.16，S 0.04，P 0.04，F(xiàn)e余量。熔覆材料為鎳基合金粉末，其化學組成（質(zhì)量分數(shù)，%）為：Cr 21，Mo 13，F(xiàn)e 5，W 5，Ni余量。激光熔覆過程中所使用的激光功率為3000 W，掃描速率為6 m/s，光斑直徑為8 mm，搭接率為35%。用線切割的方法將熔覆后的樣品切割成尺寸為10 mm×10 mm×4 mm的塊狀試樣，用240~2000#的SiC水性砂紙對熔覆層表面進行打磨，并對磨制后的表面用粒度為1 μm的剛玉粉末進行拋光處理，然后再依次用無水乙醇和蒸餾水清洗熔覆層表面并吹干，除待測10 mm×10 mm熔覆層表面，其余面用硅橡膠覆蓋。此外，用王水對試樣表面進行腐蝕以利于熔覆層表面微觀組織的觀察。

采用自制管流式?jīng)_刷腐蝕試驗機對處理后的激光熔覆層試樣進行沖刷腐蝕實驗，試驗機的結構設計如圖1所示。在沖刷腐蝕實驗進行時同步進行電化學測試。采用CS310型電化學工作站進行電化學測試，測試時使用三電極體系，Pt片為輔助電極，飽和甘汞為參比電極，試樣為工作電極。沖刷介質(zhì)為3.5% （質(zhì)量分數(shù)） NaCl溶液和含有6 kg/m3不規(guī)則SiO2顆粒（~75 μm）的NaCl溶液。表1為沖刷腐蝕實驗條件匯總。由于實驗裝置的限制，沖刷速度選擇1 m/s。在正式開始沖刷腐蝕實驗之前，預先沖刷30 min獲得穩(wěn)定的流速后同步進行電化學測試。在獲得穩(wěn)定開路電位后測試試樣的電化學阻抗譜（EIS）及動電位極化曲線，并討論固相顆粒和沖刷角度對熔覆層沖刷腐蝕行為的影響。利用裝配有能譜儀（EDS）的掃描電子顯微鏡（SEM，Zeiss）分析單相流中不同沖刷角度條件下鎳基激光熔覆層的表面形貌。