激光重熔改性對電弧噴涂Al涂層性能的影響

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(常州大學機械工程學院，江蘇 常州 213164)

1 前 言

歐標S355鋼是一種新型低合金結構鋼，屈服強度達到355MPa[1]，廣泛應用于國內外海洋平臺樁腿。電弧噴涂Al被證實是一種有效的樁腿防腐蝕工藝[2]，相關資料表明200μm厚度的Al涂層在富Cl-環境中具有長效的耐蝕性能[3]，但是在海水飛濺區，由于海洋平臺樁腿長期受到海水沖刷、晝夜冷熱交替影響[4]，Al涂層與基體之間的機械結合性能會出現下降，一旦涂層出現開裂，海水將會迅速對基體產生腐蝕，影響樁腿力學性能。激光重熔工藝是一種環保、高效的涂層處理方式，可以通過調節激光參數控制激光能量的影響，從而改變涂層與基體結合方式。目前，國內外對激光重熔的研究大多集中在激光速冷特性對材料物相的改變以及對材料摩擦磨損性能的影響[5-7]，對優化激光參數從而達到提高涂層與基體結合性能的研究鮮見報導。因此，將激光重熔工藝應用于海洋平臺電弧噴涂Al涂層，從而提高涂層與基體的結合強度，具有一定的工程應用價值。作者通過Comsol軟件模擬不同功率下激光對試樣溫度場分布的影響，并進行實驗對模擬結果進行驗證，觀察激光重熔處理后試樣涂層的物相組成以及結合方式，為其工程應用提供了實驗依據。

2 實 驗

試驗基體為S355鋼，其組成成分為C 0.17，Si 0.55，Mn 0.94，P 0.035，Cr 0.065，S 0.035，Ni 0.065，Mo 0.30，Zr 0.15，其余為Fe；采用電弧噴涂工藝在基體表面噴涂平均厚度260μm的Al涂層；將涂層試樣切割成40×20×5mm的尺寸。設置激光光斑移動速度為8mm/s，光斑直徑為5mm，以Ar氣為保護氣，分別以激光功率600、800及1000W對試樣進行激光重熔處理，得到重熔試樣。分別采用JSUPRA55型場發射掃描電鏡(XRD)與D/max2500 PC型X射線衍射儀觀察分析試樣結合界面形貌、分析試樣物相，并用電化學腐蝕實驗探究其耐腐蝕性能。

3 Comsol溫度場模擬結果

3.1 數值模擬模型的建立

3.1.1模型建立及網格劃分 在激光重熔過程中，Al涂層和基體的材料熱學性能和受熱程度有所不同，故本文采用分層建模的方法。設置基體尺寸為40×20×5mm，電弧噴涂后測得表面涂層平均厚度為260μm，設置涂層體尺寸為40×20×0.26mm。激光具有速冷特性，激光熱影響區溫度變化梯度非常大，所以在涂層及基體上半部分選用密集網格，遠離熔池區的部分采用較為稀疏的網格，網格劃分結果如圖1所示。

圖1 Comsol模型Fig.1 Comsol model

3.1.2激光熱源模型的建立 激光重熔過程在模擬過程中一般認為是激光能量以高斯脈沖的方式施加到材料表面，其功率密度服從高斯分布，高斯脈沖函數是一種鐘型曲線，形狀類似于高斯正態分布，光源中心能量密度高，外緣能量密度較小。激光熱源熱流密度的表達式如下：

(1)

式中：P為激光功率；xc為光斑中心在x軸上的位置；yc為光斑在y軸上的位置；R為光斑半徑。

本試驗采用激光器光斑直徑為5mm，故取R值為2.5mm，通過改變參數中P的大小實現激光功率的變化，在Comsol中通過定義解析的方式實現光源的移動。

3.1.3材料物理參數 在溫度變化模擬中，材料的密度、比熱容、恒壓熱容量等參數對實驗結果均有一定的影響。在Comsol中通過以下公式模擬傳熱過程：

(2)

q=-kT

(3)

式中：ρ為固體密度；Cp為恒定壓力下材料的熱容量；k為材料熱導率；u為熱源的輻射照度移動速度；Q為熱源的輻射照度。在本實驗中基體與涂層均選自于Comsol內置材料，各項物理參數為Comsol內置默認值。

3.1.4邊界條件 試樣的初始溫度以及環境溫度設置為室溫：

T(x,y,z,0)=T0

(4)

式中：T0為20℃。

由于激光熱源僅對材料表面較薄區域存在較大熱影響，可認定實際處理過程中基體為無限大，即對試樣四周及底面設置為熱絕緣：

-n·q=0

(5)

加熱材料與空氣的對流換熱系數：

q0=h·(T-T0)

(6)

式中：h為對流換熱系數；T為材料表面溫度；T0為初始溫度。文中設定初始溫度為室溫20℃，Al涂層與空氣的自然對流換熱系數為10W/(m·℃)。

3.2 激光功率對涂層溫度的影響

設定光斑移動速度為工程中常見的8mm/s，分別以600、800及1000W三種功率對試樣進行掃描，由圖2可知激光功率能夠顯著影響材料的最高溫度，在不同功率下，受熱處的溫度梯度基本相似，當激光功率為600W時，涂層吸收能力較小，不足以達到金屬熔化所需的溫度，無法達到改善涂層結合性能的目的；激光功率為1000W時可以有效提高材料熱處理的速度，但是其能量較高難以對激光能量影響深度進行控制。

3.3 800W激光功率模擬結果

綜合對比激光器的功率對材料表面溫度的影響，采用激光功率800W，掃描速度8mm/s，光斑直徑5mm對試樣涂層進行重熔，并精確分析其溫度場的分布。

圖2 試樣在600W(a)、800W(b)和1000W(c)功率下溫度場分布Fig.2 Material temperature field and distribution under the power of (a)600W; (b)800W; (c)1000W

圖5 在(a)600W、(b)800W及(c)1000W激光功率下試樣結合層形貌Fig.5 Specimen interface morphology under the power of (a) 600W, (b) 800W and (c) 1000W

圖3 橫向熱循環曲線Fig.3 Thermal circulation curves of transverse points

分別對距離光斑掃描起點8、16、24、32mm處進行域點探針分析，各點溫度隨時間的變化情況如圖3所示。各點溫度呈陡峰式變化，且最高溫度基本相同，各點的熱循環曲線形狀基本保持一致，隨熱源到達時刻不同而發生整體遷移，說明在激光重熔過程中，材料的溫度場為準穩態場。從圖中可以發現，最高溫度出現位置并不是光斑中心所在位置，而稍有滯后，這與高斯熱源的能量特性有關[8]。

圖4 縱向熱循環曲線Fig.4 Thermal circulation curves of longitudinal points

分別對試樣縱向厚度為0、0.26、0.28、0.30及0.40mm的區域進行了域點探針分析，各點溫度隨時間的變化情況如圖4所示。Al涂層表面溫度最高為1649.65℃，未達到Al的沸點2486.85℃，可以有效防止Al涂層的揮發。在0.26、0.28及0.30mm厚度處，最高溫度分別為1523.85、1496.35和1469℃，超過S355鋼的熔點1450℃，可以使該深度處材料進入熔融狀態，形成熔池，在熔池中Al涂層與基體短時間內發生化合反應形成冶金結合層。在0.40mm厚度處，最高溫度為1346.35℃，低于鋼鐵熔點，可以有效防止基體重熔區域太大而對基體力學性能造成負面影響。

4 實驗驗證

4.1 不同功率激光重熔試樣界面形貌

不同功率下試樣界面形貌如圖5所示。在600W激光功率下，激光能量未能到達涂層與基體的結合面處，由于激光具有速冷的特性，在較短的時間內Al元素與Fe元素無法相互滲透形成穩定的固溶相，涂層與基體仍然為電弧噴涂后的機械結合，沒有產生預期的冶金結合層，所以在較低的激光功率下涂層與基體的結合性能無法得到有效改善。在800W激光功率下，界面處形成了基體-冶金結合層-涂層的復合結構，冶金結合層厚度均勻，基體中有少量Fe元素向涂層濺射的趨勢，這是由于在激光重熔過程中，保護氣沖擊熔池內的液態Fe，使Fe在冷卻固化的過程中留在涂層內部。在1000W激光功率下，涂層與基體的結合面處出現模糊化現象，這是由于功率的提升可以顯著影響材料表面的溫度，表面少量Al涂層達到沸點被損耗，而鋼材基體較厚區域也形成了活躍的高溫熔池，大量鐵元素和涂層發生熔合，在速冷過程中形成固溶相，導致涂層與基體過度燒結，使整個涂層變為Fe-Al混合相，大量的Fe元素到達涂層表面會極大降低涂層的耐腐蝕性能，使涂層失效。

4.2 800W功率下界面結構分析

對如圖6(a)所示A、B、C三個位置的Fe與Al元素進行EDS分析，圖6(b)為基體中EDS分析:質量分數(mass，%)為Al 4.11，Fe 95.89，原子分數(at，%)為Al 10.20，Fe 89.80，在激光重熔后基體中檢測出極少量Al，這是由于冶金結合層中Al元素發生了擴散；圖6(c)為冶金結合層中的EDS分析：質量分數(mass，%)為Al 51.34，Fe 48.66；原子分數(at，%)為Al 68.59，Fe 31.41，這說明在激光重熔后界面出現了明顯的冶金結合，結合層Fe元素與Al元素含量較為平均。圖6(d)為涂層外側EDS分析：其質量分數(mass，%)為Al 96.14，Fe 3.86，原子分數(at，%)：Al 98.10，Fe 1.90，其中少量Fe來自于基體向結合層的擴散。該EDS分析進一步證明了激光重熔后，試樣界面形成了基體-FeAl冶金結合層-Al涂層的復合防腐蝕體系。

圖6 基體與鋁涂層結合界面(a)及A點(b)、B點(c)和C點(d)的EDS分析Fig.6 (a)EDS analysis of coating interface Scanned position, EDS analysis of (b) point A, EDS analysis of (c) point B, EDS analysis of (d) point C

4.3 電化學性能分析

圖7分別為S355基體、電弧噴涂試樣、激光重熔試樣在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線，原始試樣的腐蝕電位E=-1.426V，電弧噴涂試樣的腐蝕電位E=-1.130V，激光重熔試樣的腐蝕電位E=-1.000V。激光重熔、電弧噴涂、S355基體電流密度icorr依次向右移動，說明對試樣進行涂層處理后可以有效減緩涂層腐蝕速度。綜合考量自腐蝕電位與腐蝕速度后可知，涂層在NaCl溶液中形成了鈍化膜，有效增強了材料的耐腐蝕性能。

圖7 極化曲線Fig.7 Polarization curve

在800W激光功率下，重熔電弧噴涂Al涂層表面結構保持完整，基體內少量Fe元素在重熔過程中受保護氣體沖擊，濺射進入涂層內部，但未達到涂層表面，有效地避免了涂層缺失。Al涂層與基體交界面處形成厚度0.50mm的冶金結合層，形成了基體-FeAl冶金層-Al涂層的復合防腐蝕體系，涂層結合強度與耐腐蝕性能得到提高。