面向反應釜的激光熔覆修復工藝研究

馬文濤 郭輝 黃勇

Research on Laser Cladding Repair Technology for Reaction Kettle

MA Wen-tao GUO Hui? HUANG Yong

摘要：由于反應釜在高溫高濕以及酸性介質環境下工作，容易失效。因此，應用激光熔覆技術在反應釜基體材料上制備鎳基碳化鎢合金層。通過設計正交實驗及模糊綜合評判，研究激光功率P、掃描速度Vb和送粉速率Vf，以及WC含量（wt%）4種工藝因素對合金層的影響。最佳工藝參數和WC粉末的添加配比為激光功率P為1.4kW，掃描速度Vb為400mm/min，送粉速率Vf為40%，WC含量為20wt%。

Abstract： Because Reaction kettle works in high temperature， high humidity and acid medium environment， it is easy to fail， and it is difficult to repair it. Nickel - base tungsten carbide alloy layer was prepared by laser cladding technology on the substrate of reaction kettle. Through designing orthogonal experiment and fuzzy comprehensive evaluation， the effects of laser power P， scanning speed Vb， powder feeding rate Vf and WC content （wt%） on the alloy layer were studied. The optimal process parameters and the adding ratio of WC powder are the laser power P of 1.4kW， the scanning speed Vb was 400mm/min， the powder feeding rate Vf was 40% and the WC content was 20wt%.

關鍵詞：反應釜;鎳基碳化鎢合金層;性能;工藝參數

Key words： reaction kettle;nickel base tungsten carbide alloy layer;performance;process parameters

中圖分類號：TN249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）32-0273-04

0? 引言

反應釜廣泛應用于化工、石油、生物制藥等工業生產過程。其工作在高溫、高壓、腐蝕環境下，作為再制造修復工程中應用最廣也是最重要的一個分支，激光熔覆技術具有顯著優勢，通過激光熔覆技術對反應釜進行熔覆修復，可以有效抑制高溫氧化、腐蝕反應和疲勞斷裂，必然會減少或挽回其引起的損失，促進反應釜在各領域的使用發展[1-6]。

國外學者Weerasinghe等人[7]、A. N. Grezev等人[8]國內學者葛江波、張安峰、李滌塵等人[9]都對激光熔覆工藝參數優化進行了研究，然而對于高溫高壓下對失效零部件的激光熔覆修復方面所見報道仍然很少。

本文將通過在Ni基粉末中添加不同含量的WC顆粒作為增強相[10]，同時改變工藝參數得到多組熔覆層試樣。將得到的熔覆層試樣分別進行宏觀表面光整度和對微觀組織相的形貌進行觀察。將對熔覆層組織進行測試顯微硬度、抗氧化性能、耐腐蝕性能進行測試，采用模糊綜合評判方法得出的數據，得到對反應釜激光熔覆過程中最佳工藝參數和WC粉末的添加配比。

1? 試驗材料及方法

1.1 試驗基體材料

試驗選用Q235鋼作為基，規格大小為110mm×60mm×6mm。

1.2 試驗熔覆材料

熔覆材料選擇Ni60自熔性合金粉末，WC顆粒選擇平均粒徑約為200nm超細碳化鎢粉末，對兩者進行持續2小時的150℃高溫干燥處理，其主要目就是烘干其水分。

1.3 試驗方法

在熔覆試驗前，用80#金相砂紙將Q235鋼基材表面均勻打磨，并用丙酮清洗干凈，自然晾干，待用。

為了減少空氣中的氧氣與熔覆層氧化，在熔覆過程中向熔池附近通氬氣，使氬氣充滿熔池周圍，掃描道間的搭接率為30%，噴嘴與工作臺距離為22mm。

試驗針對影響熔覆過程中影響熔覆層成形的工藝參數（激光功率P、掃描速度Vb和送粉速率Vf），以及WC含量（wt%）制定了四因素三水平，通過正交試驗法，挑出影響激光熔覆過程主要影響因素，試驗次數為9的L9（34）正交表，正交圖表如表1所示。

為了得到最好的熔覆層，選擇最優參數。首先，在Q235基材上重復做九組實驗，每組實驗的工藝參數不同，最終選擇出表面光整，無肉眼可觀察出的缺陷的熔覆試塊，這些試塊的工藝參數為第二水平值各參數之間有較小的浮動，故通過計算制定出第一和第三水平值，得到熔覆過程中各工藝參數如表2所示。

2? 熔覆層質量評價

2.1 宏觀方面

激光熔覆結束后，不同激光熔覆工藝參數下的試塊的表面質量宏觀外貌對比如圖1所示。

通過觀察，在以上九個試樣中，1號試樣和7號試樣熔覆層外觀表面不平整，所以后續試驗中并不對1號和7號試樣進行分析測試。其余試塊無宏觀缺陷，表面光整。得出結論：基材與熔覆層發生良好的冶金反應，形成致密熔覆涂層。

2.2 微觀方面

將各試塊放在高溫高壓環境下處理，用砂紙打磨光滑平整，制成符合標準試樣后，放入掃描電鏡下觀察界面特征的如圖2所示。

在掃描電鏡（SEM）下觀察到在不同激光熔覆工藝參數下各試塊的微觀形貌，在試塊2000倍的微觀組織中觀察到微觀缺陷，5號試塊熔覆層和基體間結合部位有明顯裂紋，元素也發生較少偏析，但對熔覆層與基材結合并無影響，所以在后續試驗中不對5號試樣進行分析測試。其他試塊均無裂紋和氣孔現象，結合良好。

2.3 顯微硬度測試

將經過激光熔覆過程中的試樣放入空氣重冷卻，待冷卻完成后，試樣通過線切割、打磨、拋光等工序后，查閱相關標準，制成符合標準的顯微硬度試塊。將符合標準的試塊放入干燥箱，將干燥溫度設定至100℃，保持該溫度1h。將上述試塊置于高溫高壓環境中，30min后將其拿出，用金相砂紙將試塊表面打磨平整，之后用顯微硬度計測試標準試塊顯微硬度值，檢驗載荷為500g，載荷作用在試塊上的時間為10s。為了得到更加準確的硬度值，隨機取各試塊同一位置三個測量點的硬度值，進行算術平均計算后得到結果如表3。

經過測試基體的硬度值為200HV，各試塊通過硬度計測量后，得出各試塊的硬度測量值都大于基材。WC含量越大，熔覆層中的WC或W2C以及初生碳化物Cr23C6等硬質相的含量也越高，熔覆層硬度的測量值也越大，但其波動也越大，因硬度值的測量取決于壓痕位置。

2.4 抗氧化性能測試

將上述得到的試樣通過線切割成大小和形狀相同的小塊，將上述試塊放入超聲波清洗機中，洗凈，然后放入干燥箱中，將干燥箱溫度調至至100℃，保持該溫度1h，使切制好的各試塊表面水分蒸發，該過程完成后，用天平對各試塊質量進行稱重。稱量完畢后將各試塊分別放入高溫馬弗爐中，將溫度調至600℃，并且持續保溫兩小時，然后在重復上述干燥方法，對試塊進行干燥，最終對各試塊質量進行稱重。

通過用稱重的方法來評定各試塊的抗氧化性能優劣，其原理是利用各試塊試驗前后單位面積氧化物增重質量變化。計算公式如式（1）所示。

式中：m0為氧化前試塊質量（mg）;

m1為氧化后試塊的質量（mg）;

A為試塊熔覆層表面積（mm2）;

Δm為試塊單位面積氧化增重量，mg/mm2。

通過數據對比可得2、3、4、6、8、9號試塊熔覆材料每平方毫米的增重量，計算結果見表4。

通過表可以看到，對Q235材料進行激光熔覆之后，熔覆層的高溫抗氧化能力相比基體明顯提升了，最多的提升了3.14倍;最少的也提升了1.82倍，說明熔覆層的高溫抗氧化能力比基體要好得多。這是因為Ni元素具有良好的抗氧化性，其表面形成的NiO薄膜，可以阻止進一步的氧化，同時，熔覆層中的Cr也具有極高的抗氧化性。

2.5 耐腐蝕性測試

耐腐蝕性測試試驗面為熔覆層上表面與基材上表面，用環氧樹脂將其他組試塊包裹。放入12%HCl溶液中腐蝕，實驗過程中防止HCl溶液飛濺，避免傷人。經過兩天的浸泡之后，將各試塊從Hcl溶液中取出待處理，用蒸餾水將各試塊清洗干凈，然后放入干燥箱中，將干燥箱溫度調至至100℃，保持該溫度1h，然后稱其質量。

式中：mpre為腐蝕前試塊質量（mg）;

mpost為腐蝕后試塊質量（mg）;

S為試塊腐蝕面的面積（mm2）;

t為腐蝕時間，為2天。

由式（2）可計算金屬材料的腐蝕速率，由此可得到基材及在不同工藝參數下得到的試塊熔覆層的腐蝕速率如表5所示。

由表5數據可知，修復完成試塊的熔覆層腐蝕性較基材提升較大。其原因包含兩點，一是熔覆層組織中強化相對耐腐蝕影響大于易于腐蝕相的影響，二是因為組織中含有Ni元素，其抗腐蝕能力很強，同時，熔覆層中含有Cr、B和Si元素，其影響組織相變過程，有細化晶粒的作用，提高了熔覆層抗腐蝕性。因此，熔覆層的耐腐蝕性顯著優于基材。

3? 評價

采用模糊綜合評判對Q235基體材料表面熔覆WC顆粒含量不同的Ni基合金粉末得到的熔覆層的顯微硬度、抗氧化特性、和耐腐蝕性3項指標進行詳盡分析，然后得出結論。

3.1 硬度的隸屬評判

硬度指標模糊化是采用模糊分布方法確定隸屬關系。其硬度值HV大小主要從小到大排列，通過比較大小，分為4區間，表中主要指標有：性能模糊評判、隸屬函數、硬度值（HV）的范圍，隸屬評判函數見表6。

根據上述隸屬函數對各試樣熔覆層的硬度值進行模糊評判Ci，i=（2，3，…，9），其中i表示試樣號。

得到的2、3、4、6、8、9號試件的數值分別為：-1.6219，-1.2446，0.0538，0.2988，-0.1246，1.0600。

3.2 抗氧化性能的隸屬評判

抗氧化性能的隸屬評判方法同硬度性能指標相似，故可將其列入同一表中做對比，隸屬評判函數見表7。

根據上述隸屬函數對各試樣熔覆層的抗氧化性能進行模糊評判Ei，i=（2，3，…，9），其中i表示試樣號。

分別賦予{3，2，1，-1，-2}的權重，則到的2、3、4、6、8、9號試件的得分分別為：-0.2422，-1.0842，3.0000，-1.8316，-0.8264，2.2579。

3.3 耐腐蝕性能的隸屬評判

同根據上述硬度性能指標，耐腐蝕性能的隸屬評判方法跟硬度評判標準相同，隸屬評判函數見表8。

根據上述隸屬函數對各試樣熔覆層的耐腐蝕性能進行模糊評判Gi，i=（2，3，…，9），其中i表示試樣號。

賦予{3，2，1，-1，-2}的權重，其特征為{好，較好，一般，較差，差}，分別則到的2、3、4、6、8、9號試件的得分分別為：1.5625，-1.3125，3.0000，1.3125，0.5000，1.7500。

3.4 綜合評價

通過比較各試塊三項性能的得分可得到以下結論：該實驗最優熔覆工藝參數為：激光功率P為1.4kW，掃描速度Vb為400mm/min，送粉速率Vf為40%，WC含量為20wt%。

4? 結論

為了讓反應釜在經過激光熔覆之后獲得綜合力學性能好、耐腐蝕、耐磨的熔覆層，對反應釜同種材料的Q235鋼進行激光熔覆試驗，試驗針對影響熔覆過程中影響熔覆層成形的工藝參數（激光功率P、掃描速度Vb和送粉速率Vf），以及WC含量（wt%）制定了四因素三水平，通過正交試驗法，挑出影響激光熔覆過程主要影響因素，并在上述工藝參數環境中，得到不同激光熔覆工藝參數的熔覆層，通過對熔覆層試塊和基體試塊耐腐蝕、抗氧化、硬度性能的測試，得到以下結論：

①利用激光熔覆技術，得到試樣，其硬度性能、抗氧化性能和耐腐蝕性能比基材均有顯著的提升;

②采用綜合評判對激光熔覆層的性能進行綜合評定，通過比較各試塊硬度值與耐腐蝕值和抗氧化值，確定最佳工藝參數。經過試驗和數據分析，最終確定反應釜增材修復的最佳工藝參數和WC粉末的添加配比為激光功率P為1.4kW，掃描速度Vb為400mm/min，送粉速率Vf為40%，WC含量為20wt%。

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基金項目：新疆維吾爾自治區高?？蒲杏媱濏椖浚╔JEDU2018Y050）。

作者簡介：馬文濤（1984-），男，回族，新疆烏魯木齊人，本科，教師，實驗師，研究方向為液壓、裝備制造。