添加有機物對激光熔覆層耐腐蝕性能的影響

龍 騰，任棟宇，陳 坤，聶銘，賀沅瑋

(湖南交通工程學院 機電工程學院，湖南 衡陽 421001)

1 引言

激光熔覆技術是發展較為成熟的一項先進制造技術，利用它，可以在價格便宜，性能一般的鋼材上熔覆一層性能較突出的涂層，使得普通的鋼材具有了較好的抗拉性能、耐摩擦性能、耐腐蝕性能等等，使得普通的鋼材也能應用在各種工況條件惡劣，要求嚴苛的生產作業場合[1～3]。因為只是在普通廉價的鋼材表面熔覆不太厚的涂層，所以使用的貴重金屬材料并不是很多，故此可以大幅度降低生產成本，貴重而稀有的金屬材料得到大量的節約；與此同時還使得金屬零部件的壽命延長，服役時間增長，降低能源消耗，減少了環境污染[4～6]。

生產生活中有一種常見的現象——金屬腐蝕，按照性質可以大致分為三大類：化學腐蝕、電化學腐蝕、物理腐蝕[7，8]。金屬或者非金屬材料與周圍環境介質發生相互作用，從而引起材料性質、結構反生改變，使得材料發生破壞。金屬的化學腐蝕主要是指在生產作業過程中，較為活潑金屬原子與周圍環境介質反生氧化還原反應，生成的氧化物不具備金屬的物理性質，導致金屬性能工作性能衰減。例如，碳鋼在空氣中發生了生銹現象等[9]。

因為金屬能與多重環境介質放生反應，所以金屬腐蝕是普遍存在的，且難以避免的，每年全世界金屬腐蝕使得金屬零部件喪失功能，造成大量的金屬破壞，占全年金屬產量較大的比例。據統計，大部分工業發達的國家，金屬腐蝕造成的直接損失可高達上億元，且造成大量的安全事故；2018年后，我國有金屬腐蝕造成經濟損失已經突破2萬億元[7]。由于腐蝕，金屬不能滿足日常服役需要，從而埋下隱患，尤其是應力腐蝕，發生破壞前毫無征兆。特別是石油化工行業，70%的事故都是由于石油化工裝備被腐蝕而引起的；腐蝕破壞的金屬需要回爐再造，造成人力與能源的浪費。因此研究如何提高金屬腐蝕耐腐性能具有重大經濟效益和社會意義[10，11]。

2 實驗材料和方法

(1)實驗基材采用廉價的鋼材Q235，將其切割成尺寸160 mm×55 mm×15 mm,打磨平整光滑，然后用脫脂劑清洗，接著清水、酒精、丙酮依次擦拭，最后進行噴砂處理,除去其表面油污，銹跡等異物，得到干凈平整的基材。

(2)熔覆采用的合金粉末成分為：C:0.12～0.2、Cr:16～18、Ni:2～3 、B:0.1～0.2、Si:0.1～0.25加入一定比例的的有機物，根據不同的配比，化學成分質量百分比如表1。

表1 粉末成分

將松香溶解在酒精中，將1號粉末倒入溶劑中攪拌均勻，烘干，破碎，過80目篩，將1號粉末和2號粉末實驗前放入在45～60 ℃的干燥箱中，烘烤8 h以上,以去除粉末中的水分。采用同步送粉方式，1號粉末和2號粉末粉末,對應的成形試件分別為試件1,試件2。采用側向同步送粉，激光器為武漢團結激光5 kW橫流CO2，激光工藝參數如表2。

表2 激光工藝參數

3 實驗結果分析

3.1 外觀形貌分析

從圖1可以看出，試件1的激光熔覆層，在熔覆過程中，幾乎沒有與空氣反生反應，熔覆層表面具有明顯的金屬色澤，合金粉末中的合金元素流失較少。試件2的激光熔覆層表面，覆蓋著一層明顯的深色氧化物雜質，相比試件1，試件2金屬質感相差較大，說明在激光高溫下，合金粉末與空氣發生了氧化反應，致使合金粉末中的合金元素氧化燒損很嚴重。

圖1 外觀形貌圖

3.2 腐蝕試驗

電化學腐蝕所用的實驗儀器采用的是武漢科思特CS系列化學工作站，模擬金屬在海水中的腐蝕。10 g氯化鉀、1～1.5 g瓊脂作為溶質，30 mL純凈作為溶劑，加熱溶液使得溶質完全溶解，將這種溶液作為鹽橋。一般情況用鉑或者石墨作為輔助電極，如圖2所示。

從表3和圖3來看，試件1的腐蝕電壓和腐蝕電流均高于試件2，試件1腐蝕速率為0.005 mm/a， 試件2腐蝕速率為0.046 mm/a，試件2的腐蝕速率是試件1的9倍左右，實驗結果表明：①電化學腐蝕速率與金屬本身含雜質多少相關，結合圖1看，試件2包含氧化雜質較多，故其腐蝕速率越快；②Cr和Ni能提高鋼材的耐腐蝕能力，添加有機物的試件1，在激光熔覆過程中，這兩種元素氧化燒損較少，故抗腐蝕能力較強。

圖2 腐蝕裝置示意

表3 腐蝕測試結果

圖3 激光熔覆層的電化學腐蝕

4 結論

在激光熔覆過程中,有機物對熔池起著保護的作用，防止液態金屬的氧化,緩解了合金粉末在熔覆過程中的氧化燒損，減少熔覆層氣孔夾渣缺陷的產生。故Cr和Ni損失較少，添加有機物激光熔覆層的耐腐性能大幅提升。