油管N80鋼表面超聲-激光熔覆Ni-TiN涂層的制備及性能

夏法鋒, 李強, 李超宇, 馬春陽, 李華興

(東北石油大學,黑龍江 大慶 163318)

0 前言

N80鋼是油田常用的一種油管鋼，因其具有高強度、耐疲勞、熱強度等特點，已廣泛應用于石油、化工、勘探、軍事等領域[1-3]。然而，油田用N80鋼因長期受到大載荷、酸性液體、二氧化碳等介質的腐蝕，極易在其表面產生磨損、腐蝕、斷裂等失效。因此，提高N80鋼的表面綜合性能，已成為當前油田開采急需解決的重要技術課題之一[4]。

超聲-激光熔覆是一種新興的特種加工技術，它利用超聲波對焊接粉末進行超聲振動。同時，利用激光將上述粉末進行熔融，進而在基材表面得到一定厚度的熔覆層。與其它制造技術相比，超聲-激光熔覆具有涂層質量好、加工速度快、結合強度高等優點，可有效改善基材表面的綜合性能[5]。鑒于此，文中采用超聲-激光熔覆在油管N80鋼表面制備Ni-TiN涂層，研究不同超聲功率對Ni-TiN涂層表面形貌、顯微硬度及耐磨性能的影響，以期為油田用N80鋼表面改性研究提供一定支持。

1 試驗材料及方法

1.1 試件制備

將市售Ni和TiN粉(平均粒徑10 μm)按照質量比2進行混合，并將Ni-TiN涂層粉末置于烘干箱進行烘干處理(溫度65 ℃，時間90 min)。為了提高涂層與基體材料間的結合力，將N80鋼基體放入丙酮溶液中進行超聲清洗處理，超聲波功率 200 W，清洗時間 20 min。利用LM-200WA型激光熔覆機(如圖1所示)制備Ni-TiN涂層，其工藝參數見表1。

表1 超聲-激光熔覆工藝參數

圖1 激光熔覆機實物圖

1.2 微觀結構表征與鍍層性能測試

利用S3400型掃描電子顯微鏡(SEM)對Ni-TiN涂層表面形貌進行分析，采用XRD-6000型X射線衍射儀(XRD)分析涂層的晶相結構，其掃描范圍為20°～90°，掃描步長0.02°/s。使用HVS-1000型顯微硬度計測量涂層的顯微硬度，加載載荷為1.96 N，加載時間為10 s。利用UMT-3G型摩擦磨損試驗機對Ni-TiN涂層的耐磨性能進行測試，其磨損形貌由掃描電子顯微鏡進行觀察。

2 結果與討論

2.1 超聲功率對Ni-TiN涂層顯微組織的影響

圖2為超聲功率對超聲-激光熔覆Ni-TiN涂層顯微組織的影響。在超聲-激光熔覆過程中，當超聲功率為0 W時，Ni-TiN涂層中固體陶瓷TiN粒徑較大，且團聚現象嚴重。用Nano Measurer軟件對涂層晶粒進行測量可知，Ni-TiN涂層中的TiN顆粒的平均粒徑為36.5 μm。當超聲功率為300 W時，Ni-TiN涂層中固體陶瓷TiN粒徑較小，其平均粒徑為16.7 μm。此外，TiN顆粒均勻地分散于涂層表面。然而，當超聲功率達到600 W時，Ni-TiN涂層中固體陶瓷TiN粒徑又有所增大，且出現局部團聚現象。

圖2 超聲功率對Ni-TiN涂層顯微組織的影響

產生上述現象的原因在于，陶瓷TiN的熔點高達3 290 ℃，遠高于鐵和鎳的熔點。在超聲-激光熔覆的焊接熔池中，隨著溫度的降低，陶瓷TiN顆粒首先結晶析出。當焊接熔池未施加超聲波時，熔池中的陶瓷TiN顆粒自然冷卻凝固，使得固體陶瓷TiN粒徑較大，且團聚現象嚴重。當焊接熔池施加適當功率的超聲波(300 W)時，超聲波的機械攪拌作用可有效分散熔池中的TiN顆粒。同時，超聲波的空化效應可擊碎團聚態的TiN粒徑團，從而細化熔池中的陶瓷TiN顆粒，并為金屬晶粒的生長提供了大量形核點[6]。然而，當超聲功率繼續增加到600 W時，過度的超聲波，又會使得陶瓷TiN顆粒重新團聚，導致Ni-TiN涂層中陶瓷TiN粒徑又有所增大，并出現局部團聚現象[7]。

2.2 超聲功率對Ni-TiN涂層相結構的影響

圖3為超聲功率對超聲-激光熔覆Ni-TiN涂層XRD譜圖的影響。在超聲-激光熔覆過程中，焊接熔池具有快速冷卻和非平衡態快速凝固的特點，故涂層中存在多種相結構。由XRD可知，在Ni-TiN涂層中，主要存在Ni,TiNi,Ti2Ni和TiN等相組織，這說明熔池中發生了如下反應：

圖3 超聲功率對Ni-TiN涂層XRD譜圖的影響

Ti + Ni→ TiNi

(1)

2Ti + Ni→ Ti2Ni

(2)

當超聲功率為0 W時，Ni-TiN涂層的鎳衍射峰又高、又窄，說明該涂層中的金屬晶粒最為粗大。當超聲功率為300 W時，Ni-TiN涂層的鎳衍射峰變得又低又寬，說明該涂層中的金屬晶粒得到明顯細化。當超聲功率為600 W時，Ni-TiN涂層的鎳衍射峰又有所變高、變窄，說明該涂層中的金屬晶粒尺寸又有所增加。產生上述現象的原因在于，適當的超聲功率不僅可有效促進固體陶瓷TiN顆粒均勻分散于涂層中，而且能顯著抑制TiN顆粒的團聚。上述結果為涂層中金屬晶粒的生長提供了大量成核點，并可有效抑制了金屬晶粒的長大。

2.3 超聲功率對Ni-TiN涂層顯微硬度的影響

圖4為超聲功率對超聲-激光熔覆Ni-TiN涂層顯微硬度的影響。油管N80鋼基體的顯微硬度變化不大，其平均硬度為377 HV，明顯小于涂層的顯微硬度。當超聲功率為0 W時，Ni-TiN涂層的顯微硬度最小，其平均硬度為780 HV。當超聲功率為300 W時，Ni-TiN涂層的顯微硬度最大，其平均硬度為833 HV。當超聲功率為600 W時，Ni-TiN涂層的顯微硬度介于上述兩種涂層之間，其平均硬度為802 HV。在超聲-激光熔覆過程中，細化的金屬晶粒對熔覆層產生顯著的細晶強化作用[8]。同時，分散于熔覆層中的Ni，TiNi，Ti2Ni和TiN等硬質相對涂層也起到一定的彌散強化作用，故使得Ni-TiN涂層的顯微硬度明顯高于基體和熱影響區的硬度。尤其是采用超聲功率300 W制備的涂層，其內部組織最為細小，其細晶強化作用更顯著，故該涂層的顯微硬度最高。

圖4 超聲功率對Ni-TiN涂層顯微硬度的影響

由圖4還可以看出，在涂層的熱影響區，熔覆界面的硬度介于基體和涂層兩者之間。這是因為，熔覆界面的Ni，TiNi，Ti2Ni和TiN等硬質相滲入到涂層中，導致熱影響區的顯微硬度有所降低。然而，由于超聲-激光熔覆具有的快速加熱和快速冷卻特點，使得熱影響區的硬度比基體硬度高。

2.4 超聲功率對Ni-TiN涂層耐磨性能的影響

圖5為超聲功率對超聲-激光熔覆Ni-TiN涂層摩擦系數的影響，3種Ni-TiN涂層試樣的摩擦系數均經歷了初期磨損和穩定磨損2階段。從摩擦磨損試驗開始到磨損時間為4 min這一時期內，3種Ni-TiN涂層的摩擦系數急劇增加。這是因為涂層表面存在凸起的硬質相，使得試樣表面凹凸不平，從而引起摩擦系數的劇烈變化。隨著摩擦磨損試驗的持續進行，3種Ni-TiN涂層試樣的摩擦系數變化平穩。其原因在于，Ni-TiN涂層經初期磨損之后，其表面光滑、平整，使得其摩擦系數變化平穩。

圖5 超聲功率對Ni-TiN涂層摩擦系數的影響

由圖5可知，當超聲功率為300 W時，Ni-TiN涂層的摩擦系數最小，其平均值為0.42。然而，當超聲功率為0 W時，Ni-TiN涂層的摩擦系數最大，其平均值為0.57。這是因為，適當的超聲功率，可以獲得組織細小和顯微硬度高的Ni-TiN涂層[9-10]，故使得涂層摩擦系數較小。

圖6為超聲功率對超聲-激光熔覆Ni-TiN涂層磨損形貌的影響。當超聲功率為0 W時，Ni-TiN涂層表面出現了很深的犁溝(圖 6a)。同時，在涂層的磨損表面存在大量磨屑。當超聲功率為300 W時，Ni-TiN涂層表面的犁溝較淺，且有少量細小的磨屑分散于涂層表面。當超聲功率為600 W時，Ni-TiN涂層表面的犁溝又有所變深，并有許多磨屑存在。由此可見，當超聲功率為300 W時，超聲-激光熔覆制備的Ni-TiN涂層表面耐磨性能最佳。產生上述現象的原因在于，適當的超聲功率，可以獲得組織細小和顯微硬度高的Ni-TiN涂層，故涂層能有效抵抗外力，使得其耐磨性能得到提高。

圖6 超聲功率對Ni-TiN涂層磨損形貌的影響

3 結論

(1)當超聲功率為0 W時，Ni-TiN涂層中固體陶瓷TiN粒徑較大，且團聚現象嚴重，其平均粒徑為36.5 μm。當超聲功率為300 W時，Ni-TiN涂層中固體陶瓷TiN粒徑較小，其平均粒徑為16.7 μm。

(2)當超聲功率為300 W時，Ni-TiN涂層的鎳衍射峰變得又低又寬，說明該涂層中的金屬晶粒得到明顯細化。此外，該涂層的顯微硬度最大，其平均硬度為833 HV。

(3)當超聲功率為300 W時，Ni-TiN涂層的摩擦系數最小，其平均值為0.42。Ni-TiN涂層表面的犁溝較淺，且有少量細小的磨屑分散于涂層表面。