液壓油缸內壁激光熔覆層/ 內壁熔銅層的微觀組織及腐蝕行為研究

陶小松，張海瑜，宮 成，馬曉燕，焦 陽，張海廣，詹利華，張 偉，楊 輝，劉二勇*

（1.陜煤集團神南產業發展有限公司，陜西榆林 719300；2.陜煤集團檸條塔礦業有限公司，陜西榆林 719300；3.西安科技大學材料科學與工程學院，陜西西安 710054）

引言

煤炭是我國穩定能源安全的壓艙石[1]。隨著煤炭開采深度不斷增加，煤礦環境越來越苛刻，對采煤裝備服役安全提出更高要求[2]。在眾多采煤裝備中，作為液壓支架的核心部件，液壓油缸的性能直接影響采煤裝備安全。目前，激光熔覆技術已廣泛應用于液壓油缸外表面強化，取得了優異的使用效果。然而，受限于設備，難以直接應用激光熔覆技術進行液壓油缸內壁強化，導致液壓油缸內壁受乳化液的煤粒、溶解氧等雜質影響而出現嚴重腐蝕損傷[3-5]。

近年來，研究人員先后研發了內壁激光熔覆技術和內壁熔銅技術用于液壓油缸內壁強化。其中，激光熔覆技術是利用激光在液壓油缸內壁制備耐蝕熔覆層；內壁熔銅技術是利用電弧熔覆技術在液壓油缸內壁制備銅合金熔覆層，并在液壓油缸內壁強化與修復獲得了應用。然而，迄今未發現關于熔覆/熔銅技術的對比研究[4，6]。因此，系統開展液壓油缸內壁激光熔覆層和內壁熔銅層微觀組織和腐蝕行為研究將為提升液壓油缸表面強化技術提供有力支撐。

1 實驗

1.1 實驗材料與激光熔覆/內壁熔銅

選擇鐵基粉末和直徑1.2 mm 鋁青銅焊絲為原料（鐵基粉末：Cr-18.22、Ni-10.80、Mo-2.84、Si-0.68、C-0.15、P ≤0.30、S ≤0.03 和Fe 余量，粒度約為80-150 μm 的球形顆粒；鋁青銅焊絲：Al-8.95、Fe-3.43、Ni-5.54、Mn-2.55 和Cu 余量，wt.%）。

選擇調質態27SiMn 為基材（GB/T 700-2006）[7]，選擇BS-OF-3000-15-4F 型激光熔覆設備制備激光熔覆層和NZC-500NKZH1 內孔熔覆設備制備內壁熔銅層。隨后，對激光熔覆層/內壁熔銅層進行精鏜→垳磨→拋光處理，并線切割制備所需試樣，進行打磨、拋光、超聲波清洗后備用。

1.2 表征分析

利用XRD-7000X 射線衍射儀（XRD）進行激光熔覆層/內壁熔銅層的物相分析；利用奧林巴斯GX53倒置式光學金相顯微鏡（OM）和JSM-6390A 型掃描電鏡（SEM）進行激光熔覆層/內壁熔銅層的縱截面微觀組織形貌和元素分布分析；利用武漢科斯特電化學工作站進行激光熔覆層/內壁熔銅層的腐蝕電化學測試；依據GB/T 1025《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》[8]，利用上海鉅惠儀器制造有限公司的HW-80 型鹽霧試驗箱進行試樣的鹽霧腐蝕實驗。

2 微觀組織

圖1 是激光熔覆層和內壁熔銅層的XRD 譜圖。結果表明，激光熔覆后，由鐵基粉末形成的熔覆層為奧氏體組織，這與其元素含量和冷卻制度密切相關；其次，內壁熔銅層主要有α 相Cu 基固溶體、γ 相Fe基固溶體和硬脆的κ 相AlFe3組成。相較于激光熔覆的奧氏體組織，內壁熔銅層析出的γ 相Fe 基固溶體出現了明顯左移現象，意味著晶格常數增大，這是由元素固溶而引起的點陣畸變。

圖1 激光熔覆層/內壁熔銅層的XRD 圖譜

首先，奧氏體不銹鋼熔覆層具有結構致密、均勻的特性。熔覆層局部區域放大圖發現熔合區呈現為一條平整的外延生長組織，且從熔合區到熔覆層頂部的晶粒形態依次為平面晶和等軸樹枝晶組織。其次，對于內壁熔銅層，具有顯微組織致密，無氣孔、微裂紋、夾渣等冶金缺陷的特征，表明熔覆層與基體形成了良好的冶金結合。對內壁熔銅層的顯微組織放大發現熔銅層下部區域有一層厚度約3 μm 的深杰色帶狀熔合線。隨著熔銅層向頂部延伸，出現了枝晶狀和球狀析出相組織，且其尺寸逐漸增大。激光熔覆層的元素分布較均勻，僅晶界呈現出富Cr、Mo 元素特性，表明熔覆層出現了敏化造成了局部貧鉻，易出現點蝕問題。其次，內壁熔銅層的枝晶狀和球狀析出相為富Fe、Al 相。結合XRD，可進一步確認析出相為枝晶狀的κ相AlFe3和球狀的γ 相Fe 基固溶體相。

進一步對激光熔覆層/內壁熔銅層的硬度進行分析。結果表明，激光熔覆層的硬度約為300 HV0.5，而熔銅層的硬度則僅為200 HV0.5，表明激光熔覆層具有更高的硬度。根據Archard 定律，材料的耐磨性與其硬度呈正相關，意味著激光熔覆層具有更加優異的耐磨性[9]。

圖2 為激光熔覆層/內壁熔銅層的極化曲線圖。結果表明，極化曲線均分為活化區、鈍化區和過鈍化區。其中，激光熔覆層的鈍化區的出現是因為熔覆層表面生成了一層Cr2O3的鈍化膜，阻礙試樣與腐蝕溶液發生反應。而隨著電位改變，鈍化膜破裂，熔覆層發生點蝕，出現電流密度大幅度增加的現象；同樣，內壁熔銅層的二次鈍化可能是因為材料發生了新的陽極反應。因此，相較于內壁熔銅層，激光熔覆層的耐蝕性明顯提高。

圖2 激光熔覆層/內壁熔銅層的極化曲線圖

圖3 為電化學腐蝕后激光熔覆層/內壁熔銅層的形貌圖。結果表明，經過電化學腐蝕后，激光熔覆層表面出現了大小、深淺不同的點蝕坑。高倍SEM 表明，點蝕坑內部呈現蜂窩狀孔洞。根據文獻，激光熔覆層點蝕的產生符合貧鉻理論。因此，在電化學腐蝕過程中，激光熔覆層富鉻區域耐蝕性遠優于周邊的奧氏體晶粒，導致奧氏體晶粒腐蝕而形成富鉻的蜂窩狀結構。對于內壁熔銅層，電化學腐蝕后熔銅層表面出現了細小而密集的孔洞。此外，Cu 基體的電位為+0.3 V，而Al、Fe 的電位分別為-0.6 V 和-0.4 V，因物相的電位差形成了腐蝕微電池，造成了Al、Fe 元素優先溶解而形成脫合金元素腐蝕。因此，富含γ 相和κ相的內壁熔銅層的耐蝕性明顯惡化，造成其耐蝕性明顯降低。

圖3 電化學腐蝕后激光熔覆層/內壁熔銅層的形貌圖

經過中性鹽霧腐蝕后，激光熔覆層/內壁熔銅層的腐蝕形貌見圖4。首先，1 000 h 鹽霧后激光熔覆層未出現明顯的腐蝕痕跡，腐蝕性能評級為9 級（GB/T 6461-2002），表明激光熔覆奧氏體熔覆層可以長期抵抗Cl-侵蝕。然而，內壁熔覆層則腐蝕明顯，經過100h鹽霧后，內壁熔銅層已覆蓋一層褐色腐蝕物，而1 000 h 后內壁熔銅層由大量紅褐色和少量藍綠色的腐蝕產物而覆蓋。并且，計算表明其腐蝕速率高達0.1 297 g·m-2·h-1。進一步對內壁熔銅層的腐蝕產物進行分析，圖4（d）表明219、401 和636 cm-1的譜峰對應紅褐色Cu2O，位于127、219、816 和930 cm-1等的譜峰對應Cu2(OH)3Cl（藍綠色）[10]。因此，內壁熔銅層表面形成了以紅褐色產物為主，兼有少量藍綠色腐蝕產物。

圖4 激光熔覆層與內壁熔銅層鹽霧腐蝕形貌圖（a）（b）（c）及（d）腐蝕產物拉曼光譜圖

綜上所述，相比電弧熔銅，激光熔覆技術同樣有望實現液壓油缸的內壁強化，且奧氏體結構的激光熔覆層的綜合性能較電弧熔銅層更加優異。此外，從成本而言，鐵基粉末價格僅有銅焊絲的一半，原材料成本低。因此，對于典型工況下煤礦液壓支架內壁的表面強化，可進一步從工程應用論證兩種防護技術的優缺點，以推進液壓油缸表面強化技術的發展。

3 結論

本研究針對液壓油缸內壁表面強化問題，研究了激光熔覆層和內壁熔銅層微觀結構和服役行為，得到如下結論。

（1） 以鐵基粉末為原料制成的激光熔覆層主要由奧氏體相組成；鋁青銅焊絲為原料形成的內壁熔銅層主要α-Cu 基體、球狀γ 相以及枝晶態κ 相組成，且出現了元素偏析現象。

（2） 激光熔覆層的硬度顯著高于內壁熔覆層，意味著激光熔覆層具有更高的耐磨性。

（3） 相比內壁熔銅層，激光熔覆層具有更為優異的耐蝕性，尤其鹽霧腐蝕環境下性能差異明顯，其原因在于內壁熔銅層出現了疏松的Cu2(OH)3Cl 產物。