310S不銹鋼表面激光熔覆鎳基球形碳化鎢復(fù)合涂層的抗熱震性能

劉佳，路程，劉江文 *

（1.華南理工大學(xué)分析測(cè)試中心，廣東 廣州 510640；2.中建鋼構(gòu)有限公司，廣東 深圳 518040；3.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

鋼板生產(chǎn)線上的核心部件(如均熱爐爐輥、輥環(huán)、矯直輥等)長(zhǎng)期工作在冷熱交替的苛刻環(huán)境中，為延長(zhǎng)它們的使用壽命，往往會(huì)在其表面制備涂覆層以改善它們的高溫耐磨、耐腐蝕、抗疲勞等性能。采用激光熔覆技術(shù)可以制得與基體結(jié)合力好的涂層[1-3]，而且與其他表面處理技術(shù)相比，它具有熱影響區(qū)小，冷卻速率快，材料消耗少，過程簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[4-7]。

目前制備激光熔覆涂層的材料主要有鎳(Ni)基、鐵基和鈷基合金粉末，其中鎳基合金較鐵基合金有更優(yōu)良的耐磨性和耐蝕性[8]，價(jià)格也比鈷基合金便宜，因而被研究得最多，應(yīng)用也最廣泛[9-10]。研究人員[11-12]對(duì)鎳基涂層的高溫耐磨性做了大量的研究工作，結(jié)果表明在鎳基合金粉末中加入一定量的碳化鎢(WC)顆粒能很好地起到彌散強(qiáng)化的作用，大大提高熔覆層的耐磨性和耐蝕性[13-16]。雖然關(guān)于Ni基合金涂層的耐磨性、耐蝕性、熔覆工藝等方面研究的文獻(xiàn)較多，但鮮見有關(guān)其熱疲勞性能方面的報(bào)道，而熱疲勞性能對(duì)工件的服役壽命是至關(guān)重要的。

本文通過對(duì)鎳基Inconel 625–10%WC激光熔覆涂層進(jìn)行熱震試驗(yàn)，考察了退火處理對(duì)其熱疲勞性能的影響，并研究了熔覆層開裂失效及抗熱震性能的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 激光熔覆層的制備

基材選用200 mm × 200 mm × 10 mm的310S不銹鋼板，熔覆前先進(jìn)行丙酮清洗與噴砂處理。涂層材料由Inconel 625粉末添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的球形WC顆粒，經(jīng)混粉機(jī)混合而成。采用DL-HL-T10000型高功率橫流CO2激光器和DL-LP III型激光數(shù)控加工機(jī)，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行激光熔覆。激光輸出功率為3 ～ 7 kW，激光光斑尺寸為10 mm × 1 mm，掃描速率為500 ～ 2000 mm/min，搭接率為30% ～ 50%，熔覆完成后放入保溫棉中緩冷至室溫(25 °C)，即得未退火的Inconel 625–10%WC熔覆層。

將上述帶熔覆層的不銹鋼板切成30 mm × 40 mm × 10 mm的試樣，隨機(jī)選一部分放入550 °C馬弗爐中保溫2 min，再隨爐冷卻至室溫，得到退火態(tài)熔覆層樣品。

1.2 表征與性能測(cè)試

在吉林大學(xué)自主研制的熱疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。試樣先在800 °C保溫10 min，然后被迅速浸入室溫的水中冷淬15 s，再800 °C保溫10 min，如此反復(fù)循環(huán)。每熱震10次后取出晾干，隨后進(jìn)行著色探傷，觀察涂層表面是否出現(xiàn)裂紋。若無裂紋，接著做下一次熱沖擊循環(huán)。記錄試樣出現(xiàn)裂紋時(shí)所做的全部循環(huán)次數(shù)。

用JL-SM 5910型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的形貌，用Bruker公司的5010型能譜儀(EDS)分析試樣微區(qū)的成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔覆層熱震試驗(yàn)后的形貌

經(jīng)過320次熱震循環(huán)后，未退火的Inconel 625–10%WC熔覆層產(chǎn)生了輕微的裂紋和翹曲變形，而退火態(tài)試樣的表面比較完好。對(duì)試樣表面進(jìn)行探傷，其宏觀形貌如圖1所示。

圖1 不同試樣熱震試驗(yàn)后的外觀Figure 1 Appearance of different samples after thermal shock test

進(jìn)一步觀察未退火試樣的微觀組織形貌。由圖2可見，未退火試樣的表面和截面均出現(xiàn)了裂紋，這與圖1中的裂紋探傷情況吻合。試樣內(nèi)部的裂紋由基材延伸至熔覆層表面，且直接從球形WC顆粒內(nèi)部穿過，使其破碎失效，尤其是在熔覆層與不銹鋼基材界面結(jié)合處，開裂現(xiàn)象非常嚴(yán)重。在表面熔覆層邊緣處則出現(xiàn)了剝落現(xiàn)象。

圖2c所示為裂紋產(chǎn)生區(qū)域附近WC顆粒表面的EDS譜圖中有氧元素的峰出現(xiàn)，說明熱震過程中的高溫使部分WC顆粒表面發(fā)生了氧化，形成脆性氧化物，降低了該區(qū)域的屈服極限，使其更容易發(fā)生開裂，并促使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展[17]。另外，WC顆粒的導(dǎo)熱性比Inconel 625基料差，在熱震過程中，溫度的突變使WC顆粒內(nèi)外表面存在較大的溫度差，從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致微裂紋從WC顆粒內(nèi)部較薄弱的區(qū)域開始產(chǎn)生、生長(zhǎng)和擴(kuò)展，最終貫穿整個(gè)顆粒并與Inconel 625基料中的裂紋匯聚，形成宏觀裂紋[18]。隨著熱震繼續(xù)循環(huán)進(jìn)行，在交替突變應(yīng)力的作用下，被氧化脆裂的WC開始斷裂剝落。綜上所述，球形WC顆粒的熱震開裂失效，主要是由于WC與基料間熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生了熱應(yīng)力，同時(shí)WC被氧化也加劇了裂紋的生長(zhǎng)。

圖2 未退火熔覆層熱震試驗(yàn)后的微觀形貌及其裂紋部位的EDS分析結(jié)果Figure 2 Morphology of the unannealed cladding layer after thermal shock test and EDS analysis result of the cracking area

從圖3可見，經(jīng)過相同的熱震次數(shù)，退火態(tài)Inconel 625–10%WC熔覆層基本保持完好，表面與截面均未明顯開裂，僅有少數(shù)WC顆粒出現(xiàn)微裂紋，這是WC顆粒與Inconel 625基料間較大的熱膨脹系數(shù)差異造成的，且WC本身屬于脆性相，在交替應(yīng)力作用下難免出現(xiàn)微裂紋。但是退火態(tài)熔覆層內(nèi)部組織整體均勻致密，結(jié)合良好，說明退火處理能有效緩解熔覆層內(nèi)部的殘余應(yīng)力，改善熔覆層晶粒間的位錯(cuò)等缺陷，從而提高了其抗熱震能力[19]。

圖3 退火態(tài)熔覆層熱震試驗(yàn)后的微觀形貌Figure 3 Micromorphology of the annealed cladding layer after thermal shock test

2.2 熔覆層熱震損傷機(jī)理分析

熔覆層在熱震試驗(yàn)中所受到的應(yīng)力主要有殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力[20-21]。激光熔覆剛完成時(shí)，由于較厚的熔覆層中各物相間的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的差異，必然存在較大的殘余應(yīng)力。而退火處理可以在較溫和的條件下緩解熔覆層內(nèi)殘余應(yīng)力的影響。由溫度突變帶來的熔覆層內(nèi)部熱應(yīng)力則主要緣于熔覆層與基體間熱膨脹系數(shù)的不匹配。由式(1)[22]可見，在熱震試驗(yàn)時(shí)，ΔT恒定，熔覆層熱應(yīng)力大小主要取決于Δα，Δα越大，熱應(yīng)力越大。

式中，σΔT為加熱時(shí)涂層內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力，ΔT為加熱的溫度與無應(yīng)力參考溫度之差，Δα為基材與涂層材料的熱膨脹系數(shù)差，E為涂層材料的彈性模量，μ為涂層材料的泊松比。

形狀規(guī)則的球形WC顆粒盡管具有大的曲率半徑，且其表面與Inconel 625基料的過渡結(jié)合及潤(rùn)濕性能良好[23]，但是它硬而脆，熱膨脹系數(shù)(3.8 × 10?6K)小，與 Inconel 625基料的熱膨脹系數(shù)(12.3 × 10?6K)存在較大的差異，造成熱應(yīng)力集中在兩者結(jié)合的界面處。另外由于WC材料本身導(dǎo)熱性差，由溫度突變?cè)斐傻臒釕?yīng)力使存在缺陷的WC顆粒內(nèi)部更容易產(chǎn)生裂紋。

雖然Inconel 625基體與310S不銹鋼基材的熱膨脹系數(shù)(15.9 ×10?6K)較接近，但由于加入了較低熱膨脹系數(shù)和低導(dǎo)熱率的WC陶瓷顆粒，熔覆層整體的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率降低。在熱震過程中，Ni基熔覆層與不銹鋼基材之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致界面處的應(yīng)力集中，因而在界面區(qū)域內(nèi)較薄弱的缺陷處最先出現(xiàn)裂紋，隨后裂紋分別向不銹鋼基材與熔覆層內(nèi)部擴(kuò)展生長(zhǎng)。隨著熱震的反復(fù)循環(huán)，近裂紋處的涂層在高溫時(shí)更易發(fā)生氧化而進(jìn)一步加劇了裂紋的擴(kuò)展生長(zhǎng)。而熔覆層 Ni基材內(nèi)裂紋的生長(zhǎng)速率快于WC顆粒中的微裂紋，當(dāng)熔覆層結(jié)合界面處擴(kuò)展而來的裂紋遇到WC顆粒時(shí)，其與WC顆粒內(nèi)部的微裂紋匯聚，最終形成宏觀的貫穿裂紋。

3 結(jié)論

WC顆粒與Inconel 625基體之間以及熔覆層與不銹鋼基材之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致界面處熱應(yīng)力集中，使得熔覆層開裂失效。近裂紋處材料的高溫氧化也加劇了裂紋在熔覆層中擴(kuò)展生長(zhǎng)。但退火處理能夠緩解熔覆層內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使位錯(cuò)等缺陷得以改善，并增強(qiáng)WC與Inconel 625之間的界面結(jié)合，從而提高了熔覆層的抗熱震性能。

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