Fe基激光熔覆層腐蝕失效分析及應(yīng)對措施
激光熔覆作為一種重要的材料表面改性技術(shù)，主要是利用高能量密度的激光束作為熱源，將合金粉末和基體表面同時熔化，并快速凝固后原位形成稀釋度極低、與基體成冶金結(jié)合的表面熔覆層，顯著改善基體表面的耐磨、耐蝕、耐熱及抗氧化等性能，從而達(dá)到表面改性的目的，具有冶金結(jié)合牢固、熔覆層性能優(yōu)異、對環(huán)境無污染等優(yōu)點。激光熔覆技術(shù)不僅可以對磨損失效的機械裝備進(jìn)行再制造恢復(fù)其使用性能，而且能夠?qū)π碌臋C械裝備進(jìn)行表面強化，延長其使用壽命，因此激光熔覆技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，開始在煤機、礦山、石油及電力等行業(yè)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前，常用的激光熔覆材料有Fe基、Ni基、Co基、陶瓷復(fù)合材料等，由于Fe基粉末種類多、性能好、成本低等，在激光熔覆中得到廣泛應(yīng)用。Fe基激光熔覆層質(zhì)量的好壞直接影響了裝備表面激光熔覆強化的效果，在實際使用過程中，F(xiàn)e基激光熔覆層會受激光熔覆材料、工藝、環(huán)境等因素的影響，從而出現(xiàn)磨損、腐蝕等形式的失效。以煤機行業(yè)液壓支架為例，液壓支架作為機械化采煤的關(guān)鍵裝備，主要起支撐并防止煤矸石和煤屑落入刮板輸送機、隔離采空區(qū)的作用，對于煤礦安全具有重要的意義。由于煤礦井下濕度大，存在大量腐蝕介質(zhì)，為了減少液壓支架的腐蝕失效，延長使用壽命，常用的做法是對液壓支架活柱、中缸表面進(jìn)行電鍍處理。隨著國家對環(huán)境保護的重視，電鍍行業(yè)面臨的壓力越來越大，應(yīng)用激光熔覆技術(shù)在液壓支架活柱、中缸表面制備Fe基熔覆層被越來越多地采用。基于此背景，本文以液壓支架活柱、中缸為例，主要對Fe基激光熔覆層腐蝕失效進(jìn)行分析，并提出一系列的應(yīng)對措施。
一、Fe基熔覆層的制備
采用IGJR-4型數(shù)控半導(dǎo)體激光熔覆設(shè)備對液壓支架活柱、中缸進(jìn)行激光熔覆處理。激光熔覆材料選用Fe基自熔性合金粉末，根據(jù)液壓支架活柱、中缸表面的性能要求和工況條件，選用不同成分配比的Fe基粉末。
液壓支架活柱、中缸Fe基熔覆層制備的主要流程：清洗→激光熔覆→車削熔覆層→拋光熔覆層→質(zhì)檢→成品。針對舊的液壓支架活柱、中缸，在上述流程開始之前增加車削疲勞層的過程。
二、Fe基激光熔覆層腐蝕失效分析
在實際使用過程中，由于激光熔覆Fe基粉末成分選用不合理、激光熔覆工藝參數(shù)不匹配等原因，液壓支架活柱、中缸表面的Fe基激光熔覆層難免會出現(xiàn)腐蝕失效的現(xiàn)象，通常采用的腐蝕失效分析方法有外觀形貌分析、化學(xué)成分分析、顯微組織分析、鹽霧腐蝕試驗分析。觀察液壓支架活柱、中缸表面的Fe基熔覆層，當(dāng)出現(xiàn)明顯的點蝕、鐵銹、腐蝕坑等缺陷時，表明Fe基熔覆層已經(jīng)腐蝕失效。液壓支架中缸表面Fe基激光熔覆層腐蝕失效與未腐蝕表面形貌對比。
采用手持式X射線熒光光譜儀對激光熔覆后的Fe基激光熔覆層進(jìn)行化學(xué)成分分析。
由圖2可知，手持式X射線熒光光譜儀可以直接測出Fe基熔覆層的Cr含量。由于液壓支架活柱、中缸所處礦井環(huán)境大多含有腐蝕介質(zhì)，因此為了提升液壓支架的使用性能，其活柱、中缸可以采用激光熔覆技術(shù)制備一層Fe基熔覆層，而要保證熔覆層的耐蝕性要求，熔覆層必須含有足夠多的Cr，故激光熔覆時所用的激光熔覆材料為高Cr不銹鋼Fe基自熔性粉末。然而，激光熔覆過程中熔覆層顯微組織晶界處會析出碳化鉻，當(dāng)Cr含量不足時，會出現(xiàn)貧鉻區(qū)，而貧鉻區(qū)往往優(yōu)先發(fā)生腐蝕，并且貧鉻區(qū)的Cr含量相比未腐蝕區(qū)域偏低。因此，采用手持式X射線熒光光譜儀檢測液壓支架活柱、中缸表面Fe基熔覆層Cr含量，通過對比不同區(qū)域位置的Cr含量，初步判斷Fe基熔覆層腐蝕失效的原因。Fe基激光熔覆層腐蝕失效的一個重要原因是工藝匹配不合理，要確定腐蝕失效是否由工藝原因引起，需要對Fe基熔覆層進(jìn)行組織分析。首先制備Fe基激光熔覆層金相觀察試樣，主要流程為取樣→磨樣→拋光→腐蝕，然后采用金相顯微鏡對金相組織進(jìn)行觀察。Fe基激光熔覆層顯微組織對比。
由圖3可知，F(xiàn)e基熔覆層顯微組織主要包括平面晶、樹枝晶。在熔覆層底部與界面結(jié)合處，溫度梯度（G）與凝固速度（R）的比值G/R大，組織以平面晶方式外延生長，而在熔覆層內(nèi)部，主要為樹枝晶。激光熔覆工藝匹配是否合理，對Fe基熔覆層的顯微組織有著顯著的影響。當(dāng)激光熔覆工藝匹配合理時，F(xiàn)e基熔覆層顯微組織主要由平面晶與枝晶尺寸較小、分布相對均勻的樹枝晶組成；當(dāng)激光熔覆工藝匹配不合理時，F(xiàn)e基熔覆層顯微組織主要由平面晶與大小不一的樹枝晶組成，由于晶界處易產(chǎn)生偏析，并且晶界處的電位一般低于晶粒內(nèi)部，發(fā)生微電池反應(yīng)，加速腐蝕的發(fā)生，因此會直接影響Fe基熔覆層的組織形貌，降低熔覆層的耐蝕性，在使用過程中更易失效。
Fe基熔覆層的失效分析可以采用鹽霧腐蝕試驗來判斷。制備Fe基熔覆層鹽霧腐蝕試驗樣塊，按照《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗GB/T10125—2012》規(guī)定進(jìn)行鹽霧試驗。不同F(xiàn)e基熔覆層48h鹽霧腐蝕試驗結(jié)果對比。 相同試驗條件下，F(xiàn)e基熔覆層表面出現(xiàn)明顯的銹蝕點，而圖4b中Fe基熔覆層表面狀況良好，未見銹蝕現(xiàn)象，這表明圖4a中的Fe基熔覆層耐蝕性較差，在使用過程中更易發(fā)生失效現(xiàn)象。
三、減少Fe基激光熔覆層腐蝕失效的措施
結(jié)合失效分析的結(jié)果，減少Fe基激光熔覆層腐蝕失效的措施主要有以下幾種：理論和實踐表明，激光熔覆粉末成分直接影響了熔覆層的耐蝕性。因此，要綜合考慮工件表面的性能要求、環(huán)境條件和使用工況等因素，選用恰當(dāng)?shù)娜鄹卜勰┎牧稀?/span>相同的粉末類型，激光熔覆工藝參數(shù)不同，所得的熔覆層耐蝕性也不同。激光功率、熔覆速度、熔覆搭接量、送粉量及保護氣流量等工藝參數(shù)，會影響激光熔覆層的顯微組織形貌，進(jìn)而影響熔覆層的耐蝕性。通過合理匹配各工藝參數(shù)，可獲得組織細(xì)密、均勻的熔覆層，減少Fe基激光熔覆層腐蝕失效的發(fā)生傾向。在激光熔覆過程中，通過電磁攪拌、超聲振動等方法，改善激光熔池內(nèi)的對流運動，將樹枝晶打碎，從而細(xì)化熔覆層組織，減少偏析和疏松，有助于抑制氣孔和裂紋等缺陷的產(chǎn)生。由于Fe基熔覆層的腐蝕失效大多起源于氣孔、裂紋處，因此減少氣孔、裂紋的產(chǎn)生能夠有效地減少Fe基熔覆層的腐蝕失效。（4）細(xì)化激光熔覆過程的品質(zhì)管理在Fe基激光熔覆層制備過程中，要加強全過程的管理，例如，激光熔覆之前，嚴(yán)格按照激光熔覆粉末烘干規(guī)程進(jìn)行烘干，待熔覆工件要進(jìn)行*清洗，以減少Fe基熔覆層氣孔的產(chǎn)生；激光熔覆時發(fā)現(xiàn)熔覆層缺陷要及時進(jìn)行修補等。
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