（核技术及应用专业论文）激光熔凝核工程结构材料不锈钢的抗腐蚀性研究.pdf

摘要 不锈钢是核工程结构中常用的材料。大量用于制作燃料元件包壳，工艺管道，蒸 汽发生器，泵，阀等，由于工作条件极端苛刻，尽管不锈钢具有优异的抗腐蚀性，但 仍会出现许多腐蚀问题，例如应力腐蚀、晶间腐蚀、隙缝腐蚀和点腐蚀等。 本文利用t j - h l - t s 0 0 0 型c 0 2 激光器对1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢基材和焊接接 头进行激光熔凝处理，改善焊接接头抗腐蚀的均匀性，并提高不锈钢抗腐蚀性能。利 用j s m - 6 3 6 0 v 扫描电镜、o x f o r d 能谱仪、o l y m p u sg x s t 金相显微镜等仪器对熔凝层 进行微观检测，利用c h l 6 6 0 b 电化学分析仪对试样进行抗腐蚀性试验，分析其内部组 织结构、化学成份与抗腐蚀性能的关系，并对影响腐蚀效果的因素进行了综合研究。 试验结果表明： ( 1 ) 激光熔凝层比不锈钢基体具有更强的耐蚀性，这和熔凝层的结构有关。 1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢基体组织为单相奥氏体等轴晶，经激光表面熔凝处理后， 除组织形态发生了显著变化外，在表面的熔化区获得极细的等轴晶和超微晶。 ( 2 ) 由于焊接自身的工艺特点，造成焊接接头的组织和性能不均匀，在核工程恶 劣工况下，常出现晶间腐蚀和应力腐蚀。激光熔凝焊接接头中的薄弱环节一近焊缝区， 可使近焊缝区的粗大组织细化，改善微观结构和成分偏析，从而提高抗蚀能力。采用 加速腐蚀试验方法，对焊接试样施加拉应力，发现近焊缝区经激光熔凝后，应力腐蚀 倾向减小。阳极极化曲线测试结果也表明，激光熔凝后不锈钢的抗晶间腐蚀能力有所 提高。 本研究对不锈钢焊接接头采用激光熔凝改善其抗腐蚀性进行了有益尝试，为激光 熔凝技术在更广阔的领域得到应用提供了实验依据。 关键词：奥氏体不锈钢，激光熔凝，腐蚀试验，焊接接头 i 1 1 c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fs t a i n l e s ss t e e lf o rn u c l e a r e n g i n e e r i n g b yl a s e rm e l t i n g a b s t r a c t s t a i n l e s ss t e e li so n eo ft h ec o m m o nm a t e r i a l sf o re n g i n e e r i n gs t r u c t u r e i ti su s e df o r s h e l lo ff u e lc o m p o n e n t ，p r o c e s sp i p i n g ，s t e a mg e n e r a t o r , p u m p sa n dv a l v e s a l t h o u g h s t a i n l e s ss t e e lh a st h ea d v a n t a g eo f s u p e r i o rc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，m a n yc o r r o s i o np r o b l e m s o c c u rw h e ni ti su s e du n d e rb a dc o n d i t i o n , s u c ha ss t r e s sc o r r o s i o n , i n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o n , c r e v i c ec o r r o s i o na n dp i t t i n g t h ep a p e rd e a l sw i t ht h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fc o r r o s i o n e f f e c ta n da n a l y z e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni t sm i c r o s t r u c t u r e ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n d c o r r o s i o nr e s i s t a n c eb yt h ef o l l o w i n gm e a n s ：f i r s t l y , t ot r e a t1 c r l 8 n i 9 t ia u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e lb a s em a t e r i a la n dw e l d i n gj o i n tb yl a s e rm e k i n gu s i n gt j - i l l - t 5 0 0 0c 0 2 l a s e rt oi m p r o v ei t se v e n n e s sa n di n c r e a s et h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c e ；s e c o n d l y , t oe x a m i n e t h em i c r o s t r u c t u r eo f m e l t i n gl a y e rb ys u c hi n s t r u m e n t sa ss e mo f j s m 一6 3 6 0 v ，e d xo f o x f o r d ，a n do mo fo l y m p u sg x 51 t h i r d l y , t ot e s tc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h e s a m p l eb ya ne l e c t r o c h e m i s t r ya n a l y t i c a li n s t r u m e n to f c h l 6 6 0 b r e s e a r c hr e s u l t ss h o w ： ( 1 ) t h el a s e rm e l t i n gl a y e r sh a v et h eb e t t e ra b i l i t yo fc o r r o s i o nr e s i s t a n c et h a nt h e s t a i n l e s ss t e e ls u b s t r a t e sr e l a t i n gt ot h e i ro r g a n i z a t i o n t h eo r g a n i z a t i o no f1c r l 8 n i 9 t i a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e ls u b s t r a t e si ss i n g l e - p h a s ea u s t e n i t i cc u b i cc r y s t a l a r e rp r o c e s s e d b yt h el a s e rs u r f a c em e l t i n gt h eo r g a n i z a t i o no fs t a i n l e s ss t e e ls u b s t r a t e sc h a n g eg r e a t l y , e s p e c i a l l yt h ec u b i cc r y s t a la n ds u p e r - m i c r oc r y s t a l l i n ea p p e a ro nt h es u r f a c eo ft h em e k i n g a f e a ( 2 ) o na c c o u n to ft h ec h a r a c t e r i s t i co fw e l d i n gt e c h n o l o g yt h eo r g a n i z a t i o na n d p r o p e r t yo fw e l d i n gj o i n ti sn o th o m o g e n e o u s u n d e rb a dc o n d i t i o no f n u c l e a re n g i n e e r i n g ， s t r e s sc o r r o s i o na n di n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o na p p e a ri nt h ew e l d i n ga r e a t h ea r e ac l o s et o t h ew e l d i n gl i n ei st h ew e a k e rp a r to ft h ew e l d i n gj oi n t ，l a s e rm e l t i n gc a ni m p r o v ei t s i v m i c r o s t r u c t u r ea n dm a k ei tf r e e r s ot h ea b i l i t yo fc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ea r e ac l o s et o t h ew e l d i n gl i n ei m p r o v e s a d o p t i n gt h em e t h o do fa c c e l e r a t i n gc o r r o s i o ne x p e r i m e n t sb y a p p l y i n gt e n s i l e s t r e s so nt h es p e c i m e n , t h et e n d e n c yo fs t r e s sc o r r o s i o no ft h ea r e a d e c l i n e s t h ea n o d i cp o l a r i z a t i o nc u r v e ss h o w st h a tt h ea b i l i t yo fi n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o n r e s i s t a n c eo f t h es t a i n l e s ss t e e li ss t r o n g e ra f t e rt h ep r o c e s so fl a s e rm e l t i n g t h er e s e a r c hm a k e sap r o f i t a b l ea t t e m p tt oi m p r o v et h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo f s t a i n l e s ss t e e lw e l d i n gj o i n tb yl a s e rm e l t i n ga n dl a y sf o u n d a t i o nf o ra p p l y i n gl a s e rm e l t i n g t e c h n o l o g yi nam u c hw i d e rf i e l d x i a n g f a n gf a n ( n u c l e a rt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n ) d i r e c t e db yl i h o n gz h a o k e yw o r d s ：a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，l a s e rm e l t i n g , c o r r o s i o n e x p e r i m e n t ， w e l d i n gjo i n t v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得南华大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：键1 轴身日期：如o - ) m 多月孑e l 关于学位论文使用授权说明 本人同意南华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保留学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：韬布自暑导师签名：龟多蔹 日期：曲7 年多月8e l 第一章综述 1 1 本文研究的目的和意义 不锈钢是一种特殊的合金钢，银白色，因具有优异的耐蚀性、良好的工艺性，适 当的力学性能，广泛地应用于各行各业，是用于制造有抗腐蚀要求的设备和构件的重 要金属材料。核工程中，不锈钢主要用于制作燃料元件包壳，工艺管道，蒸汽发生器， 泵，阀等，工作环境相对其他行业要恶劣，故对抗蚀性要求更高。例如，在核反应堆 中，堆芯材料中的元件包壳，其工作条件是很苛刻的，必须在强辐照场内，在高温、 高压( 压水堆) 、高热流的流动介质中具有良好的使用性能n 1 。然而，不锈钢的不锈 性和耐蚀性能都是相对的，有条件的、受到诸多因素的影响，包括介质种类、浓度、 纯净度、流动状态、使用环境的温度、压力等心1 ，目前还没有对任何腐蚀环境都具有 耐蚀性的不锈钢。因而，反应堆系统中的许多重要设备和部件，如反应堆压力壳堆焊 衬里、燃料元件包壳、反应堆排泄口喷嘴、沸水堆过热器管路、主回路管路、热交换 器等，几乎都发生过腐蚀破裂现象n 1 。 不锈钢发生的腐性破吼按其分布状态可分为两大类：均匀腐蚀和局部腐蚀。两 者是相对而言的，均匀腐蚀是指接触介质的金属表面全部产生腐蚀的现象；局部腐蚀 是指设备或构件从其表面开始，腐蚀的萌生扩展都是在很小的区域内选择性地进行， 从而导致设备或构件的局部破坏现象。均匀腐蚀容易被人们所觉察，从腐蚀工程的角 度来说，较易采取对策；而局部腐蚀问题，由于较隐蔽，往往在没有先兆的情况下突 然发生事故，危险性很大。据统计，在不锈钢腐蚀破坏事故中，由局部腐蚀引起的高 达9 0 以上心1 。 本课题针对核工程结构对材料的抗腐蚀性要求高的特点，选择激光熔凝技术对 l c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢和易发生局部腐蚀破坏的焊接接头进行表面处理。主要目 的是通过对材料处理后的组织结构观察、分析及理化性能试验，比较经激光处理和未 经激光处理的抗腐蚀性效果，优化i c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢和焊接接头激光溶凝的 工艺参数，为应用激光溶凝技术提高不锈钢的耐蚀性理论研究提供实验依据，寻求利 用激光改善核工程结构材料抗腐蚀性的新途径。 腐蚀反应是普遍存在的，金属腐蚀造成的损失和危害十分巨大，世界上每年因腐 蚀报废很多材料，以致有时被称作“腐蚀灾难 n 1 。一直以来，世界各国对金属腐蚀 和防护都十分重视，腐蚀研究和国民经济的发展息息相关。本课题探索现代先进的激 光技术在核工程结构常用材料一奥氏体不锈钢上的应用，并对结构中的薄弱环节，焊 接件的接头进行研究，借助激光溶凝改善耐蚀性能，这对提高结构可靠性，延长使用 寿命，降低成本有着十分重要的意义。 1 2 核工程结构用不锈钢概况 1 2 1 核工程结构用不锈钢的材质特点及应用 不锈钢是指主加元素铬含量能使钢处于钝化状态，又具有不锈特性的钢。为此， 不锈钢c r 应高于1 2 5 乜】。此时，不锈钢形成致密的c r 。0 3 氧化膜，使钢的电极电位 和在氧化性介质中的耐蚀性发生突变性提高。在非氧化性介质中，铬的作用并不明显， 除了铬外，不锈钢中还必须加入能使钢钝化的n i 、m o 等其他元素。 按组织状态不锈钢常分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢三大类。 马氏体不锈钢主要是c r l 3 型不锈钢。典型钢号为i c r l 3 、2 c r l 3 、3 c r l 3 、4 c 1 3 。 随含碳量提高，钢的强度、硬度提高，但耐蚀性下降。 铁索体不锈钢典型钢号如i c r l 7 ，这类钢的特点是高铬低碳，组织为单相铁素体。 由于在加热冷却过程中不发生相变，因而不能进行热处理强化，只能通过加入钛、铌 等强碳化物形成元素或经冷塑性变形及再结晶来细化晶粒，这类钢耐酸蚀、抗氧化能 力强，塑性好，但有脆化倾向。 奥氏体不锈钢主要是1 8 - 8 型不锈钢，如0 c r l 8 n i 9 、i c r l 8 n i 9 、i c r l 8 n i 9 t i 。以 1 8 - 8 型铬镍钢为基础的奥氏体不锈钢，应用最广，约占奥氏体不锈钢的7 0 ，占全部 不锈钢的5 0 。为了提高耐蚀性，1 8 - 8 型钢中常加入ti 、n b 、m o 、s i 等铁素体形成 元素，并提高铬含量，降低碳含量。但这些元素都缩小奥氏体( y ) 相区，因此为了 使这类钢保持奥氏体组织，钢中的镍含量应不小于以下计算值： n i = 1 1 ( c r + m o + 1 5 s i + 1 5 u b ) 一0 5 m n 一3 0 c 一8 2 2 式中n i 、c r 、m o 、s i 、n b 、m n 、c 分别表示相应元素在钢中的含量( ) 。当钢中 含n i 量小于上式计算值时，钢的组织除奥氏体外，还会出现6 铁素体。奥氏体不锈 钢具有优良的机械性能和工艺性能，而且耐蚀性也优于铁素体和马氏体不锈钢。基 于以上特点，目前在核工程结构中很多零部件优选奥氏体不锈钢n 1 。 1 2 2 核工程结构用不锈钢的腐蚀破坏形式 腐蚀破坏形式主要有以下几种： 一一( 1 ) 晶间腐蚀：在腐蚀介质作用下，起源于金属表面沿晶界深入金属内部的腐蚀， 晶粒本身不腐蚀或腐蚀的很轻微，金属中出现晶间腐蚀后外观无明显变化，晶间腐蚀 导致晶粒间的结合力丧失，材料的物理、力学性能几乎消失，造成严重的破坏b 3 。不 锈钢在焊接后容易遭受晶间腐蚀。 ( 2 ) 点腐蚀及隙缝腐蚀：点腐蚀是在金属材料表面产生的尺寸约小于1 0 姗的穿孔 性或蚀坑性的宏观腐蚀。点蚀的形成主要是由于材料表面钝化膜的局部破坏所引起 的。隙缝腐蚀是金属构件隙缝处发生的斑点状或溃疡形宏观腐蚀。常发生在垫圈、铆 接、螺钉联接缝、搭接的焊接接头、阀座等处。由于连接处的缝隙被腐蚀产物覆盖以 及介质扩散受到限制等原因，该处的介质成分和浓度与整体有很大差别，形成了“闭 塞电池腐蚀”的作用心1 。 ( 3 ) 应力腐蚀：在静拉伸应力与电化学介质共同作用下，因阳极溶解过程引起的断 裂。有三种不同类型：应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳。根据不锈钢设备与制件的应力腐 蚀断裂事例和试验研究工作，可以认为：在一定静拉伸应力和在一定温度条件下的特 定电化学介质的共同作用下，现有不锈钢均有产生应力腐蚀的可能盈1 。奥氏体不锈钢 制设备经常由冷却水、蒸气、空气中积水引起应力腐蚀断裂。有资料统计，在使用一 年以内就产生应力腐蚀破裂的设备和部件占实际腐蚀破裂的5 0 以上n 1 ，由此可见应 力腐蚀危害性之大。 1 2 3 核工程结构用不锈钢的防护方法 金属腐蚀的防护方法很多，针对腐蚀的原因，采用不同的防护措施。除了合理选 择与使用材料外，目前比较成熟和常用的方法有表面防护( 在金属材料表面加上覆盖 层，使基体与腐蚀介质隔开，防止零件腐蚀) ；在介质中加入缓蚀剂；电化学防腐蚀 ( 阴极防护和阳极保护) 。 核工程结构用不锈钢工作环境比较特殊。例如，压水反应堆是以低浓缩铀( 或钚) 作核燃料，用轻水( 普通纯净水) 作慢化剂和冷却剂、实现可控制的链式裂变反应的 装置。它是由堆芯、堆内构件、压力壳及控制棒、驱动机构等组成，钢制压力壳是放 置堆芯和堆内构件的高压容器，而且也是防止放射性物质外逸的重要屏障。堆芯、控 制棒、构件、高压冷却水( 也是慢化剂) 等都放在压力壳内，因要求一回路冷却水在 3 5 0 。c 左右也不发生沸腾，所以冷却水压力需保持在1 4 0 个大气压以上。为了能承受 高压，压力壳用高强度低合金钢制成。高温高压冷却水中还含有硼( 硼是强中子吸收 物质) ，为防止高温含硼水对压力壳的腐蚀，在压力壳内壁焊了一层厚几毫米的不锈 钢衬里，要求使用寿命4 0 年以上“1 。也就是说，在压水堆中，不锈钢衬里直接接触 高温硼酸水溶液。 预防腐蚀主要是通过合理用材、选择合适的热处理工艺、降低表面残余应力或造 成表面压应力状态( 喷丸处理、水冷焊接) 、控制水质、表面保护( 抛光处理、阳极 氧化处理) 等办法来实现，见表1 。 表l 水冷反应堆中不锈钢发生应力腐蚀的原因和防护措施 原因主要因素防护措施 材料耐蚀性差 4 5 0 - 8 5 06 c2 1 热发生敏化 选低碳或双相不锈钢 高的拉应力设计应力大、加工残余应力水冷焊接、堆焊、固溶处理等 腐蚀环境恶劣溶解氧、敏感离子进入控制水质 表面状态差粗糙度大、麻坑、微裂纹提高加工平整度：抛光、阳极氧化 采用以上方法来提高不锈钢的抗均匀腐蚀性无疑是有效的，如水冷焊接对不锈钢 的应力腐蚀破裂可起到一定的预防作用，但焊接接头处仍然是一个薄弱环节，由于焊 接自身的工艺特点，往往会造成焊接接头的组织及性能不均匀，这种不均匀是焊接接 头失效的主要原因，为了改善焊接接头组织，提高性能，人们尝试着对焊接接头表面 进行喷丸处理、超声捶击、电弧重熔嘲、超音速颗粒轰击等，己取得了一些好的效 4 果。喷丸处理和超声捶击在生产上运用较多，而电弧重熔和超音速颗粒轰击技术处理 焊接接头则是近年出现的较新颖的方法，中国科学院金属研究所、浙江大学分别开展 了这方面的研究。 1 3 不锈钢的激光表面处理 1 3 1 激光表面工程概况 一激光是2 0 世纪6 0 年代一项重大科学成果，它不仅在光学领域开辟了一个新纪元， 而且也促进了其他科学领域的发展。6 0 年代，在机械工程领域，激光除了作为非接 触测量或准直工具外，作为材料的一种特种加工手段，如集成电路的焊接、金刚石的 打孔、陶瓷和硬质合金的切割以及核反应堆堆芯零部件的打孔、切割等，解决了许多 关键性的技术问题，称“激光加工的第一代。7 0 年代开始，由于激光技术的发展 和千瓦级大型激光器的研制成功，人们研究激光和材料的相互作用，在改善零件表面 的结构和性能方面，取得了可喜的成果，称“激光加工 的第二代。 目前，激光表面工程已发展成为材料工程学科的重要方向之，被誉为光加工时 代的一个标志性技术n 1 ，各国( 尤其是发达国家) 均予以重点发展。 我国是8 0 年代初开始研究激光表面技术的，二十多年来，已取得了一些重要成 果。随着我国制造业的崛起和发展，激光表面工程的市场需求正在快速增长，虽然激 光加工目前还是一种成本较高的加工方式，但其优异的性能价格比使其越来越成为许 多重要、关键零部件的表面改性方式，人们认识到它的良好前景并在各行各业积极开 展应用研究。 1 3 2 激光加工特点 激光是一种原子系统在受激辐射放大过程中产生的具有高亮度的相干光。与普通 光相比，激光具有极高单色性、空间相干性、方向性和高能量密度。其中激光束的空 间相干性和方向对它的聚焦性能有重要影响。激光表现出良好的聚焦特性，聚焦后的 激光在焦点附近可以达到1 0 7 1 0 1 2 w c m 吨以上的能量密度，产生数千度乃至上万度的 5 高温，可以熔化和汽化任何材料，从而实现各种加工。 与传统加工方法相比，有以下特点咖： 1 激光能量密度高，可以在瞬间熔化和汽化任何材料，实现各种金属和非金属的 加工，包括各种难熔材料和高导热性材料。 2 激光加工为非接触加工，与被加工工件之间没有力的作用，不存在刀具的磨损， 可以加工脆性材料和高硬度材料。 3 激光束易于聚焦和成型，根据需要可以任意改变光斑形状、大小和能量密度， 实现材料的表面改性。一 4 激光束的导向和能量传递方便快捷，与光传输数控系统配合，可以实现高度自 动化的三维柔性加工。 5 激光与被加工材料之间的相互作用可以精确控制，加工质量高。 6 激光加工节省能源，不产生环境污染，是一种绿色制造技术。 1 3 3 激光表面处理在不锈钢材料上的应用 材料的表面状态对耐蚀性能有很大影响。通过表面加工处理在不锈钢的表面形成 更耐腐蚀的表层，使其能经受苛刻的使用环境，可延长使用寿命，提高工作可靠性。 对不锈钢进行激光表面加工，改变其性能的研究，主要依据其应用环境，目的大 多是为了提高抗蚀性。国内外学者己作过一些研究，如激光熔覆曲1 、激光冲击强化n 、 激光表面合金化n 2 刊、离子注入n 钔和等离子渗氮n 5 3 等。不同的方法各有其特点，其中 研究较为热门的是激光熔覆，但由于迄今采用的涂覆材料大多为传统热喷涂用f e 、 n i 、c o 基合金粉末，颗粒粗细以“目”计算，使激光高能量密度的作用未充分发挥， 激光熔覆层或合金化层的开裂敏感性及与基体结合力仍然是困扰着国内外研究者的 一个难题，也是工程应用及产业化的障碍n 引。而激光熔凝是一种可控性极强的凝固技 术n 引，在改善材料的耐磨、耐腐蚀性能方面有明显的效果，愈来愈受到重视。 1 3 4 不锈钢激光表面处理的发展趋势 随着现代核能技术的发展，不锈钢除了用量在不断增加外，对不锈钢的耐蚀性要 6 求也越来越高，人们期盼这类材料在腐蚀性介质中、恶劣工况条件下的耐蚀能力进一 步提高n p l 9 】。近年来，纳米材料及应用技术获得了引人注目的发展。由于纳米材料的 小尺寸效应和表面效应，已经发现：纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度比常 规粉体低很多；颗粒小，界面多，为原子短程扩散提供了途径，因此纳米材料的固溶 扩散能力提高。最近，张光钧等n 3 3 在不锈钢基体上采用激光制备镍基纳米碳化钨复合 镀层，得到了一些独特的实验结果，材料的性能大幅度提高。这是由于激光快速熔凝 及纳米材料的“纳米效应”的综合作用所致。无疑，嫁接纳米技术的激光熔凝将是未 来的发展方向之。激光与其它表面处理技术相结合的复合表面工程也是非常好的思 路2 剖。 1 4 激光熔凝技术 1 4 1 激光熔凝的定义 激光熔凝是材料表面熔融强化技术的一种重要方法，也称激光熔化淬火。它是将 激光束加热工件表面至熔化到一定深度，然后自冷使熔层凝固，获得较为细化均匀的 组织和所需性质的表面改性技术。 1 4 2 激光熔凝的特点 主要特点有： 1 表面熔化时一般不添加任何合金元素，熔凝层与材料基体是天然的冶金结合。 2 在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的组织有较高 的硬度、耐磨性和抗蚀性。 3 其熔层薄，热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有时可以不再进 行后续磨光而直接使用。 7 1 4 3 激光熔凝技术的研究状况 文献瞳订报道，中国工程物理研究所，为提高不锈钢在介质中耐晶间腐蚀能力，利 用激光快速熔凝处理和用n b 激光表面合金化等手段改变了不锈钢的组织结构，使其 耐腐蚀的能力明显增强，在用n b 激光表面合金化的部分样品中，还发现了无序结构。 s u n 等啪1 对核工程结构中常用的材料钛合金表面进行激光重熔，熔区微观结构由单 相组织转变成针状马氏体组织，且随着处理参数的改变在试样表面生成了不同的钛氧 化物，从而增强了钛合金的抗蚀性能。m u d a l i 等扭5 。2 引，采用激光表面熔凝处理在改善 不锈钢的点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等方面也取得了较好的效果。此外，广泛用来制 造蒸汽涡轮叶片、水压机阀等零件的马氏体不锈钢，由于受水的不断冲刷，要求表面 具有一定的耐蚀性、耐磨性和疲劳强度等，因而需要表面具有较高的硬度、均匀的组 织等。蔡伟平1 等对该钢表面激光熔凝的组织特性进行了研究。结果表明，经激光照 射后，熔化层近乎无扩散凝固，致使凝固成分均匀分布。国内的一些学者，对t i o 瞳引、 c r l 2 啪删、2 c r l 3 m 1 、c r w m n 嘲、h t 2 0 0 灰口铸铁m 3 、不锈钢m 1 也作了激光熔凝处理的 试验研究，结果表明，激光溶凝能产生很好的硬化效果，有助于提高耐磨性，对于不 锈钢，主要是抗晶间腐蚀的能力明显增强。 目前，这些研究主要是针对基体材料，在不同的应用环境中进行试验。不锈钢焊 接接头上进行激光处理的研究开展不多，少见激光熔凝凝焊接接头的报道。 1 5 研究内容及方法 1 5 1 研究内容 1 不锈钢激光熔凝处理的工艺参数。 2 不锈钢焊接接头的组织和性能。 3 不锈钢基材和焊接接头激光熔凝层的形貌和组织结构特征。 3 影响不锈钢基材和焊接接头抗腐蚀性的因素。 4 激光熔凝改善不锈钢抗蚀性的效果及机理分析。 8 1 5 2 研究方法 采用实验研究、理论分析相结合的研究方法。 微细观机理分析组织结构、结合宏观效应，采用多因素正交方法，全面考虑激光 能量、材料、预处理、腐蚀介质等各因素对奥氏体不锈钢耐蚀性能的影响。 1 6 实验方案 1 6 1 试件制备 1 试件原材料( 基材) 采用山西太钢的i c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢热轧板，试板 厚度为l o 姗；焊接接头采用与基材相同的1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢热轧板，对接接 头，手工电弧焊进行焊接。 2 激光熔凝在t j h l t 5 0 0 0 型大功率c 0 2 激光器上进行，对不锈钢基材可在任 意部位直接熔凝即可；焊接接头的激光熔凝主要针对接头中的薄弱环节一近焊缝区 域。，为便于比较，进行晶间腐蚀试验的焊接接头样品，只在焊缝的一侧作激光处理， 另一侧保持焊接状态；进行应力腐蚀试验的焊接接头样品，焊缝两侧的近焊缝区均作 激光处理。 3 按金相检验要求，腐蚀试验要求，制成金相试样和腐蚀试验测试样品。焊接 接头拉伸试样按g b 2 6 5 1 - 8 9 焊接接头拉伸试验方法制作。 1 6 2 金相试样制备及观察 1 不锈钢基材试样：将试板沿垂直于激光扫描的方向进行线切割、切成1 5 m m x l o m m xl o m m 的试块，再依次经以下工序：镶样一粗磨一细磨一精磨一抛光一浸蚀， 制成不锈钢基材金相试样。 2 不锈钢焊接接头试样：将试板先沿垂直于激光扫描的方向线切割，再沿焊缝 中心线切开，切成1 5 n 衄n xl o m m l o n n 的试块，分别为熔凝试样和非熔凝试样，作好 标识，同样经镶样一粗磨一细磨一精磨一抛光一浸蚀工序制成焊接接头金相试样。 9 3 金相浸蚀剂为：浓度为6 5 的硝酸l o m l + 浓度为3 5 盐酸4 0 r a l + 水3 0 m l ( 或甘 油) ，采用擦蚀，以保证获得均匀的显示效果。用奥林巴斯g x 一5 l 金相显微镜观察分 析显微组织，并用尼康4 5 0 0 数码相机拍摄金相照片。在金相显微镜( o m ) 、扫描电镜 ( s e m ) 下观察，分析熔凝层的形貌特征和组织结构特征。 1 6 3 抗腐蚀性效果考察 1 测定阳极极化曲线，腐蚀介质：5 硫酸溶液( 晶间腐蚀) 、3 5 氯化钠溶液( 点 蚀) 。 2 应力腐蚀采用加速试验，利用残余应力造成的恒应变，将焊接接头置于浓盐水 ( 含2 0 n a c i + 1 n a 2 c r 2 0 7 ，下同) 溶液中浸泡，观察腐蚀现象；浸泡后在万能试验 机上拉伸至断裂，比较抗应力腐蚀倾向。 3 在含硼水溶液( b ：8 5 0 m g 1 ，下同) 口们浸泡，观察腐蚀现象。 1 6 4 理论分析 1 分析激光熔凝后成分的变化及其均匀性，熔凝层的形成规律。 2 分析激光熔凝层的成分、组织结构对晶间腐蚀、应力腐蚀的影响。 1 7 主要的实验室和仪器设备 本课题在南华大学机械学院激光加工中心、数控实验室、金相实验室、热处理实 验室、数理学院力学实验室进行实验，在湘潭大学电镜实验室进行s e m 和e d x 检测、 湖南工程学院电化学工作站进行阳极极化曲线测定。 主要的仪器设备有：t j - h l - t s 0 0 0 型c 0 2 激光器，y s d l 2 - 4 8 线切割机，s g 一7 5 一1 2 电阻炉，o l y m p u sg x 5 1 f 金相显微镜，x t l - 1 型体视显微镜，x q - 2 型金相镶嵌机 s h t 4 3 0 5 d ，d m p - 4 a 1 1 0 自动金相研磨抛光机，微机控制电液伺服万能试验机， j s m - 6 3 6 0 l v 扫描电镜，o x f o r d - e d x 能谱仪，c h l 6 6 0 6 电化学分析仪，m _ 2 型金相试 样预磨机，p - 1 型抛光机，$ 3 s t - 2 0 0 台式砂轮机，尼康4 5 0 0 数码相机，计算机。 1 0 1 8 本文的创新之处 1 确定激光熔凝1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢的最佳工艺参数。 2 对奥氏体不锈钢焊接接头进行激光熔凝试验，并对焊接后化学成分和组织结构 的均匀性与抗腐蚀性能的关系进行探讨。 3 对奥氏体不锈钢焊接接头的近焊缝区进行激光熔凝后，在低浓度硫酸溶液中测 试阳极极化曲线，判断晶间腐蚀敏感性。利用焊接残余应力造成的恒应变，将焊接接 头置于浓盐水溶液中浸泡，观察腐蚀现象；同时对浸泡后的试样施加拉应力，测试抗 应力腐蚀倾向。试验结果表明：具有良好抗腐蚀性的奥氏体不锈钢经焊接后，接头部 位的抗蚀性较母材有所降低，但激光熔凝后，抗腐蚀性可得到明显改善口朝。 第二章不锈钢基材的激光熔凝 2 1 激光熔凝加工条件与方法 2 1 1 试验材料 选用山西太钢产1 c r l 8 n i g t i 奥氏体不锈钢热轧板，厚度为l o 珊，其化学成分见 表2 一i 。 表2l 试验材料化学成分( 质量分数) 2 1 2 试件准备 将i c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢热轧板用线切割机切成6 0 r e x 5 0 r 血xl o m m 的矩形， 如图2 - 1 。切好后的试板放进s g 一751 2 电阻炉进行预先固溶处理o “，设定加热温度 1 1 0 0 c ，保温时间1 小时，冷却介质为水。固溶处理_ 【= 艺曲线如图2 - 2 。目的是使碳 化物在高温溶解后，经水冷获得单相奥氏体组织。图23 为1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈 钢经过预处理的试板。图2 4 为1 c r l 8 n i g t i 奥氏体不锈钢预处理后的组织。 图2 - 1 试板样品实物 温度 时间h 图2 - 2 固溶处理工艺曲线 灞藤瓣 剀2 - 4 预处理后的组织2 0 0 2 131 试板黑他处理 经预处理后的不锈钢试扳，作为激光熔凝的基体。去除表面氧化皮等污物，并用 丙酮清洗干净。由于不锈制表面很光亮对激光的反射率高，因此在激光处理前，在 试板的表面涂覆一层厚度约为5 0um 的石墨黑化涂料，室温下自然晾干，以提高试板 表面对激光能量的吸收率，增强处理效果。 2 1 3 2 设备调试 激光熔凝处理的装置由激光器，聚焦系统和数控工作台组成。激光器输出激光， 作为熔凝处理的热源。经过聚焦系统，可提高激光的功率密度，通过选择不吲的离焦 量，来控制照射面积，满足各种不同的需要。数控工作系统用来实现试板相对于激光 的扫描处理，保证扫描速度均匀可控，吼便于选择最佳扫描速度。激光输出功率可通 过电源系统，控制其工作电流来进行调节。 睦 缝缝灌燃麟缀辫一 m 开启并调试好t j h lt s 0 0 0 横流连续波c 晚激光器，光束模式为多模，将试板水 平放置在数控工作台上，调焦，测量好光斑直径，使试板相对于激光进行扫描处理。 21 33 激光熔凝工艺及参数 工艺参数主要有3 个，即激光器输出功率只光斑大小口及扫描速度k 在其它 条件一定的情况下，工艺参数p 1 口v 2 _ 间是可以相互补偿的，可通过适当调整来满 足不同的要求。激光能量密度的计算公式。“：口= 4 p ( “口力，式中日为作用于材料 表面的激光能量密度，由只口和r 共同决定。 本试验参考文献o ”州确定p 、口、r 的范围，光斑形状为椭圆形，长短轴长分别 为5 哪和4 嗍，长轴垂直于激光扫描方向，等效光斑直径口为45 m m 。以p 、r 两个 因子，各取5 个水平，作正交试验，激光功率只1 0 0 0 、1 2 0 0 、1 5 0 0 、1 8 0 0 、2 0 0 0 w ， 扫描速度k3 、3 5 、4 、4 5 、5 m s 。 214 金相试样的制备 用y s d 7 1 2 4 8 线切割机将熔凝后的试板切割成1 5 m m l o g n xl o m m 的试样，如图 25 。采用热镶法，在x q 一2 型金相镶嵌机上进行，镶嵌料：热固性塑性胶木粉，加热 温度1 3 0 c ，保温1 0 分钟，如图2 - 6 。镶好的样品依次进行磨光、抛光和浸蚀等工序， 制成金相试样。由于奥氏体不锈钢的硬度低，用常规方法磨制试样时，会由于表面塑 变而产生扰乱层，使组织模糊不清，故在从粗磨起每一道磨光均采用轻磨。在粗磨时， 选用砂纸的型号为3 6 0 # ，磨光时的按压力要小，并随时用水冷却，以防受热引起金 属组织变化。 翻 图2 - 5 切割的样品图2 - 6 镶嵌好的样品 粗磨后用清水洗净并擦干，再进行细磨，目的是消除粗磨后的磨痕，得到平整而 鬻鬻 光滑的磨面。磨好的试样用水冲洗并擦干后，依次在由粗到细的金相砂纸上把磨面继 续磨光。选用的金相砂纸型号分别为6 0 0 # 、8 0 0 # 、1 0 0 0 # 。 磨光方法：将砂纸放在玻璃板上，左手按住砂纸，右手握住试样，并使磨面朝下， 均匀用力沿直线向前推行，返回时试样要离开砂纸，如此反复，直至磨面上的磨痕被 去掉，新的磨痕均匀一致时为止。每磨好一张砂纸后，用清水洗去试样上的的沙粒， 拭干，换下一号砂纸再磨，此时，须将试样的磨制方向转动9 0 。，即与上一道磨痕 方向垂直。然后换第三张直到磨完最细砂纸为止。 磨好后再次用清水洗净，在d m p - - 4 a i1 0 全自动金相研磨抛光机上抛光，去除细磨 时磨面上遗留下来的细微磨痕和变形层，它是靠极细的抛光粉末与磨面间产生相对磨 削和滚压作用来消除磨痕，使其成为光滑的镜面。实验的抛光液选用c r 。0 3 细粉末在 水中的悬浮液。 清水洗净后即可进行浸蚀，用蘸有浸蚀剂的棉球轻轻擦蚀试样表面。 浸蚀剂配方：删0 3l o m l ，h c i4 0 m l ，甘油3 0 m l ； 浸蚀剂配制方法：先将h c l 和甘油彻底混合均匀，再加入0 3 。 2 2 激光熔凝样品分析 2 2 1 形貌特征 浸蚀后的样品在x t l - i 体视显微镜下观察，图2 - 7 为不锈钢经激光熔凝后的剖面 组织、低倍显微组织特征。因激光功率及其分布、光斑形状及尺寸、扫描速度、试件 材料物性等参数的不同会导致激光熔池中流场分布和温度分布的变化，而不同的流场 和温度场分布会产生不同的熔池形状，进而造成不同的熔池固一液界面上的温度梯度 分布m 1 。根据熔凝的温度分布，沿扫描面的垂直方向可将激光作用区分为：从表面开 始的熔凝层、热影响区和基体三部分。 观察发现：在表面的熔凝层，组织大大细化；热影响区分布较窄，分布区界限不 明显；熔凝层的尺寸受激光功率密度、扫描速度的影响较大。 豳圈 a 形貌特征3 5 b 彤貌特征1 0 0 图27 激光熔凝处理区域形貌特征 2 2 2 组织结构特征 例2 - 8 足用奥林巴斯g x 一5 1 金相显微镜观察到的熔凝层微观显微组织，可以清 楚地看到，冷凝厉，在同液( 基体熔池) 界面处，熔池边缘的白亮特以及熔池中的 放射状组织。幽在高能激光束快速扫描时，表面瞬间熔化并形成熔池，当激光束离卅 后，通过自冷使熔层凝固。金属熔池的边界是椭球形的曲面，熔池中的液态金属是在 这个曲面上开始形核和核长大的过程。 圈豳 a 熔池边缘2 0 0 b 熔池中间2 0 0 x 图28 激光熔凝处理区域显微组织o m 用j s m6 3 6 0 v 扫描电镜观察结合层附近基体及熔池组织。可以看出：基体组织 为单相奥氏体等轴晶( 图2 - 9 a ) 。经激光表面熔凝处理后，其组织形态发生了显著变 化( 图2 - 9 b ) ，在熔池的底部出现了约5 um 的白亮带，随着离熔池底部距离的增加， 分别出现细胞晶、胞枝结构( 图2 - 9 c ) ，在熔池的顶部出现紊乱的枝晶组织“( 图 2 9 d ) 。 c 熔池中央 b 熔凝层 d 熔池表面 图29 檄光熔凝处理区域显微组织$ e m 2 2 3 熔凝层形成规律 萎 g 墓 遘 j 图2 一1 0 是处理过程中激光熔池形状及凝固过程示意图。激光表面熔凝处理可近 似地看成是一个定向凝固过程1 ，因而，熔池中温度梯度( g ) 凝固速度t v s ) 比值是 凝同组织形态选择的个控制参数。 图2 一1 1 分别是g 和v s 值从熔池底部到表面的变化情况，可以看出，在熔池底部 v s o ，g 值最大，g v s 值很大。凝固组织以低速平界面生长，形成无微观偏析的组 织即观察到的白亮带；随着离熔池底部距离z 的增加，g v s 值迅速减小，平界面失 攀 霾遴 瀵鬻溅擎隳 稳，出现胞状生长，形成细胞晶，平均胞晶间距约0 7 | im 。以往的研究工作吣1 表明： 热流方向对晶体生长方向的影响，随g v s 值的增大而增大，故胞晶生长方向主要受 热流方向控制，而枝晶生长方向则主要由结晶学各向异性决定，受热流方向的影响很 小。在靠近熔池边缘的部位，温度梯度很高( 约5 1 0 6k m ) ，故胞晶的取向近似与固 液界面垂直。在接近熔池的中心部位，由于g v s 值的进一步减小，发生由胞晶生长 向枝晶生长的转变，出现了典型的胞枝结构。在熔池表面形成的紊乱枝晶是由于表面 g v s 值很小，枝晶取向主要受基体组织非规则取向的影响所致。 囊材m l 妇 l 图2 - 1 0 激光熔池形状及凝固过程示意图 3 7 卅 、 甜 0q 露