3 試驗結果及分析
激光熔覆與等離子噴焊的組織區域可分為3部分，即熔焊區、熱影響區與基體。激光熔層組織細密均勻，晶粒度測定為11～12級，熱影響區寬約10～40μm；等離子焊層組織略粗大，晶粒度為9～10級，熱影響區寬約120～160μm。熔焊層的質量在已解剖的125個試樣中，激光熔層無缺陷的成品率達95%以上。等離子噴焊層中較易出現裂紋、氣孔、夾雜物等缺陷，如圖1c、d所示。對激光熔覆和等離子噴焊兩種工藝處理的試樣，分別沿熔層縱向的上中下層和沿橫向自邊緣至中心逐點測試顯微硬度，測試結果表明：激光熔層平均顯微硬度值為581HV0.2，比同種粉末的噴焊層硬度高20%～40%，且縱向和橫向的硬度均勻性都高于噴焊層。
經EDX-9100能譜儀分析，激光熔層中Ti，Fe，Ni3種元素受基體稀釋后分別平均達到（w%）0.075，8.58，1.385，而等離子焊層中以上3種元素受基體稀釋后分別平均達到（w%）0.83，16.19，2.06，可見后者比前者3種元素的稀釋率分別高10倍、2倍和1.5倍。而熔焊層中Co，Cr，W3種元素向熱影響區和基體的擴散損失率，等離子焊層比激光熔覆層也嚴重得多。從以上測試結果可分析如下：
（1）激光熔層比等離子噴焊層的組織更細密、均勻，熱影響區更窄。由于激光功率高，掃描作用時間短，涂層和基體表層加熱后熔化速度快，急速冷卻時過冷度大，熔池中的合金元素能迅速形成多種化合物而增加非自發晶核的數量，使形核率大為提高，形成細小均勻的顯微組織。組織細密可提高晶界結合力，增強材料強度和韌性。組織細密不但減少了單位晶界上的雜質含量，而且在快速冷卻過程中成分偏析程度減少，從而減少了因形成原電池效應而加速腐蝕的影響。
（2）鉻能顯著提高鋼的抗腐蝕能力，但碳與鉻的親和作用很容易生成碳化鉻。鋼中含碳量愈高，熔層中含鉻量就要降低，則熔層耐腐蝕性就會降低。但是，一般閥門密封面需要一定的硬度與強度，而含碳量愈多，熔層的強度與硬度就越高。所以，碳在粉末中的作用是矛盾的。采用激光熔覆閥門密封面與傳統工藝相比，由于激光熱源的特殊作用可使熔層具有更細密的組織，更高的強度與硬度。故在激光熔覆粉末中可適當降低粉末的含碳量，這樣既可得到密封面所要求的硬度與強度，又可減少碳化鉻的形成量，相對保證了鉻的含量。
（3）激光束作用時產生的熔池中的對流傳質作用［2］，能充分攪拌熔池，使熔池中氣體夾雜物能上浮析出，形成較為致密的涂層，保證了熔層的質量。而等離子噴焊過程是利用等離子體使噴焊粉末熔化、加速，通過大氣空間再噴射到基體材料表面。此過程伴隨有空氣混入焊層，因此在噴涂層上及界面部位往往存有較多的氣孔與夾雜物分布在粗大的枝晶之間，如圖1c、d所示。非金屬夾雜物造成的電化學不均勻性，由于熔層被稀釋等原因造成的化學成分不均勻性和金屬組織的不均勻性都降低了熔層的耐腐蝕性能。
（4）熔層的內應力會降低耐蝕性，即“應力腐蝕”。不銹鋼表面形成密封面時的熱作用會不同程度地在熔層中留下殘余應力，故一般都需要在加工后進行消除殘余應力的處理。處理的溫度高，保溫時間長，效果會更好。但這樣可能使熔層組織中的碳化鉻析出，貧鉻會造成晶間腐蝕，所以加工處理后一般只加熱到300～500℃保溫1～2h。對于含碳低或含鈦、鈮等元素的粉末，加熱溫度可適當提高。超低碳粉末使熔層不能析出碳化物，可從根本上消除發生晶間腐蝕的可能性，但碳含量過低會使熔層的硬度與強度大大降低，而且成本很高。較合適的方法是在粉末中加入能形成碳化物的元素，即加入鈦、鈮等，這些與碳親和力很強的元素會在熔層中優先形成TiC、NbC等，故可消除晶界出現的貧鉻現象，晶間腐蝕就不會發生。
4 熔焊層耐腐蝕性
用線切割方法切取涂層和基體材料相同的激光熔覆和等離子噴焊試塊各4塊，分別在不同溶液中進行腐蝕試驗。腐蝕溶液置于溫度為60℃的水浴槽中保溫，兩種工藝試樣在4種介質中分別經8h、24h、48h和72h腐蝕后，清洗試樣，然后用精密分析天平稱量其失重量。由試驗數據分析可得出結論：激光熔覆工藝試片在H2SO4、HNO3、NaOH和尿素等4種溶液介質中的腐蝕速度均低于等離子噴焊工藝試片，具有優良的綜合抗腐蝕性能。在H2SO4、HNO3兩種溶液中的對比尤為明顯。
5 結論
（1）激光熔覆工藝和傳統的等離子噴焊工藝相比較，涂層組織細化、致密，消除了孔隙和夾雜，實現了涂層與基體的冶金結合。熔層成分被稀釋和擴散的幾率降低，硬度和強韌性均有所提高，耐腐蝕性能增強。激光熔覆粉末中含碳量可適當降低，以提高耐磨蝕性。
（2）激光熔覆工藝試片在多種溶液介質中的腐蝕速度均低于等離子噴焊工藝試片，具有優良的綜合抗腐蝕性能。在H2SO4、HNO3兩種溶液中的對比尤為明顯。經激光熔覆的不銹鋼閥門在湖南洞庭氮肥廠實用直今，效果良好。
作者簡介：石世宏：男，碩士，副教授，系副主任，主要從事教學與激光熔覆表面改性技術的研究，發表論文20余篇。
作者單位：中南工學院機械系（衡陽421001）
參考文獻
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