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17-4PH不锈钢表面激光熔覆stellite6涂层组织及性能研究

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17-4PH不锈钢表面激光熔覆Stellite6涂层组织及性能研究

作者：任超上海交通大学

学位级别：硕士

汽轮机末级长叶片在服役过程中容易受到水滴冲蚀和多种交变载荷的作用而发生腐蚀、裂纹、磨损和疲劳断裂等多种形式的失效。本文以叶片材料表面改性为研究背景,采用半导体激光熔覆的方法,在17-4PH沉淀硬化不锈钢表面制备了stellite6合... 详细信息

汽轮机末级长叶片在服役过程中容易受到水滴冲蚀和多种交变载荷的作用而发生腐蚀、裂纹、磨损和疲劳断裂等多种形式的失效。本文以叶片材料表面改性为研究背景,采用半导体激光熔覆的方法,在17-4PH沉淀硬化不锈钢表面制备了stellite6合金涂层,并对熔覆试样进行了510℃去应力退火热处理和喷丸处理。系统地研究了stellite6涂层的组织和性能,分析了热处理及喷丸处理对涂层组织和性能的影响。采用现代材料分析方法研究了stellite6涂层的微观组织、物相组成和元素分布,分析了激光熔覆过程的裂纹缺陷。结果表明,激光功率P=2800W,扫描速度v=8mm/s,送粉速度ω=13.56g/min是最佳熔覆工艺参数。涂层的组织呈现平面晶、胞状和柱状晶、树枝晶、等轴晶等多种形貌,胞状晶和树枝晶组织为面心立方结构的初生相γ-Co固溶体,枝晶间为γ-Co固溶体和MC、CrC、CoC、WC等碳化物组成的共晶组织。510℃热处理及喷丸处理对stellite6涂层的物相和元素分布基本没有影响。工艺参数不合理会导致熔覆层容易出现冷裂纹或液化裂纹等缺陷。研究了stellite6涂层的硬度分布、磨损性能和拉伸性能,分析了热处理及喷丸处理对力学性能的影响。结果表明,stellite6涂层的显微硬度约为基材的1.5倍,激光回火作用的影响会导致涂层中层与层、道与道的搭接区域以及热影响区出现软化现象。热处理会使涂层的硬度降低,而喷丸处理的强化作用会使硬度提高。stellite6涂层的摩擦系数比基材小,且更稳定,其磨损质量损失约为基材的10.5%,涂层和基材分别表现为低应力磨粒磨损和粘着磨损机制。基材的抗拉强度为950MPa,属于韧性断裂模式;熔覆试样的抗拉强度为721MPa,塑性较差,热处理和喷丸处理会使其强度和塑性均有所提高。熔覆试样中stellite6涂层一侧属于沿树枝晶断裂和准解理断裂的混合脆性断裂模式,基材一侧属于韧性断裂模式。测试了stellite6涂层的腐蚀性能、应力状态和高周疲劳性能。结果表明,在3.5wt%NaCl溶液中,涂层和基材的腐蚀电流密度分别为0.834nA/cm和8.534nA/cm,涂层的耐蚀性能相比基材提高了大约10倍。熔覆状态下,涂层热影响区中纵向和横向残余应力均为拉应力,510℃热处理可以使残余应力降低大约1/3,喷丸处理会使试样表面呈现较大的压应力状态。熔覆试样的疲劳极限为380MPa,经过热处理和喷丸处理后,疲劳极限可分别提高到400MPa和420MPa。熔覆试样的疲劳裂纹源通常位于基材一侧的棱角或表面处,裂纹源区呈向外扩展的圆弧形,具有韧性断裂和准解理断裂的共同特征。在疲劳裂纹扩展区,可观察到疲劳辉纹、二次裂纹、疲劳台阶和轮胎花样等典型的疲劳特征。基材一侧的瞬时断裂区呈现韧性断裂特性,stellite6涂层一侧呈现沿树枝晶韧性断裂和准解理脆性断裂的混合特性。

关键词：激光熔覆 stellite6涂层微观组织耐腐蚀性能高周疲劳性能

17-4PH不锈钢表面激光熔覆stellite6涂层组织及耐水蚀性能

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中国激光 2017年第4期44卷 101-108页

作者：任超李铸国疏达赵文雨杨仁杰王朋叶建水上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室上海200240 上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂上海200240

为提高17-4PH不锈钢的耐水蚀性能,利用激光熔覆方法在其表面制备了Stelite6合金涂层。研究了涂层的微观组织形貌、相组成以及元素扩散行为,分析了涂层的硬度分布和耐水蚀性能。结果表明,stellite6涂层微观组织由平面晶、胞状和柱状晶、... 详细信息

为提高17-4PH不锈钢的耐水蚀性能,利用激光熔覆方法在其表面制备了Stelite6合金涂层。研究了涂层的微观组织形貌、相组成以及元素扩散行为,分析了涂层的硬度分布和耐水蚀性能。结果表明,stellite6涂层微观组织由平面晶、胞状和柱状晶、树枝晶以及等轴晶组成,物相组成包括面心立方(FCC)结构的γ-Co固溶体和M_(23)C_6、Cr_7C_3、CoC_x等,Fe、Co元素在基体和涂层间的扩散明显。stellite6涂层的最高硬度为561HV,平均硬度约为基材的1.4倍。多道多层熔覆时,搭接区存在软化现象,横向硬度分布出现周期性波动。在压力为80 Mpa、温度为80℃、水流冲蚀时间为30h的条件下,基材表面发生了严重的材料破坏,而stellite6涂层表面基本保留了初始形貌,涂层的耐水蚀性能相比基材的有了显著提高。

关键词：激光技术 stellite6涂层微观组织硬度耐水蚀性能

WC含量对stellite6激光熔覆涂层耐液态铅铋腐蚀性能的影响

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功能材料 2020年第5期51卷 5154-5160页

作者：张彦超韦朋余朱强赵文涛雷玉成曾庆波江苏大学材料科学与工程学院江苏镇江212013 中国船舶科学研究中心江苏无锡214000

为提高316L不锈钢耐高速流液态铅铋腐蚀能力,采用激光熔覆方法,通过在stellite6合金中添加不同比重的WC制备熔覆层,将加工好的试样放进400℃的高温铅铋熔融炉进行500 h高速流实验,相对流速设定为3.23 m/s。使用SEM、XRD、EDS、OM和激光... 详细信息

为提高316L不锈钢耐高速流液态铅铋腐蚀能力,采用激光熔覆方法,通过在stellite6合金中添加不同比重的WC制备熔覆层,将加工好的试样放进400℃的高温铅铋熔融炉进行500 h高速流实验,相对流速设定为3.23 m/s。使用SEM、XRD、EDS、OM和激光共聚焦显微镜观察了熔覆层腐蚀前后的微观组织和表面形貌,结果表明:随着WC含量增加,熔覆层的硬度值也逐渐增加,当WC添加量在10%时,耐磨性最好,表面粗糙度值最低为33.6μm;不同WC含量的熔覆层均能够有效地提升耐蚀性能,当WC添加量在10%时,渗氧层的深度最小,为2.8μm。

关键词： stellite6涂层 WC含量铅铋腐蚀耐蚀性耐磨性

316L不锈钢表面激光熔覆stellite6合金组织及其耐液态铅铋腐蚀性能

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材料导报 2021年第8期35卷 121-126页

作者：张彦超韦朋余朱强赵文涛李天庆曾庆波江苏大学材料科学与工程学院镇江212013 中国船舶科学研究中心无锡214000

为提高316L不锈钢耐高温液态铅铋的腐蚀能力,通过使用同轴送粉的激光熔覆方式,在316L不锈钢表面制备一层stellite6合金涂层,将其放入400℃的高温液态铅铋中进行500 h高速流腐蚀试验,其中相对流速设置为2.56 m/s。分析涂层的微观组织、... 详细信息

为提高316L不锈钢耐高温液态铅铋的腐蚀能力,通过使用同轴送粉的激光熔覆方式,在316L不锈钢表面制备一层stellite6合金涂层,将其放入400℃的高温液态铅铋中进行500 h高速流腐蚀试验,其中相对流速设置为2.56 m/s。分析涂层的微观组织、物相组成、元素分布、显微硬度值等的变化规律,以及该涂层耐液态铅铋的腐蚀性能。涂层组织由等轴晶、树枝晶、胞状晶及平面晶组成,搭接区晶粒沿不同方向长大;涂层主要有γ-Co、CoCx、(Cr,Fe)7C3及M23C6等物相;各组分元素在涂层表面均匀分布,Co、Cr与Fe等元素在基体316L与涂层之间发生明显扩散;stellite6涂层的硬度平均值为基体材料316L的2.3倍,且最高达到556.8HV。在进行高温液态铅铋高速流腐蚀后,316L不锈钢表面生成了大面积且连续的氧化物,存在大量微型腐蚀坑,stellite6涂层表面仅存在少量氧化物,未发现明显的腐蚀坑,较好地维持了原貌;stellite6涂层表面粗糙度值为1.0μm,而316L经腐蚀后的表面粗糙度为2.4μm。stellite6合金涂层能够有效地提高316L不锈钢基体在高温液态铅铋合金中的耐腐蚀性能。

关键词：激光熔覆 stellite6涂层耐铅铋腐蚀性能

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压水堆堆内构件钴基合金堆焊工艺研究

压水堆堆内构件钴基合金堆焊工艺研究

作者：李延葆上海交通大学

学位级别：硕士

核电作为我国能源发展的重要战略,其安全高效的发展有利于提升社会的环境与经济效应。但核电设备在生产制造过程中存在的焊接、材料、表面处理等方面问题,制约了其使用与发展。本文分别采用手工钨极氩弧焊和激光熔覆工艺堆焊压水堆核岛... 详细信息

核电作为我国能源发展的重要战略,其安全高效的发展有利于提升社会的环境与经济效应。但核电设备在生产制造过程中存在的焊接、材料、表面处理等方面问题,制约了其使用与发展。本文分别采用手工钨极氩弧焊和激光熔覆工艺堆焊压水堆核岛主设备堆内构件304奥氏体不锈钢表面硬质合金,并对其工艺与组织性能进行了研究。采用手工钨极氩弧焊的方法,通过改变焊接电流、预热、缓冷、焊后热处理等工艺参数,对304不锈钢表面进行大量堆焊试验,研究了不同试验参数下堆焊层表面的显微组织、物相组成、显微硬度、摩擦磨损等变化。确定了优选的工艺参数,使堆焊层与母材形成了良好的冶金结合,获得了最佳的堆焊组织及性能,同时也减少了堆焊中容易发生的裂纹、气孔、未熔合等问题,为产品的批量制造提供了保障。同时采用激光熔覆方法,设计正交试验,以熔覆表面成形质量、稀释率、表面硬度作为评价指标,获得优选的试验参数。对优化参数下的熔覆层的显微组织、物相组成、显微硬度、摩擦磨损等进行测试与分析,并与手工钨极氩弧堆焊层进行了对比。结果表明,当焊接参数为150℃焊前预热,第一道堆焊采用146A电流,第二至四层采用165A电流,采用云母粉缓冷,焊后无热处理时堆焊层与基体结合良好,且堆焊层中没有缺陷,综合力学性能最好。堆焊层中主要为富Cr、W、Fe等元素的α-Co与ε-Co固溶体,同时在晶间存在析出相与共晶组织。堆焊层的硬度在400HV-684.8HV范围,堆焊表面摩擦系数为0.24,磨损量为0.2986g,母材晶间腐蚀组织为阶梯组织。当激光熔覆工艺参数为5500W,扫描速度5mm/s,送粉速率10g/min时,熔覆层的成形良好,稀释率低,熔覆层中为富Cr、W、Fe等元素的α-Co固溶体及FeNi,且在晶间存在析出物与共晶相。平均维氏硬度411.5HV,硬度波动较小,满足工程技术要求,熔覆层摩擦系数为0.13,磨损量为0.3597g,首次将激光熔覆工艺技术应用到核岛堆内构件设备,探索了激光熔覆在核电设备制造领域的工程应用前景。

关键词：手工钨极氩弧焊激光熔覆 stellite6涂层微观组织

316L不锈钢表面激光熔覆Co基涂层及其耐液态Pb-Bi腐蚀行为研究

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316L不锈钢表面激光熔覆Co基涂层及其耐液态Pb-Bi腐蚀行为研究

作者：张彦超江苏大学

学位级别：硕士

铅铋共晶合金(LBE)有着低熔点、高沸点、高热导率等优点,常被作为铅冷快堆和加速器次临界驱动系统的冷却剂。在冷却系统中,流动状态的LBE不仅对结构材料产生氧化腐蚀和溶解腐蚀,还会因冲刷效应对材料产生一定的摩擦磨损,极大地缩短了冷... 详细信息

铅铋共晶合金(LBE)有着低熔点、高沸点、高热导率等优点,常被作为铅冷快堆和加速器次临界驱动系统的冷却剂。在冷却系统中,流动状态的LBE不仅对结构材料产生氧化腐蚀和溶解腐蚀,还会因冲刷效应对材料产生一定的摩擦磨损,极大地缩短了冷却系统中服役材料的使用寿命。激光熔覆技术能够在基体材料表面制备出具有良好性能的涂层,提高综合性能。本文采用激光熔覆工艺对钢铁材料进行强化,以提升核反应堆材料的使用寿命,以核结构常用钢316L为基体材料,在其表面制备激光熔覆涂层,并对该涂层在液态LBE中耐蚀耐磨性能进行研究,为提高核部件的使用寿命提供试验数据和理论指导。本文先采用激光熔覆技术,通过正交试验优化工艺参数,以多道搭接方式在316L不锈钢表面制备一层stellite6涂层,为提高耐磨性,采用不同含量的WC为涂层增强相。利用课题组自主设计的高温铅铋熔融炉进行400℃腐蚀试验,研究在不同相对流速下的液态LBE对stellite6熔覆层腐蚀行为的影响,并且探究了不同WC含量的熔覆涂层在高速流液态LBE中腐蚀行为的影响规律。通过激光功率1800 W、激光扫描速度500 mm/min、送粉量11.8 g/min、光斑直径4 mm、搭接率50%的熔覆工艺参数制备的Co基涂层,发现stellite6涂层底部组织为平面晶和胞晶,中部组织为胞状晶和树枝晶,顶部组织为等轴晶,在多道搭接处的晶粒沿着不同方向长大。涂层的物相组成主要为γ-Co、CoCx、(Cr,Fe)C及MC等。钴基涂层的γ-Co固溶体基体上分布着多元共晶组织,共晶组织内包含大量的化合物诸如CoCx、(Cr,Fe)C及MC等。stellite6涂层硬度值约为基材的2.3倍,随着WC含量的增加,涂层表面的硬度值也越高。在400℃下,不同相对流速(0 m/s,2.18 m/s,2.56 m/s,3.23 m/s)的液态LBE腐蚀1500 h之后,stellite6涂层均发生氧化腐蚀和溶解腐蚀,产生一定量的氧化物FeO,并且有一定量的O元素向涂层内部扩散。随着相对流速的增加,Co基涂层试样表面粗糙度数值也逐渐增加,当流速大小为3.23 m/s时,其粗糙度数值最大为Sa=49.84μm;随着相对流速的增加,stellite6熔覆层表面渗氧层的深度逐渐增加,在流速大小为3.23 m/s时渗氧层深度最深为5.2μm。在stellite6粉末中添加不同的WC含量(0,5%,10%,15%)制备出的Co基涂层对液态LBE腐蚀抵抗能力不同,随着WC含量的增加,其表面粗糙度和渗氧层深度逐渐增加,当WC含量为10%时其表面质量最佳;随着WC含量的继续增加为15%时,表面质量反而降低,粗糙度和渗氧层深度增加。随着腐蚀时间的增加,试样表面与LBE发生的元素溶解和扩散加剧,导致涂层表面的渗氧层深度逐渐增加。而316L不锈钢经长时间腐蚀后表面存在较多的腐蚀坑,发生了严重的氧化腐蚀、溶解腐蚀和磨蚀现象。

关键词：激光熔覆 stellite6涂层 Pb-Bi腐蚀流速 WC含量