面向反应釜的激光熔覆修复工艺研究

马文涛 郭辉 黄勇

Research on Laser Cladding Repair Technology for Reaction Kettle

MA Wen-tao GUO Hui  HUANG Yong

摘要：由于反应釜在高温高湿以及酸性介质环境下工作，容易失效。因此，应用激光熔覆技术在反应釜基体材料上制备镍基碳化钨合金层。通过设计正交实验及模糊综合评判，研究激光功率P、扫描速度Vb和送粉速率Vf，以及WC含量（wt%）4种工艺因素对合金层的影響。最佳工艺参数和WC粉末的添加配比为激光功率P为1.4kW，扫描速度Vb为400mm/min，送粉速率Vf为40%，WC含量为20wt%。

Abstract： Because Reaction kettle works in high temperature， high humidity and acid medium environment， it is easy to fail， and it is difficult to repair it. Nickel - base tungsten carbide alloy layer was prepared by laser cladding technology on the substrate of reaction kettle. Through designing orthogonal experiment and fuzzy comprehensive evaluation， the effects of laser power P， scanning speed Vb， powder feeding rate Vf and WC content （wt%） on the alloy layer were studied. The optimal process parameters and the adding ratio of WC powder are the laser power P of 1.4kW， the scanning speed Vb was 400mm/min， the powder feeding rate Vf was 40% and the WC content was 20wt%.

关键词：反应釜;镍基碳化钨合金层;性能;工艺参数

Key words： reaction kettle;nickel base tungsten carbide alloy layer;performance;process parameters

中图分类号：TN249                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）32-0273-04

0  引言

反应釜广泛应用于化工、石油、生物制药等工业生产过程。其工作在高温、高压、腐蚀环境下，作为再制造修复工程中应用最广也是最重要的一个分支，激光熔覆技术具有显著优势，通过激光熔覆技术对反应釜进行熔覆修复，可以有效抑制高温氧化、腐蚀反应和疲劳断裂，必然会减少或挽回其引起的损失，促进反应釜在各领域的使用发展[1-6]。

国外学者Weerasinghe等人[7]、A. N. Grezev等人[8]国内学者葛江波、张安峰、李涤尘等人[9]都对激光熔覆工艺参数优化进行了研究，然而对于高温高压下对失效零部件的激光熔覆修复方面所见报道仍然很少。

本文将通过在Ni基粉末中添加不同含量的WC颗粒作为增强相[10]，同时改变工艺参数得到多组熔覆层试样。将得到的熔覆层试样分别进行宏观表面光整度和对微观组织相的形貌进行观察。将对熔覆层组织进行测试显微硬度、抗氧化性能、耐腐蚀性能进行测试，采用模糊综合评判方法得出的数据，得到对反应釜激光熔覆过程中最佳工艺参数和WC粉末的添加配比。

1  试验材料及方法

1.1 试验基体材料

试验选用Q235钢作为基，规格大小为110mm×60mm×6mm。

1.2 试验熔覆材料

熔覆材料选择Ni60自熔性合金粉末，WC颗粒选择平均粒径约为200nm超细碳化钨粉末，对两者进行持续2小时的150℃高温干燥处理，其主要目就是烘干其水分。

1.3 试验方法

在熔覆试验前，用80#金相砂纸将Q235钢基材表面均匀打磨，并用丙酮清洗干净，自然晾干，待用。

为了减少空气中的氧气与熔覆层氧化，在熔覆过程中向熔池附近通氩气，使氩气充满熔池周围，扫描道间的搭接率为30%，喷嘴与工作台距离为22mm。

试验针对影响熔覆过程中影响熔覆层成形的工艺参数（激光功率P、扫描速度Vb和送粉速率Vf），以及WC含量（wt%）制定了四因素三水平，通过正交试验法，挑出影响激光熔覆过程主要影响因素，试验次数为9的L9（34）正交表，正交图表如表1所示。

为了得到最好的熔覆层，选择最优参数。首先，在Q235基材上重复做九组实验，每组实验的工艺参数不同，最终选择出表面光整，无肉眼可观察出的缺陷的熔覆试块，这些试块的工艺参数为第二水平值各参数之间有较小的浮动，故通过计算制定出第一和第三水平值，得到熔覆过程中各工艺参数如表2所示。

2  熔覆层质量评价

2.1 宏观方面

激光熔覆结束后，不同激光熔覆工艺参数下的试块的表面质量宏观外貌对比如图1所示。

通过观察，在以上九个试样中，1号试样和7号试样熔覆层外观表面不平整，所以后续试验中并不对1号和7号试样进行分析测试。其余试块无宏观缺陷，表面光整。得出结论：基材与熔覆层发生良好的冶金反应，形成致密熔覆涂层。

2.2 微观方面

将各试块放在高温高压环境下处理，用砂纸打磨光滑平整，制成符合标准试样后，放入扫描电镜下观察界面特征的如图2所示。

在扫描电镜（SEM）下观察到在不同激光熔覆工艺参数下各试块的微观形貌，在试块2000倍的微观组织中观察到微观缺陷，5号试块熔覆层和基体间结合部位有明显裂纹，元素也发生较少偏析，但对熔覆层与基材结合并无影响，所以在后续试验中不对5号试样进行分析测试。其他试块均无裂纹和气孔现象，结合良好。

2.3 显微硬度测试

将经过激光熔覆过程中的试样放入空气重冷却，待冷却完成后，试样通过线切割、打磨、抛光等工序后，查阅相关标准，制成符合标准的显微硬度试块。将符合标准的试块放入干燥箱，将干燥温度设定至100℃，保持该温度1h。将上述试块置于高温高压环境中，30min后将其拿出，用金相砂纸将试块表面打磨平整，之后用显微硬度计测试标准试块显微硬度值，检验载荷为500g，载荷作用在试块上的时间为10s。为了得到更加准确的硬度值，随机取各试块同一位置三个测量点的硬度值，进行算术平均计算后得到结果如表3。

经过测试基体的硬度值为200HV，各试块通过硬度计测量后，得出各试块的硬度测量值都大于基材。WC含量越大，熔覆层中的WC或W2C以及初生碳化物Cr23C6等硬质相的含量也越高，熔覆层硬度的测量值也越大，但其波动也越大，因硬度值的测量取决于压痕位置。

2.4 抗氧化性能测试

将上述得到的试样通过线切割成大小和形状相同的小块，将上述试块放入超声波清洗机中，洗净，然后放入干燥箱中，将干燥箱温度调至至100℃，保持该温度1h，使切制好的各试块表面水分蒸发，该过程完成后，用天平对各试块质量进行称重。称量完毕后将各试块分别放入高温马弗炉中，将温度调至600℃，并且持续保温两小时，然后在重复上述干燥方法，对试块进行干燥，最终对各试块质量进行称重。

通过用称重的方法来评定各试块的抗氧化性能优劣，其原理是利用各试块试验前后单位面积氧化物增重质量变化。计算公式如式（1）所示。

式中：m0为氧化前试块质量（mg）;

m1为氧化后试块的质量（mg）;

A为试块熔覆层表面积（mm2）;

Δm为试块单位面积氧化增重量，mg/mm2。

通过数据对比可得2、3、4、6、8、9号试块熔覆材料每平方毫米的增重量，计算结果见表4。

通过表可以看到，对Q235材料进行激光熔覆之后，熔覆层的高温抗氧化能力相比基体明显提升了，最多的提升了3.14倍;最少的也提升了1.82倍，说明熔覆层的高温抗氧化能力比基体要好得多。这是因为Ni元素具有良好的抗氧化性，其表面形成的NiO薄膜，可以阻止进一步的氧化，同时，熔覆层中的Cr也具有极高的抗氧化性。

2.5 耐腐蚀性测试

耐腐蚀性测试试验面为熔覆层上表面与基材上表面，用环氧树脂将其他组试块包裹。放入12%HCl溶液中腐蚀，实验过程中防止HCl溶液飞溅，避免伤人。经过两天的浸泡之后，将各试块从Hcl溶液中取出待处理，用蒸馏水将各试块清洗干净，然后放入干燥箱中，将干燥箱温度调至至100℃，保持该温度1h，然后称其质量。

式中：mpre为腐蚀前试块质量（mg）;

mpost为腐蚀后试块质量（mg）;

S为试块腐蚀面的面积（mm2）;

t为腐蚀时间，为2天。

由式（2）可计算金属材料的腐蚀速率，由此可得到基材及在不同工艺参数下得到的试块熔覆层的腐蚀速率如表5所示。

由表5数据可知，修复完成试块的熔覆层腐蚀性较基材提升较大。其原因包含两点，一是熔覆层组织中强化相对耐腐蚀影响大于易于腐蚀相的影响，二是因为组织中含有Ni元素，其抗腐蚀能力很强，同时，熔覆层中含有Cr、B和Si元素，其影响组织相变过程，有细化晶粒的作用，提高了熔覆层抗腐蚀性。因此，熔覆层的耐腐蚀性显著优于基材。

3  评价

采用模糊综合评判对Q235基体材料表面熔覆WC颗粒含量不同的Ni基合金粉末得到的熔覆层的显微硬度、抗氧化特性、和耐腐蚀性3项指标进行详尽分析，然后得出结论。

3.1 硬度的隶属评判

硬度指标模糊化是采用模糊分布方法确定隶属关系。其硬度值HV大小主要从小到大排列，通过比较大小，分为4区间，表中主要指标有：性能模糊评判、隶属函数、硬度值（HV）的范围，隶属评判函数见表6。

根据上述隶属函数对各试样熔覆层的硬度值进行模糊评判Ci，i=（2，3，…，9），其中i表示试样号。

得到的2、3、4、6、8、9号试件的数值分别为：-1.6219，-1.2446，0.0538，0.2988，-0.1246，1.0600。

3.2 抗氧化性能的隶属评判

抗氧化性能的隶属评判方法同硬度性能指标相似，故可将其列入同一表中做对比，隸属评判函数见表7。

根据上述隶属函数对各试样熔覆层的抗氧化性能进行模糊评判Ei，i=（2，3，…，9），其中i表示试样号。

分别赋予{3，2，1，-1，-2}的权重，则到的2、3、4、6、8、9号试件的得分分别为：-0.2422，-1.0842，3.0000，-1.8316，-0.8264，2.2579。

3.3 耐腐蚀性能的隶属评判

同根据上述硬度性能指标，耐腐蚀性能的隶属评判方法跟硬度评判标准相同，隶属评判函数见表8。

根据上述隶属函数对各试样熔覆层的耐腐蚀性能进行模糊评判Gi，i=（2，3，…，9），其中i表示试样号。

赋予{3，2，1，-1，-2}的权重，其特征为{好，较好，一般，较差，差}，分别则到的2、3、4、6、8、9号试件的得分分别为：1.5625，-1.3125，3.0000，1.3125，0.5000，1.7500。

3.4 综合评价

通过比较各试块三项性能的得分可得到以下结论：该实验最优熔覆工艺参数为：激光功率P为1.4kW，扫描速度Vb为400mm/min，送粉速率Vf为40%，WC含量为20wt%。

4  结论

为了让反应釜在经过激光熔覆之后获得综合力学性能好、耐腐蚀、耐磨的熔覆层，对反应釜同种材料的Q235钢进行激光熔覆试验，试验针对影响熔覆过程中影响熔覆层成形的工艺参数（激光功率P、扫描速度Vb和送粉速率Vf），以及WC含量（wt%）制定了四因素三水平，通過正交试验法，挑出影响激光熔覆过程主要影响因素，并在上述工艺参数环境中，得到不同激光熔覆工艺参数的熔覆层，通过对熔覆层试块和基体试块耐腐蚀、抗氧化、硬度性能的测试，得到以下结论：

①利用激光熔覆技术，得到试样，其硬度性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能比基材均有显著的提升;

②采用综合评判对激光熔覆层的性能进行综合评定，通过比较各试块硬度值与耐腐蚀值和抗氧化值，确定最佳工艺参数。经过试验和数据分析，最终确定反应釜增材修复的最佳工艺参数和WC粉末的添加配比为激光功率P为1.4kW，扫描速度Vb为400mm/min，送粉速率Vf为40%，WC含量为20wt%。

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[10]刘富荣，高谦，高登攀，等.激光熔覆WC增强复合涂层开裂行为分析[J].材料工程，2003（5）：37-39.

基金项目：新疆维吾尔自治区高校科研计划项目（XJEDU2018Y050）。

作者简介：马文涛（1984-），男，回族，新疆乌鲁木齐人，本科，教师，实验师，研究方向为液压、装备制造。