Inconel617鎳基合金表面電子束熔覆NbMoCr顯微組織和耐腐蝕性探討
在鎳基合金中，617合金具有良好的高溫強(qiáng)度、可塑性和良好的抗氧化和耐腐蝕性。因此，它廣泛用于工業(yè)管道及航空汽輪機(jī)的零部件。歐洲的AD700項(xiàng)目將617合金作為過熱器管以及管道的候選材料，并將其作為中高壓閥體及轉(zhuǎn)子的主要候選材料。
通過研究，617合金材料主要性能體現(xiàn)在耐磨耐腐蝕性及高溫抗氧化性上。而近年來，中國(guó)大力發(fā)展航空航天工業(yè)，這對(duì)617合金的耐腐蝕性和高溫抗氧化性提出了更高的要求，通過改善材料中的氣體含量、顯微組織及表面的致密性，來提高617合金的性能和壽命。為了提高617合金工作表面的耐腐蝕性，在其表面涂覆一層鈮合金粉末NbMoCr。NbMoCr粉末中的Nb和Mo元素可以提高局部耐腐蝕性和抗氯化物晶間腐蝕性，可以固溶強(qiáng)化。Cr元素具有高硬度及耐磨性。因此，熔覆粉末選用NbMoCr能很好地起到彌散強(qiáng)化基體表層的作用，大大提高了試件表面的力學(xué)性能、耐腐蝕性和抗氧化性。
采用高能電子束技術(shù)在617合金表面涂覆NbMoCr涂層，研究了熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)、硬度和耐腐蝕性。
1試驗(yàn)方法
試驗(yàn)采用基體材料為617合金，平均硬度為182HV10，尺寸為50mm×30mm×10mm，其化學(xué)成分如表1所示。熔覆層材料表層為200μm厚度的NbMoCr(比例為2:2:3)合金粉和打底層為100μm厚度的NiAl，粒度均為200~400目。
用丙酮浸泡、刷洗的方式對(duì)617合金表面進(jìn)行去污處理，然后進(jìn)行噴砂處理，方便熔覆粉末與基體結(jié)合。其次，進(jìn)行高速等離子噴涂，先噴涂100μm的NiAl，再噴厚度約為200μm的NbMoCr。最后，進(jìn)行電子束熔覆，采用線性掃描的方式對(duì)噴有NbMoCr的617基體進(jìn)行單道熔覆處理，熔覆參數(shù)如表2所示。
通過電火花線切割機(jī)將試樣切成10mm×4mm×4mm的小試樣，并且對(duì)試樣進(jìn)行拋光、腐蝕處理，采用QUANTAFEG450型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)熔覆層截面組織進(jìn)行觀察；用X射線衍射儀(XRD)分析熔覆層的相結(jié)構(gòu)；通過PS-268A電化學(xué)測(cè)量?jī)x器測(cè)試樣品的耐腐蝕性。
2試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1熔覆層表面及截面形貌
圖1為NbMoCr涂層熔覆前(即等離子噴涂后)及熔覆后表面形貌。圖1a是等離子噴涂后的形貌，表面基本平整，顆粒致密，等離子噴涂時(shí)，粉末被加熱成半熔融狀態(tài)，以非常高的速度粘結(jié)在617合金表面，屬于物理結(jié)合。而圖1b顯示了電子束熔覆后的熔覆層表面形貌，其表面光滑平整、沒有裂紋及孔隙。圖2是經(jīng)電子束熔覆處理后放大不同倍數(shù)的截面形貌。圖2a是涂覆NbMoCr層后的橫截面形貌，其中亮白灰區(qū)域是NbMoCr熔覆層，平均厚度為250~300μm，通過電子束熔覆，涂層粉末完全熔化，基體表面微熔，然后迅速冷卻，在界面處形成冶金結(jié)合。圖2b是放大1000倍的截面形貌，可以看出與基體結(jié)合緊密且均勻，無氣孔渣粒，其中黑色條狀物為Ni元素，已經(jīng)與基體完全混合。
2.2稀釋率對(duì)熔覆層性能的影響
在熔覆試驗(yàn)中，母材對(duì)熔覆材料的沖淡程度稱為稀釋率，稀釋率是衡量母材與熔覆層結(jié)合程度的重要標(biāo)準(zhǔn)。為了使熔覆層與母材結(jié)合更加牢固，必須有一部分母材元素熔化進(jìn)入熔覆層形成化合物，達(dá)到熔覆層與母材的冶金結(jié)合，但是為了獲得良好的耐磨耐腐蝕性及力學(xué)性能，必須控制熔覆層的稀釋率。一般稀釋率控制在10%以內(nèi)是最好的。
目前稀釋率的算法一般采用面積法。用SEM對(duì)熔覆層截面進(jìn)行拍照后測(cè)量，如圖3所示，截面的熔寬W、熔深h和熔高H。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以假定熔覆區(qū)的表面為拋物線曲面，熔覆層的寬度和基體熔化寬度相等，其稀釋率η的公式演變過程為
電子束掃描后，將樣品切割開來，在SEM下觀察測(cè)量熔深h和熔高H。根據(jù)式(1)得出表3的數(shù)據(jù)，稀釋率僅為7.3%，同時(shí)也低于10%的要求。
2.3熔覆層的相結(jié)構(gòu)
試驗(yàn)樣品通過電子束熔覆后，在距離熔覆層表面100μm的地方進(jìn)行XRD檢測(cè)。如圖4所示，熔覆層內(nèi)除了原有物相AlCr2，CrSi2外，還形成了新的物相M23C6，Cr7C3，Cr4Si4Al13，CoCx，其中M23C6具有復(fù)雜的面心立方結(jié)構(gòu)，M23C6的M以Cr為主，固溶元素有Nb，Mo和Ni。Cr4Si4Al13是金屬間化合物，具有良好的熱強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性和優(yōu)異的耐腐蝕性。而三元碳化物Cr7C3相和CoCx具有較高的硬度，這些物相結(jié)構(gòu)能提高熔覆層硬度和耐磨性。含有Cr，Si元素的AlCr2，CrSi2物相具有良好的耐腐蝕能力，使得617合金應(yīng)用于航空渦輪機(jī)部件和高溫管道等腐蝕環(huán)境下。
2.4熔覆層的顯微硬度
顯微硬度能體現(xiàn)熔覆層的性能，電子束熔覆層的硬度與熔覆層的材料、組織和相結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。硬度的檢測(cè)是在NbMoCr熔覆層的截面上，從表面每隔50μm測(cè)試一個(gè)點(diǎn)，一直檢測(cè)至500μm的深度為止(取點(diǎn)位置如圖5)，加載力為98N，持載時(shí)間10s，以平均值作為617合金基體和NbMoCr熔覆層表面的硬度，如圖5所示，617合金基體的平均硬度為182HV10，NbMoCr熔覆層表面的硬度為268HV10，說明NbMoCr熔覆層的硬度有所提高，這可能由于大量的Cr元素與Si，Al等元素發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成Cr23C6，CrSi2，Cr7C3，Cr4Si4Al13等金屬間化合物，這些化合物使得熔覆區(qū)的枝晶組織更加致密，而這些金屬化合物硬度都比較高，最終使得熔覆層硬度較617合金提高了86HV10。
2.5熔覆層耐腐蝕性分析
2.5.1腐蝕方法
電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)使用了三電極系統(tǒng)和PS-268A電化學(xué)測(cè)量?jī)x器。電解槽為三電極系統(tǒng)，鉑電極是一個(gè)輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，以試驗(yàn)樣品作為工作電極進(jìn)行測(cè)試。腐蝕試樣為617合金和NbMoCr熔覆層。腐蝕表面積均為4mm×4mm。分別測(cè)試兩種試驗(yàn)樣品在1mol/LH2SO4溶液、3.5%NaCl溶液、1mol/LNaOH溶液中的極化曲線，并進(jìn)行對(duì)比分析。通過自腐蝕電流密度icorr的大小來衡量金屬的腐蝕速度。
2.5.2腐蝕結(jié)果及分析
樣品在1mol/LH2SO4溶液中的耐腐蝕性如圖6和表4所示，在陰極的極化過程中，隨著電位的增加，617合金的電流密度逐漸降低，當(dāng)電位在E=-189.2mV時(shí)進(jìn)入陽極極化階段，之后隨著電位的增加電流密度也開始增加。此外，對(duì)于NbMoCr熔覆層而言，在陰極極化階段，電流密度明顯低于617合金，且電流密度也隨著電位增加而降低。當(dāng)電位達(dá)到E=-113.6mV時(shí)進(jìn)入陽極極化階段，其自腐蝕電位相對(duì)于基體的電位增加了75.6mV，這表明NbMoCr熔覆層比617合金更難腐蝕；之后隨著電位及電流密度的增加，出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象；根據(jù)自腐蝕電流密度，可得知617合金的相對(duì)腐蝕速率是NbMoCr熔覆層的5.16倍?？梢钥闯觯琋bMoCr熔覆層更穩(wěn)定，不易發(fā)生點(diǎn)腐蝕和晶間腐蝕，耐腐蝕性更好。
在3.5%NaCl溶液中，其耐腐蝕性如圖7和表5所示，NbMoCr熔覆層自腐蝕電位E=-352.9mV，617合金的自腐蝕電位E=-418.6mV時(shí)進(jìn)入陽極極化階段，NbMoCr熔覆層E值略高于617合金層。依據(jù)熱力學(xué)可知，材料在腐蝕性的介質(zhì)中自腐蝕電位的高低，決定該材料的耐腐蝕傾向，所以NbMoCr熔覆層具有較高的耐鹽蝕傾向。而從腐蝕動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來看，自腐蝕電流密度越小，材料的耐腐蝕性越強(qiáng)。根據(jù)表5的數(shù)據(jù)可知，在3.5%NaCl溶液中，617合金的相對(duì)腐蝕速率是NbMoCr熔覆層的4.6倍。
圖8和表6是NbMoCr熔覆層和617合金在1mol/LNaOH溶液中腐蝕性能，NbMoCr熔覆層自腐蝕電位E=-986.2mV，617合金E=-1126.2mV時(shí)分別進(jìn)入陽極極化，NbMoCr熔覆層E值明顯高于617合金，從熱力學(xué)角度分析，NbMoCr熔覆層具有較好的耐蝕傾向。根據(jù)試樣自腐蝕電流密度，結(jié)合表6可知：在1mol/LNaOH溶液中，617合金的相對(duì)腐蝕速率是NbMoCr熔覆層的3.12倍。
3結(jié)論
(1)電子束熔覆層與基體形成良好的冶金結(jié)合.NbMoCr熔覆層中M23C6為面心立方晶體，Cr4Si4Al13為金屬間化合物，均勻分布在617合金表層中，提高了熔覆層的耐腐蝕性能。
(2)電子束熔覆后，熔覆層的稀釋率僅為7.3%，滿足低于10%的要求。
(3)617合金表面電子束熔敷NbMoCr涂層可使顯微硬度由基體的182HV10提高到268HV10。
(4)腐蝕試驗(yàn)表明：在1mol/LH2SO4溶液中，617合金基體的自腐蝕電流密度是NbMoCr熔覆層的5.16倍；在3.5%NaCl溶液中，617合金基體的自腐蝕電流密度是NbMoCr熔覆層的4.6倍；在1mol/LNaOH溶液中，617合金基體的自腐蝕電流密度是NbMoCr熔覆層的3.12倍。
