Abstrakt For at forbedre slidstyrken og korrosionsevnen af ​​varmevekslerrørkomponenter til solvarmeenergiproduktion, udførte dette papir overfladeforstærkende behandling på 321 austenitisk rustfrit stål, som er meget udbredt i varmevekslerkomponenter, for at løse problemet med komponent svigt forårsaget af kraftigt slid og korrosion. Ni60/WC legering belægning blev forberedt på overfladen af ​​321 rustfrit stålsubstrat ved hjælp af højhastigheds laserbeklædningsteknologi. Laserkraft, scanningshastighed og pulvertilførselshastighed blev brugt som indflydelsesfaktorer, og hårdhed og fortyndingshastighed blev brugt som karakteriseringsvariable. Procesparametrene blev optimeret ved hjælp af enkeltfaktoreksperimenter. Belægningen fremstillet med de optimale procesparametre blev valgt, og dens fasesammensætning blev analyseret med røntgendiffraktometer, og dens belægningsmorfologi og elementfordeling blev undersøgt ved scanning elektronmikroskopi. Endelig blev et sæt optimale procesparameterkombinationer opnået ved fælles analyse af makroskopisk morfologi, XRD og SEM. Konklusion: De optimale procesparametre er: lasereffekt 1000W, scanningshastighed 10mm/s, pulverfremføringshastighed 3.5g·min-1. Belægningsfasen er hovedsageligt sammensat af fast opløsning (γ-Fe, Ni), karbider M7C3 og M23C6 osv. Belægningens slidstyrke er væsentligt forbedret. Den gennemsnitlige friktionskoefficient for beklædningslaget er ca. 0.4, hvilket er lavere end den gennemsnitlige friktionskoefficient for substratet 0.8; slidtabet af belægningen er 2.75 mg, hvilket er ca. 64% af slidtabet på substratet 4.24 mg. Belægningens selvkorrosionspotentiale er -0.674V, hvilket er større end substratets selvkorrosionspotentiale -0.754V. Belægningens bueradius er væsentligt højere end substratets, hvilket indikerer, at belægningen kan reducere substratets korrosionshastighed; den maksimale hårdhedsværdi for belægningen når 608HV0.2, hvilket er omkring 1.91 gange hårdheden af ​​substratet, hvilket er væsentligt højere end substratets, hvilket indikerer, at Ni60/WC-legeringsbelægningen har god korrosionsbestandighed. Sammenfattende forbedrer Ni60/WC-legeringsbelægningen væsentligt slidstyrken og korrosionsbestandigheden på overfladen af ​​321 rustfrit stål.
nøgleord Laserbeklædning; Ni60/WC; mikrostruktur; mikrohårdhed; friktion og slid; elektrokemisk korrosion

1 Indledning

321 austenitisk rustfrit stål er meget udbredt i varmevekslerrørkomponenter til termisk solenergiproduktion på grund af dets titaniumstabiliseringsegenskaber, fremragende korrosionsbestandighed og høj styrke [1][2]. 321 austenitisk rustfrit stål er en legering, der er særligt velegnet til fremstilling af biler, fly, kemiske anlæg og atomkraftværker. I fremstillingsindustrien er materialevalget til specielle strukturelle anvendelser i mange tilfælde baseret på styrkeeffekter, men i nogle tilfælde er det baseret på korrosionsbestandighedseffekter. Deformationsopførselen af ​​legeringer, såsom 321 austenitisk rustfrit stål (ASS), der anvendes i applikationer, der kræver fremragende korrosionsbestandighed, under forskellige mekaniske belastningsforhold er ikke blevet grundigt undersøgt. Det meste af forskningen i disse legeringer fokuserer mere på deres adfærd i korrosive og høje temperaturmiljøer [3][4].

I øjeblikket omfatter traditionelle overfladebeklædningsprocesser flammetermisk sprøjtning, plasmabeklædning, aflejringssvejsning osv. Når termisk sprøjteteknologi bruges til at fremstille overfladebelægninger af rustfrit stål, er overfladeforbehandlingsprocessen for substratet besværlig; aflejringssvejseteknologien vil forårsage alvorlig overbrænding på overfladen af ​​321 rustfrit stål, hvilket resulterer i visse ændringer i substratstrukturen. Disse traditionelle beklædningsprocesser har visse begrænsninger, såsom stor varmepåvirket zone og stor deformation, lav geometrisk nøjagtighed og dårlig overfladekvalitet. Traditionelle beklædningsprocesser kan ikke længere opfylde kravene til delflader [5].

Laserbeklædningsteknologi er en overflademodifikationsteknologi, der anvender en laserstråle med høj energitæthed til at smelte belægningsmaterialet og smelte det sammen med substratoverfladen og derved danne et beklædningslag med specifikke egenskaber på substratoverfladen [6]. Laserstrålen med høj energitæthed er fokuseret på overfladen af ​​substratmaterialet, hvilket får lokalområdet til at varme op hurtigt. Substratoverfladen og belægningsmaterialet når smeltepunktet på samme tid for at gøre dem jævnt fordelt, og danner en belægning med høj slidstyrke og korrosionsbestandighed, hvilket sikrer god vedhæftningsstyrke med substratet. Denne teknologi har vist betydelige fordele ved at forbedre delens ydeevne og forlænge levetiden.

I de senere år har LI et al. [7] brugte laserbeklædningsteknologi til at generere et beklædningslag med slidstyrke, korrosionsbestandighed og oxidationsmodstand på overfladen af ​​substratmaterialet. Undersøgelser har vist, at slidhastigheden af ​​Ni-baserede kompositbelægninger er lav, og slidstyrken er væsentligt forbedret. QI et al. [8] forberedte en høj slidstærk legeringsbelægning ved hjælp af laser ved hjælp af et magnetfelt, hvilket beviser, at laserbeklædning kan forbedre substratets ydeevne betydeligt. På nuværende tidspunkt omfatter de almindeligt anvendte beklædningspulvere i laserbeklædningsteknologi Fe-legeringer [9], nikkellegeringer [10] og koboltlegeringer [11] [12]. Zhou Jianbo et al. [13] viste, at laserprocesparametre har en signifikant effekt på de indre revner i Ni60/WC-beklædningslaget, og kornstørrelsen stiger med forøgelsen af ​​lasereffekten. Huang Haibo et al. [14] fandt, at gennem planlægning og analyse af ortogonale eksperimenter viste resultaterne, at den maksimale hårdhed af Ni60-belægningen nåede 3.3 gange den for 45 stål. Den ensartede og tætte organisationsstruktur hæmmer effektivt dannelsen af ​​revner og forstærker belægningens styrkende effekt på underlaget. Zhao et al. [15] fandt, at belægningens mikrostruktur blev optimeret med forøgelsen af ​​lasereffekten og kontrollen med lav varmekildeinput. Denne regulering hjælper ikke kun med at forbedre belægningens tæthed, men reducerer også dannelsen af ​​revner og forbedrer belægningens styrkende effekt på underlaget. I dette papir bruges et femakset laseraflejringsadditiv/højhastigheds-subtraktiv kompositfremstillingsudstyr produceret af Shandong Leishi Company til højhastighedslaserbeklædning af Ni60 og WC-pulvere på et 321 rustfrit stålsubstrat for at analysere mikrostrukturen, egenskaber, slid hastighed og korrosion af beklædningslaget.

2 forsøg

2.1 Eksperimentelle materialer og udstyr

Alloy 321 (UNS S32100) er et titanium-stabiliseret austenitisk rustfrit stål, der er særligt velegnet til højtemperaturmiljøer. Dens korrosionsbestandighed er fremragende i området 800-1500°F (427-816°C), og den kan effektivt modstå intergranulær korrosion forårsaget af kromcarbidudfældning. Sammenlignet med 304 og 304L rustfrit stål bevarer 321 stadig god oxidationsmodstand op til 1500°F (816°C) og udviser bedre krybe- og spændingsbrudsegenskaber. Derudover er lavtemperatur-sejheden af ​​321 rustfrit stål også ganske god. Tilsætningen af ​​titanium øger dets evne til at modstå intergranulær korrosion betydeligt og hjælper med at hæmme dannelsen af ​​chromcarbid, så det er mere velegnet til brug under høje temperaturer og høje trykforhold. De fysiske egenskaber af 321 rustfrit stål er vist i tabel 1.

Det eksperimentelle substrat bruger en varmevekslerrørsamling, der er meget udbredt i solenergi. Dens materiale er 321 rustfrit stål og dens størrelse er 170 mm×10 mm×70 mm. Den kemiske sammensætning er vist i tabel 2. For at undgå påvirkning af rust og overfladeurenheder på forsøgsresultaterne, anvendes 600, 800 og 1000 formål Sci sandpapir til slibning, og aqua regia bruges til at rense overfladen af ​​underlaget at holde dens overflade glat og minimere påvirkningsfaktoren. De forberedte beklædningsbelægningsmaterialer er hovedsageligt Ni60 (partikelstørrelse: 50~150μm) og WC (partikelstørrelse: 100-150μm) pulvere, og deres kemiske sammensætningselementer er vist i tabel 3. De anvendte belægningspulvere er Ni60 og WC, og en blandet pulvereksperiment er påkrævet først.

2.2 Forsøgsmetode med pulverblanding

Anvend en vandret mixer til at placere pulveret i en vandret beholder, og bland Ni60-pulveret med en massefraktion på 0.75 og WC-pulveret med en massefraktion på 0.25, og bland pulverne med et omrørerblad. Efter pulverbehandlingen er afsluttet, indstilles tørreovnens temperatur til 120 ℃ i 1.5-3 timer, indtil pulveret er tørret. Formålet er at undgå ujævn fordeling af pulveret og porerne forårsaget af væskefordampning, som forstyrrer belægningens kvalitet. Efter blanding adskilles pulveret fra rørebladet for at opnå et blandet pulver på 0.75 Ni60 og 0.25 WC. Morfologien af ​​Ni60+25%WC-kompositpulveret er vist i figur 1.

2.3 Laserbeklædning eksperimentel metode

Figur 2 viser HMC-320A-udstyret til det additive og subtraktive laserbeklædningseksperiment. Det er et femakset laseraflejringsadditiv/højhastigheds-subtraktiv kompositfremstillingsudstyr produceret af Shandong Leishi Intelligent Manufacturing Co., Ltd., som er en avanceret fremstillingsteknologi. Udstyrets vigtigste parametre er vist i tabel 4. Det kombinerer laserbeklædningsadditiv fremstilling med højhastigheds-skærematerialefremstilling, som kan realisere effektiv og højpræcisionsfremstilling af komplekse dele, og kan også udføre højhastigheds laserbeklædningsteknologi. Udstyret består af en fiberlaser, en dobbeltrørs gasførende pulverføder, et styreskab, en chiller, et beklædningshoved mv.

Ni60/WC pulverlakeringsbeklædningseksperiment blev udført. Lasereffekten ændrede sig fra A1 til A5, scanningshastigheden ændrede sig fra B1 til B5, og pulvertilførselshastigheden ændrede sig fra C1 til C5. Påvirkningen af ​​makroskopisk morfologi og fortyndingshastighed blev analyseret for at vælge de optimale eksperimentelle procesparametre. De specifikke eksperimentelle parametre er vist i figur 5 nedenfor.

Efter beklædningseksperimentet blev prøven skåret i 10 mm × 10 mm × 10 mm terninger langs den lodrette scanningsretning ved hjælp af en elektrisk gnisttrådsskæreanordning. Efterfølgende blev fasesammensætningen af ​​beklædningslaget analyseret med et røntgendiffraktometer [16]. Mikrostrukturen og grundstofsammensætningen blev analyseret ved scanningelektronmikroskopi og energidispergerende spektrometer. Hårdhedstesten af ​​det polerede prøvetværsnit blev udført under anvendelse af en TMHV-1000Z micro Vickers hårdhedstester under betingelserne med 0.2N belastning og 10 sekunders holdetid. Til sidst blev friktions- og slidtesten udført med en MFT-5000 slidtester. De eksperimentelle parametre omfattede en belastning på 60N, en testtid på 25 minutter, en frekvens på 2 gange/sekund og en siliciumnitridkugle som friktionspar.

Formålet med det elektrokemiske korrosionseksperiment er at evaluere korrosionsbestandigheden af ​​metaller under specifikke miljøforhold[17]. I denne undersøgelse blev en multi-kanal elektrokemisk arbejdsstationsanordning brugt til eksperimentet. Først blev en metalprøve med en størrelse på 10 mm × 10 mm × 10 mm koldindlejret i epoxyharpiks for at blotlægge et område på 1 cm², der skulle testes. Prøven blev forbundet til den elektrokemiske arbejdsstation via en kobbertråd. Prøven blev brugt som arbejdselektrode, den mættede calomel-elektrode blev brugt som referenceelektrode, og platinelektroden blev brugt som modelektrode. En 3.5% NaCl-opløsning blev anvendt som elektrolytten i eksperimentet.

AC-impedanstesten blev indstillet til en AC-amplitude på 10mV, og testfrekvensområdet var 100Hz til 100kHz. Scanningshastigheden af ​​den dynamiske potentiodynamiske polarisationskurvetest blev sat til 4mV/s, og potentialområdet var -0.5V til -1.5V. Gennem disse eksperimenter blev impedansfrekvensen og dynamiske potentiodynamiske scanningsdata for 321 rustfrit stål målt og analyseret for at simulere de komplekse arbejdsforhold for mekaniske dele i et korrosivt miljø, hvilket giver et videnskabeligt grundlag for korrosionsbestandigheden af ​​321 rustfrit stål.

3 Analyse af enkelt-pass beklædningslag

3.1 Makromorfologi af single-pass laser beklædning

Som vist i figur 3 er den specifikke femten-pass single-pass beklædningskarakterisering af eksperimentet som følger. Belægningsoverfladen er velformet som en helhed. Karakteriseringen kan tydeligt vise overfladens glathed uden særligt fremtrædende revner og porer, hvilket indikerer, at laserkraften, der anvendes til substratet og pulveret, er passende, pulvertilførselshastigheden er ensartet, og scanningshastigheden er moderat.

Valget af laserbeklædningsprocesparametre er afgørende for den endelige belægningskvalitet og påvirker direkte beklædningslagets mikrostruktur, mekaniske egenskaber og overfladekarakteristika. Passende procesparametre kan sikre ensartethed, tæthed og metallurgisk binding af belægningen til underlaget og undgå generering af defekter såsom revner og porer. Laserkraft, scanningshastighed og pulvertilførselshastighed er tre kritiske parametre i beklædningsprocessen, og der er et vist forhold mellem disse parametre og energi. Som vist i følgende formel (1): Se formel (1) i figuren. I formel (1) repræsenterer e specifik energi, Q repræsenterer lasereffekt (W), D repræsenterer pletdiameter (mm); v repræsenterer scanningshastighed (mm.s-1). Det kan ses, at den specifikke energi er proportional med lasereffekten, mens spotdiameteren og scanningshastigheden er omvendt proportional med den.
Beklædningslaget kalibreres ved hjælp af en afstandsmåler som f.eks. en nornemåler til at kalibrere beklædningslagets smeltebredde Q, smeltehøjde L og smeltedybde l, og fortyndingshastighedsværdien analyseres efter fortyndingshastighedsformlen. Formel (2) er beregningsformlen for fortyndingshastigheden, hvor δ er fortyndingshastigheden, l er beklædningsdybden, og L er beklædningshøjden.
Kalibreringsmetoden er vist i figur 4. En høj fortyndingshastighed fører normalt til et fald i beklædningslagets hårdhed og styrke, fordi grundmaterialets komponenter er inkorporeret i belægningen, hvilket kan svække slidstyrken og korrosionsbestandigheden af belægningen. Tværtimod hjælper en passende fortyndingshastighed til at opretholde belægningens fremragende ydeevne.

3.2 Effekt af enkeltfaktor tre-niveau eksperiment på kvaliteten af ​​laserbeklædningsbelægning

Figur 5(a) og 5(b) viser virkningen af ​​ændringen af ​​lasereffekt fra A1 til A5 på belægningsområdet og fortyndingshastigheden. Effekten af ​​lasereffekt på fortyndingshastigheden er meget vigtig i laserbeklædningsprocessen. Forøgelsen af ​​lasereffekt øger temperaturen i den smeltede pool, hvilket resulterer i en dybere smeltning af grundmaterialet og beklædningsmaterialet. Dette medfører normalt, at mere basismateriale bliver inkorporeret i beklædningslaget, hvorved fortyndingshastigheden øges. Styring af lasereffekten er afgørende for at opnå en ideel fortyndingshastighed. Effektindstillingen skal optimeres i eksperimentet for at kontrollere fortyndingshastigheden inden for et rimeligt område og samtidig sikre belægningskvaliteten [18]. Figur 5 (b) viser, at fortyndingshastigheden når den laveste værdi, når lasereffekten er indstillet til 1000W.

Figur 6(a) og 6(b) viser virkningen af ​​ændringen i scanningshastighed fra B1 til B5 på coatingområdet og fortyndingshastigheden. Når scanningshastigheden reduceres, forbliver laserstrålen i samme position i længere tid, hvilket vil medføre, at opvarmningstiden for den smeltede pool forlænges, så beklædningsmaterialet smelter mere grundigt og danner et bredere belægningsområde. Tværtimod, når scanningshastigheden øges, forbliver laserstrålen ved hvert punkt i kortere tid, smeltebadets temperatur er utilstrækkelig, hvilket resulterer i en lavere smeltegrad af beklædningsmaterialet, hvilket gør belægningsområdet mindre. Lavere scanningshastigheder vil få den smeltede pools temperatur til at stige og mængden af ​​smeltet substratmateriale til at stige, hvilket kan øge belægningens fortyndingshastighed. I dette tilfælde er andelen af ​​substratmateriale i beklædningslaget højere. Forøgelse af scanningshastigheden reducerer sædvanligvis temperaturen i den smeltede pool, reducerer smelte- og blandingsgraden af ​​substratmaterialet og reducerer dermed fortyndingshastigheden, hvilket gør belægningssammensætningen tættere på selve beklædningsmaterialet [19]. Figur 6(b) viser, at fortyndingshastigheden når minimumsværdien, når scanningshastigheden er 10 mm/s.

Figur 7(a) og 7(b) viser virkningen af ​​at ændre pulvertilførselshastigheden fra C1 til C5 på belægningsstørrelsen og fortyndingshastigheden. En stigning i pulvertilførselshastigheden resulterer i et fald i smeltebassinets dybde og en stigning i beklædningslagets højde. Når pulvertilførselshastigheden stiger, føres mere belægningsmateriale ind i den smeltede pool. Dette kan føre til en stigning i belægningstykkelse og dermed en stigning i belægningsstørrelse. En høj pulvertilførselshastighed hjælper med at danne en tykkere belægning, især i laserbeklædningsprocessen, hvor den øgede mængde materiale effektivt kan fylde den smeltede pool. I modsætning hertil resulterer en lavere pulvertilførselshastighed i en utilstrækkelig tilførsel af beklædningsmateriale, hvilket resulterer i en reduceret belægningstykkelse og en relativt lille belægningsstørrelse. Forøgelse af pulvertilførselshastigheden resulterer i, at beklædningsmaterialet optager en større andel i den smeltede pool, hvilket kan reducere blandingsgraden af ​​substratmaterialet og dermed generelt reducere belægningsfortyndingshastigheden. På denne måde vil belægningens sammensætning være tættere på selve beklædningsmaterialet, hvilket forbedrer belægningens ydeevne. En lavere pulvertilførselshastighed kan resultere i, at substratmaterialet optager en større andel i den smeltede pool, hvorved fortyndingshastigheden øges. Dette kan resultere i et fald i belægningens ydeevne, fordi sammensætningen af ​​substratmaterialet kan svække beklædningslagets egenskaber. Figur 7(b) viser, at fortyndingshastigheden når minimum, når pulvertilførselshastigheden er 3.5 g·min-1.

Sammenfattende, kombineret med de tre faktorer lasereffekt, scanningshastighed og pulvertilførselshastighed, der påvirker fortyndingshastigheden, kan det konkluderes, at A2, B3 og C4 er de optimale procesparametre for de femten højhastigheds laserbeklædningsprocesser A1 -C5, med en lasereffekt på 1000w, en scanningshastighed på 10 mm/s og en pulverfremføringshastighed på 3.5 g·min-1.

3.3 Mikrohårdhedsanalyse

Figur 8 viser mikrohårdhedsfordelingen langs lagdybderetningen af ​​substratsektionen under de optimale procesparametre for A2. For at undgå påvirkning af defekter sættes afstanden mellem de to fordybninger til 100μm. Hårdheden af ​​den varmepåvirkede zone (HAZ) er normalt lavere end beklædningslagets hårdhed, fordi substratmaterialet gennemgår fasetransformation eller kornforgrovning ved høj temperatur, hvilket resulterer i et fald i dets mikrohårdhed. Hårdheden af ​​den varmepåvirkede zone er relateret til sammensætningen, varmebehandlingstilstanden og afkølingshastigheden af ​​substratmaterialet. Mikrostrukturen i den varmepåvirkede zone kan ændre sig på grund af høj temperatur, såsom kornvækst, fasetransformation og dannelse af bundfald. Disse ændringer vil direkte påvirke materialets mekaniske egenskaber, herunder hårdhed. Termiske cyklusser under laserbeklædning kan forårsage restspændinger i den varmepåvirkede zone, hvilket også kan have en indirekte effekt på materialets mikrohårdhed. Høj restspænding kan forårsage hårdhedsændringer i materialet på mikroskala. Den højeste hårdhedsværdi af belægningen nåede 608HV0.2, hvilket er omkring 1.91 gange hårdheden af ​​substratet[20].

3.4 Mikrostruktur

Mikrostrukturen af ​​laserbeklædningsbelægninger er normalt sammensat af flere faser og udviser en fin dendritisk krystalstruktur. Under beklædningsprocessen fører den hurtige afkølingshastighed til dannelsen af ​​fine korn, som er jævnt fordelt under beklædningsprocessen. Der kan også forekomme forskellige faser i belægningen, såsom forstærkningsfase og matrixfase, som forbedrer belægningens mekaniske egenskaber. Derudover udviser mikrostrukturen af ​​grænsefladeområdet sædvanligvis god binding, hvilket reducerer defekter mellem belægningen og substratet, hvorved slidstyrken og korrosionsbestandigheden forbedres. Beklædningslaget i figur 9 viser en typisk dendritstruktur. På grund af laserhovedets store kontaktflade i bunden vokser krystallen fortrinsvis langs varmestrømningsretningen og danner en grov og ordnet struktur. I det midterste område er dendritterne mere tydelige og morfologien mere signifikant, hvilket indikerer at underafkølingen i midten er lav og temperaturgradienten moderat, hvilket er befordrende for dendritters gode vækst. Den mindre temperaturgradient og større underafkøling i det øverste område begrænser den videre vækst af dendritter, men opretholder stadig en ensartet og kompakt morfologi [21].

3.5 Faseanalyse

Figur 10 viser XRD-diffraktionsmønsteret for Ni60+25% beklædningslaget. Det kan ses, at WC smelter og nedbrydes til W- og C-elementer under laserbeklædningsprocessen. Ændringerne i opløsnings- og karboniseringsreaktionerne i den smeltede pool er som følger: Se formlerne (3) og (4) i figuren.

I XRD-spektret bør den karakteristiske diffraktionstop for WC vises ved en specifik 2θ-vinkel, normalt omkring 35° til 40°. Diffraktionstoppene for WC er markeret i figuren (angivet med ▲), som er vist nær 40° og 70°. ▲ i figuren markerer WC's diffraktionstoppe, men nogle diffraktionstoppe kan ændre sig i position eller svækkes i intensitet, hvilket skyldes nedbrydning og omkrystallisation af WC til dannelse af nye wolfram- og kulstofbaserede forbindelser.

Smelte- og karburiseringsreaktionen af ​​WC i den smeltede pool genererer hårde faser såsom WC, W2C, W2B5, M7C3 og M23C6, som bliver hovedkilden til forbedring af matrixydelsen. Hvert beklædningslag er hovedsageligt sammensat af symbol λ (Fe, Ni) fast opløsning, og dets fladecentrerede kubiske struktur hjælper med at forbedre korrosionsbestandigheden. WC og W2C, som partikelforstærkningsfaser, kan effektivt forbedre beklædningslagets mikrostruktur, hæmme dislokationsglidning og korngrænsebevægelse og dermed opnå finkornsforstærkning. Udfældningen af ​​M7C3 og M23C6 karbider virker som en hindring for at begrænse aktiviteten af ​​korngrænser og reducere korngrænseenergien, hvorved risikoen for korngrænsekorrosion reduceres og beklædningslagets hårdhed og korrosionsbestandighed forbedres [22].

Figur 11 viser EDS-elementets overfladescanningsresultater af belægningen under de optimale parametre for beklædningslaget. Det kan tydeligt ses på figuren, at de fire elementer Fe, Co, Mo og Cr er jævnt fordelt uden tydelig adskillelse. Dette skyldes, at laserbeklædningens energitæthed er høj, og at elementerne ikke har tid nok til at sprede sig under beklædningsprocessen; Ni, Si, Mn, Al og Wc har tydelig adskillelse. På den ene side kan det skyldes, at den høje energitæthed under laserbeklædningsprocessen får grundstofferne til at smelte og størkne hurtigt, og det lave indhold af elementerne gør det vanskeligt for dem at diffundere effektivt på kort tid, og effekt af ensartet fordeling kan ikke opnås. På den anden side er blandingsentropien af ​​Ni, Si, Mn, Al og Wc ret anderledes, og de er nemme at reagere ved høje temperaturer, hvilket gør dem mere tilbøjelige til at adskille sig. En lang række litteraturer har også nået denne konklusion [23][24].

4 Analyse af slidstyrke og korrosionsevne af beklædningsbelægning

4.1 Analyse af friktions- og slidydelse

I industri og fremstilling er slidstyrken af ​​dele ekstremt vigtig. Friktions- og slitageydelsesanalyse involverer hovedsageligt materialers evne til at modstå slid under friktion. Det vurderes normalt ud fra parametre som friktionskoefficient, slidvolumen og slidmekanisme. Størrelsen af ​​friktionskoefficienten påvirker direkte materialets modstand på friktionskontaktfladen. En lavere friktionskoefficient betyder normalt bedre smøring og mindre energitab. Som det kan ses af figur 12(a), ændres forskellen i friktions- og slidydelse mellem 321 rustfrit stålsubstratet og Ni60/WC-belægningen med tiden. For 321 rustfrit stål viser det betydelige udsving inden for 400 sekunder, hvilket indikerer, at det slibende slid er mere alvorligt under indkøringsperioden, hvilket resulterer i en ujævn og ru overflade og konstant skiftende modstand. Efter at have gået ind i det stabile slidstadium, stabiliseres friktionskoefficienten på omkring 0.7 ~ 0.8, hvilket indikerer, at sliddet på det rustfri stålsubstrat er mere alvorligt, og overfladen er svær at holde flad.
Friktionskoefficienten for Ni60/WC-belægningen steg langsomt fra omkring 0.2 til omkring 0.3~0.4 i de første 200 sekunder, hvilket indikerer, at dens overflade er lettere at nå en relativt stabil tilstand i løbet af indkøringsperioden, hvilket reducerer det indledende alvorlige slid. Efter at have gået ind i det stabile stadie forblev belægningens friktionskoefficient på ca. 0.4 med et lille udsvingsområde, hvilket indikerer, at slidstyrken af ​​Ni60/WC-belægningen er væsentligt bedre end for 321 rustfrit stål og kan mere effektivt reducere friktionsmodstanden. og slid. Dette fænomen tilskrives hovedsageligt den fremragende metallurgiske binding af belægningen, færre defekter i mikrostrukturen og den ensartede fordeling af hårdfasekomponenter, hvilket gør det vanskeligt for friktionskoefficienten at stabilisere sig hurtigt i det tidlige stadie. Figur 12(b) viser, at efter 30 minutters slidtest er massetabet af Ni60/WC-belægningen 2.75 mg, hvilket kun er 64 % af massetabet af substratet (4.24 mg), hvilket indikerer, at belægningen har bedre slidstyrke.

4.2 Korrosionsydelsesanalyse

I figur 13(a) er åbent kredsløbspotentiale (OCP)-kurverne for substratet og belægningen i 3.5 vægt% NaCl-opløsning vist. Under eksperimentet på 1200 sekunder havde OCP-værdierne for substratet og belægningen en tendens til at være stabile. Jo større den negative værdi af OCP er, jo lettere er det for belægningen at tabe elektroner og korrodere; relativt set, jo mindre den negative værdi er, jo lavere er korrosionstendensen. Den positive bevægelse af OCP indikerer, at der er dannet en beskyttende film på overfladen af ​​prøven, mens brud på den beskyttende film svarer til den negative bevægelse af OCP. OCP for substratet er -0.47V, mens OCP for belægningen er -0.38V. Den højere OCP-værdi af belægningen indikerer, at der er dannet en tættere beskyttende film på overfladen. Figur 13(b) viser polarisationskurverne for substratet og belægningen. Det anodiske polariseringsområde viser en betydelig forbedring i korrosionsbestandighed. Dette skyldes hovedsageligt, at de aktive metalioner reagerer med den omgivende gas gennem adsorption for at danne en tæt beskyttende film, som reducerer korrosionshastigheden markant.

Tabel 6 viser data for det indre korrosionspotentiale (Ecorr) og den indre korrosionsstrømtæthed (Icorr) opnået ved Tafel-linearisering elektrokemisk dataanalyse. Det iboende korrosionspotentiale for 321 rustfrit stålsubstrat er -0.754V, og den iboende korrosionsstrømtæthed er 6.77×10-7A.cm-2; det iboende korrosionspotentiale for Ni60/WC-belægning er -0.674V, og den iboende korrosionsstrømtæthed er 4.76×10-8 A.cm-2. Det kan ses, at belægningens korrosionsbestandighed er væsentligt bedre end substratets, og dens korrosionshastighed er også væsentligt lavere end substratets. Dette viser, at Ni60/WC-belægningen effektivt kan forbedre substratets korrosionsbestandighed. Figur 13(c) er impedansbuediagrammet for substratet og beklædningslaget. Det kan ses, at jo større impedansbueradius er, jo bedre er materialets korrosionsbestandighed. I det viste frekvensområde er beklædningslagets impedansbueradius meget større end substratets, hvilket indikerer, at beklædningslaget har bedre korrosionsbestandighed.

Figur 13(d) viser impedansstrålingsfrekvensdiagrammet for substratet og beklædningslaget. I impedansfrekvensdiagrammet er der en tilnærmelsesvis lineær funktionel sammenhæng mellem lg|Z| og lg (Frekvens). Jo større |Z| er, jo mindre beklædningslaget er korroderet, og jo bedre er modstanden mod grubetæring. Det ses fra Bode, at beklædningslagets impedansmodul er større end underlagets, hvilket indikerer, at belægningen har bedre korrosionsbestandighed. Fasevinklen for beklædningslaget når sin maksimale værdi i mellemfrekvensområdet 100-102, og beklædningslagets fasevinkle er væsentligt større end substratets, hvilket indikerer, at korrosionshastigheden af ​​beklædningslaget er reduceret. Det skyldes, at Fe- og Ni-indholdet er højt, og Fe- og Ni-elementerne har en stærk korrosionsbestandighed, som kan forhindre ionerne i den ætsende væske i at trænge ind i belægningen. I dette frekvensområde er belægningens impedansmodul altid højere end substratets, hvilket betyder, at korrosionshastigheden reduceres væsentligt, og de ætsende ioner i den ætsende væske er vanskelige at trænge ind i belægningen i passiveringsfilmen.

For bedre at kunne beskrive belægningens og substratets korrosionsevne, blev en lignende model brugt til at analysere korrosionsadfærden og impedansresponsegenskaberne for substratet og beklædningslaget. Den ækvivalente kredsløbsstruktur af beklædningslaget og substratet er vist i figur 14. I denne model repræsenterer R1 modstanden af ​​NaCl-opløsningen, CPE1 repræsenterer det konstante faseelement af kapacitansen mellem den beskyttende film og opløsningen, og R2 repræsenterer modstanden af ​​det beskyttende lag på substratoverfladen. Størrelsen af ​​R1 er relateret til elektrolyttens ledningsevne, og tætheden eller porøsiteten af ​​beklædningslaget påvirker også impedansen af ​​denne del. Ændringen af ​​R2 angiver beklædningslagets beskyttende effekt på underlaget. Jo større R2, jo større ladningsoverførselsmodstand og jo bedre korrosionsbestandighed af materialet. Parametrene for CPE1 kan afspejle ruheden af ​​beklædningsoverfladen og dens mikrostrukturelle egenskaber. CPE-indekset opnået ved tilpasning kan bruges til at beskrive graden af ​​ikke-ideel kapacitansadfærd af elektrodeoverfladen.

5 Konklusion

I dette papir blev Ni60/WC legeringsbelægning fremstillet af højhastigheds laserbeklædningsteknologi, og det blev analyseret i detaljer ved karakteriseringsmetoder såsom XRD, SEM og EDS. Samtidig blev belægningens hårdhed, slidstyrke og korrosionsbestandighed testet. Hovedkonklusionerne er som følger:
1) Et enkelt-faktor eksperiment blev udført under anvendelse af kontrolvariabel metoden til undersøgelse af enkelt-pass beklædningslaget. Resultaterne viste, at overfladen af ​​beklædningslaget viste ensartede smeltede krusninger uden defekter såsom revner eller porer. Ved at tage fortyndingshastigheden og hårdheden som responsindikatorer, kombineret med den makroskopiske morfologi af beklædningslaget, blev de optimale procesparametre bestemt: lasereffekt på 1000W, pulvertilførselshastighed på 3.5 g·min-1 og scanningshastighed på 10 mm/ s.

2) Ni60/WC-legeringsbelægningen har en typisk dendritisk struktur. Kornstørrelsen i toppen af ​​beklædningslaget er lille og ensartet tæt; kornene i midten har undergået sekundær vækst, er af moderat størrelse og er jævnt fordelt; kornene i bunden er relativt store, cellulære og arrangeret på en velordnet måde. Hårdhedstestresultaterne viser, at beklædningslagets maksimale hårdhed er 608HV0.2, hvilket er omkring 1.91 gange hårdheden af ​​underlaget, og den samlede hårdhed af belægningen er væsentligt forbedret. XRD-analyse viser, at hårde faser som WC, W2C, W2B5, M7C3 og M23C6 genereres i beklædningslaget. Tilstedeværelsen af ​​disse forbindelser forbedrer effektivt belægningens hårdhed.

3) Friktions- og slidpræstationstest viser, at underlagets friktionskoefficient er omkring 0.8, mens friktionskoefficienten for beklædningslaget er omkring 0.4. Slidmængden af ​​beklædningslaget er 2.75 mg, hvilket er omkring 64% af slidmængden af ​​substratet 4.24 mg, hvilket indikerer, at slidstyrken af ​​beklædningslaget er væsentligt forbedret. Dette tilskrives hovedsageligt den tætte dendritstruktur og hårde fasekomponenter i beklædningslaget, som effektivt reducerer slid.

4) De elektrokemiske testresultater viser, at beklædningslagets åbne kredsløbspotentiale (OCP) er -0.38V, mens substratets OCP er -0.47V, hvilket er lidt højere end substratets. Selvkorrosionsstrømtætheden af ​​beklædningslaget er 4.76×10⁻⁸ A.cm², hvilket er væsentligt lavere end substratets (6.77×10⁻⁷ A.cm²). Beklædningslagets selvkorrosionspotentiale er -0.674V, hvilket er højere end substratets (-0.754V). Derudover er kapacitansringens radius af beklædningslaget betydeligt større end substratets, og impedansværdien af ​​beklædningslaget er også højere end substratets ved samme frekvens, hvilket indikerer, at korrosionsbestandigheden af ​​Ni60/ WC-legeringsbelægning er bedre end substratets, hvilket effektivt forbedrer korrosionsbestandigheden af ​​321 rustfrit stål.