球閥在一些特殊的場(chǎng)合下需要長(zhǎng)期經(jīng)受各類酸、堿、鹽、氯離子、硫化物等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，在啟閉過程中頻繁經(jīng)受摩擦、擠壓等作用，因此球閥需要具有較好的耐腐蝕性能和耐磨性能。目前大多采用超音速火焰噴涂、等離子弧堆焊、氧乙炔噴焊和硬化合金等方法，將高硬度合金粉末摻雜WC等堆焊在密封面，雖然超音速噴涂的結(jié)合強(qiáng)度較高，但也存在生產(chǎn)成本高、變形量較大等缺點(diǎn)；等離子弧堆焊、硬化合金的方法又存在熔覆層疏松、缺陷多、基體熱影響區(qū)大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)；氧乙炔噴焊雖然價(jià)格較低，但噴熔覆層與基體結(jié)合強(qiáng)度較低，不能承受交變載荷和沖擊載荷。
激光熔覆技術(shù)可在鋼材表面獲得高性能的耐蝕、耐磨熔覆層，且熔覆層均勻致密、缺陷少、成品率高。與各種傳統(tǒng)的堆焊、熱噴涂、噴焊等只是機(jī)械連接相比，激光熔覆層與基體為冶金結(jié)合，質(zhì)量和使用性能更優(yōu)異。Co基自熔性合金粉末具有良好的高溫性能和耐腐蝕、耐磨損性能，常被應(yīng)用于石化、電力、冶金等工業(yè)領(lǐng)域的耐磨耐蝕耐高溫等場(chǎng)合。然而，激光熔覆的工藝參數(shù)對(duì)熔覆層的性能起到極為關(guān)鍵的作用，因此，本文研究了激光功率對(duì)316不銹鋼熔覆Co基合金粉末稀釋率、組織與耐腐蝕性能，僅供閥門激光熔覆企業(yè)參考。
1 實(shí)驗(yàn)材料與方法
實(shí)驗(yàn)所用基體材料為球閥常用材料之一的316不銹鋼，試樣尺寸80mm×20mm×10mm。熔覆材料是Co基合金粉末，粉末粒徑75～150μm，其實(shí)測(cè)成分見表1。
表1 Co基合金粉末成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）
實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為HJ-4型串聯(lián)5kWCO2激光器、三軸聯(lián)動(dòng)激光加工數(shù)控機(jī)床和同軸送粉系統(tǒng)組成，為防止熔覆過程中的氧化，用氬氣進(jìn)行保護(hù)。實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)為：光斑直徑2.5mm，掃描速度800mm/min，搭接率40%，送粉量5g/min，激光輸出功率分別為1.2、1.5、1.8、2.1和2.5kW。
激光熔覆后，沿熔覆層橫截面制取試樣，按金相制樣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研磨和拋光，用王水（HNO3∶HCl=1∶3）腐蝕。使用JSM-6300的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察組織及掃描電鏡自帶能譜進(jìn)行元素分析；用SISCIASV8.0金相圖像分析軟件測(cè)量熔覆層高度以及基材的熔化深度，并計(jì)算其稀釋率；采用阿美特克IM6E電化學(xué)綜合測(cè)試儀檢測(cè)熔覆層耐腐蝕性能。
2 結(jié)果與討論
2.1 熔覆層的稀釋率及能譜分析
稀釋率是決定熔覆層質(zhì)量的重要參數(shù)。激光熔覆層稀釋率的變化不僅會(huì)改變?nèi)鄹矊硬牧蟽?nèi)部的化學(xué)成分，使其原有的性能（如高硬度、耐磨性能和抗氧化性能等）發(fā)生改變，而且將直接影響到熔覆層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度。
本實(shí)驗(yàn)將激光熔覆后的試樣沿垂直于熔覆方向切開，用掃描電鏡拍取照片，熔覆層的高度H、基材的熔化深度h的測(cè)試方法如圖1所示。
圖1 稀釋率測(cè)量方法
實(shí)驗(yàn)中稀釋率η的計(jì)算公式由面積法簡(jiǎn)化為：
η=（h/h+H）×100% （1）
不同功率測(cè)量結(jié)果及由公式（1）所計(jì)算的稀釋率如表2所示。
表2 不同功率熔覆層的尺寸及稀釋率
由表2可以看出，激光功率為1.2kW時(shí)，熔覆層的稀釋率*低，為16.11%，隨激光功率的增加，熔覆層的稀釋率與激光功率成正比，當(dāng)激光功率為2.5kW時(shí)，稀釋率*大（40.2%），這是因?yàn)?，隨激光功率的增加，在其它工藝參數(shù)一定的情況下，激光功率越大，基材熔化的越多，在熔池?cái)噭?dòng)的過程中混入熔覆層而引起合金成分變化的程度就越大，即稀釋率越大。過大的稀釋率將導(dǎo)致?lián)p害熔覆層固有的性能，加大了熔覆層開裂、變形的傾向，也會(huì)對(duì)耐腐蝕性能產(chǎn)生影響，但是，沒有一定量的稀釋率也會(huì)影響熔覆層與基體的冶金結(jié)合。
圖2是2.5kW功率熔覆后試樣的SEM組織及能譜分析?？梢钥闯?，試樣在王水的腐蝕下，基體316不銹鋼腐蝕嚴(yán)重，而熔覆層組織的晶界剛開始顯示，晶粒細(xì)小均勻，因此從圖2可以看出，熔覆層的耐腐蝕性能要明顯優(yōu)于基材316不銹鋼。此外，對(duì)熔覆層進(jìn)行區(qū)域掃描，區(qū)域位置及掃描結(jié)果如圖2所示。分析結(jié)果顯示，熔覆層中存在C、Si、Cr、Fe、Co、Ni等元素，激光熔覆前，粉末中Co基合金粉末的Co含量約60%，而圖2中顯示的Co元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為5.94%，同時(shí)，F(xiàn)e元素的含量由之前的1.85%增加到61.26%，說明在激光熔覆過程中，熔化的粉末與不銹鋼基體材料發(fā)生了較多的對(duì)流和擴(kuò)散。
圖2 熔覆層組織及能譜分析（激光功率2.5kW）
2.2 熔覆層耐腐蝕性能
利用電化學(xué)綜合測(cè)試儀對(duì)不同的激光功率在3.5wt%NaCl溶液中的腐蝕行為進(jìn)行測(cè)試，對(duì)5組不同激光功率下的熔覆層的耐腐蝕性能進(jìn)行比較，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3、圖3所示。對(duì)圖3中陽(yáng)極極化曲線進(jìn)行塔菲爾（Tafel）擬合，其數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所列。
表3 不同激光功率熔覆層的耐腐蝕性能參數(shù)
圖3 不同激光功率的融覆層的電極化曲線
通過圖3和表3可以看出，激光功率為1.2～1.8kW時(shí)，材料的自腐蝕電位均在-1.0左右，相差不大，而電流密度隨激光功率的增加呈數(shù)量級(jí)降低，從1.2002×10-5A•cm-2降低至5組激光功率中的*低值3.4152×10-7A•cm-2，這表明在激光功率為1.8kW時(shí)，其耐腐蝕性能相對(duì)*佳；當(dāng)激光功率為2.1kW時(shí)，雖然電流密度又升至6.8655×10-6A•cm-2，但其自腐蝕電位降了0.15mV左右，可以得出激光功率為2.1kW時(shí)也具備較好耐腐蝕性能；而當(dāng)激光功率為2.5kW時(shí)，自腐蝕電位又開始降低，電流密度開始增加，即耐腐蝕性能又開始下降。因此，當(dāng)激光功率為1.8～2.1kW時(shí)，熔覆層的耐腐蝕性能較好。
結(jié)合電化學(xué)腐蝕原理及晶粒細(xì)化對(duì)耐腐蝕性能的影響，隨激光功率變化，熔覆層耐腐蝕性能變化的原因可解釋為：隨激光功率的增大，激光束的能量越來越大，激光束的加熱溫度越來越高，而不同激光功率下的冷卻的介質(zhì)相同，所以導(dǎo)致隨激光功率越來越大過冷度越來越大，這樣熔覆層中的合金元素能夠很快地形成數(shù)量非常多的非自發(fā)晶核，從而使形核率大大提高，形成的顯微組織也越來越細(xì)小。顯微組織的細(xì)小使得單位晶界上的雜質(zhì)的含量值變得很低，并且在快速冷卻過程中的成分偏析減少，成分偏析的減少降低了由于形成原電池而導(dǎo)致的電化學(xué)腐蝕。另一方面，當(dāng)晶粒細(xì)化時(shí)，使材料活性原子數(shù)目增加，促使材料表面鈍化膜的生成能力增加（初期的自腐蝕電流密度較大），使其表面更易形成鈍化膜，從而提高了材料的鈍化性能。然而，由前面的分析可知，當(dāng)激光功率增加到一定程度后，稀釋率也隨之增加，導(dǎo)致熔覆層與基體的元素交流變大，使得熔覆層起到耐腐蝕作用的Co、Cr等元素相對(duì)降低，從而導(dǎo)致耐腐蝕性能下降。
3 結(jié)論
（1）隨激光功率的增大，熔覆層的稀釋率逐漸增大，由1.2kW時(shí)的16.11%增加至2.5kW時(shí)的40.2%，此時(shí)熔覆層與基體的合金元素有較大的對(duì)流與擴(kuò)散，這也是熔覆層耐腐蝕性能變化的原因之一。
（2）隨激光功率的增大，熔覆層的耐腐性能先提高后降低，激光功率為1.8～2.1kW時(shí)具有較好的耐腐蝕性能，當(dāng)激光功率為2.1kW時(shí)，熔覆層的自腐蝕電位*低，為-0.8456mV，當(dāng)激光功率為1.8kW時(shí)，熔覆層的腐蝕電流密度為*小的3.4152×10-7A•cm-2。
（3）耐腐性能變化是因?yàn)橛芯Я＜?xì)化提高耐腐蝕性能及稀釋率增加降低耐腐蝕性能，隨激光功率增加，前期晶粒細(xì)化帶來的耐腐蝕性能增加要大于稀釋率增加所導(dǎo)致的耐腐蝕性能降低，而后期則剛好相反。
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