崔 靜,路夢(mèng)柯,翟 巍,張 杭,楊廣峰

(中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院,天津 300300)

1 引 言

300M鋼由于其優(yōu)異的機(jī)械性能廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,主要作高強(qiáng)度螺栓、飛機(jī)起落架、螺旋槳軸等重要承力部件用。在實(shí)際使用過程中,在載荷沖擊和腐蝕介質(zhì)的耦合作用下,300M鋼表面加速受到破壞,而表面質(zhì)量往往是決定工件性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié),因?yàn)槠?、斷裂等破壞過程的裂紋經(jīng)常起源于材料的表面[1-3],因而對(duì)受損300M鋼表面進(jìn)行修復(fù)并增強(qiáng)其耐蝕性尤為重要。激光熔覆技術(shù)作為材料表面修復(fù)技術(shù)的一種有效手段,以其修復(fù)質(zhì)量高、熱影響小并可以顯著改善金屬材料表面的強(qiáng)度、硬度、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)而一直受到材料科學(xué)工作者的關(guān)注[4]。

316L不銹鋼由于其優(yōu)異的抗腐蝕性和良好的機(jī)械加工性能,在航空、冶金、石油化工設(shè)備、及造紙?jiān)O(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用[5-6]。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者在不同基材上激光熔覆316L不銹鋼工藝及性能做了大量研究,證明了該方法制備涂層的可靠性[7-12],并且從工藝優(yōu)化的角度也做了大量研究。徐鵬等研究了激光熔覆不銹鋼的工藝參數(shù)對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響,得出了掃描速度與稀釋率之間的關(guān)系[13-14]。段曉溪等利用納米碳化硅增強(qiáng)了316L不銹鋼熔覆層,提高了熔覆層的硬度和抗磨損性能[15]。陳剛等人研究了不同厚度的單道316L不銹鋼涂層的組織及性能,得出1mm厚熔覆層的耐蝕性最佳[16]。在國(guó)外,諸多學(xué)者在激光熔覆不銹鋼方面也開展了大量的研究,Pinkerton等對(duì)激光在316L不銹鋼熔覆方面的應(yīng)用作了研究,發(fā)現(xiàn)了主要輸入工藝參數(shù)與成型試樣的尺寸、特性以及表面粗糙度之間的聯(lián)系[17]。Hemmati等人研究了激光掃描速度對(duì)431馬氏體不銹鋼激光熔覆層的組織和性能的影響,結(jié)果表明,較高的熔覆速度能夠獲得結(jié)構(gòu)細(xì)化的熔覆層,但無助于提高激光熔覆馬氏體不銹鋼涂層的硬度和耐磨性[18]。Apolinario等人在304不銹鋼基體上激光熔覆制得316不銹鋼涂層,并分析了不同工藝參數(shù)對(duì)涂層的影響,發(fā)現(xiàn)熔覆層中分別以?shī)W氏體和鐵素體為主相的兩種凝固類型[19]。300M鋼作為一種具有重要應(yīng)用價(jià)值的工程金屬材料,耐蝕性能差制約著其實(shí)際應(yīng)用。本文通過在300M鋼基體上激光熔覆316L不銹鋼熔覆層,模擬修復(fù)300M鋼的表面損傷,并研究激光功率對(duì)熔覆層的影響,通過電化學(xué)來表征修復(fù)部位的耐蝕性能,對(duì)300M鋼損傷修復(fù)及耐蝕性方面的研究具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)基材為300M超高強(qiáng)鋼,經(jīng)線切割規(guī)格為:30 mm×20 mm×10 mm,其化學(xué)成分見表1,熔覆粉末為316L不銹鋼粉其化學(xué)成分見表2。采用預(yù)置法將粉末與有機(jī)粘合劑調(diào)制成糊狀涂覆到基材表面,控制厚度為1 mm,經(jīng)干燥箱充分干燥后做激光熔覆實(shí)驗(yàn)。

表1 300M超高強(qiáng)鋼化學(xué)成分(wt %)

表2 316L不銹鋼粉末化學(xué)成分(wt %)

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

熔覆前用磨拋機(jī)將試件表面逐級(jí)打磨至光亮平整,并用酒精和丙酮清洗冷風(fēng)吹干后存放到干燥皿中備用。實(shí)驗(yàn)所用激光器為額定功率為3 kW的Nd∶YAG激光器。在前期大量激光熔覆實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取激光掃描速率為3 mm/s,離焦量為30 mm,光斑直徑3 mm,開展變功率激光熔覆對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究,激光功率變量為1 kW、1.5 kW、2 kW。熔覆后使用線切割機(jī)橫向切開,經(jīng)磨拋后制備金相觀察試樣,用王水進(jìn)行腐蝕,在金相顯微鏡下觀測(cè)其顯微組織,用顯微硬度儀測(cè)試熔覆層硬度,每個(gè)位置測(cè)3個(gè)點(diǎn)取平均值以減小誤差。經(jīng)初步打磨去除熔覆層表面氧化皮后,做XRD物相分析,測(cè)試設(shè)備型號(hào)為日本理學(xué)Dmax2500型X射線衍射儀。將熔覆后的試樣經(jīng)后處理整形后,用線切割機(jī)切割為規(guī)格:5 mm×5 mm×10 mm,尾部焊接導(dǎo)線,經(jīng)環(huán)氧樹脂封裝后制備成電化學(xué)測(cè)試樣,測(cè)試設(shè)備型號(hào)為PGSTAT302N電化學(xué)工作站,采用三電極體系,參比電極為Ag/AgCl電極,輔助電極為石墨電極,工作電極為被測(cè)試樣,測(cè)試用電解質(zhì)為5 %的NaCl溶液。測(cè)試在室溫條件下,試樣在電解質(zhì)溶液中穩(wěn)定30 min,極化曲線掃描范圍為相對(duì)于工作電極的開路電位為-100 mV～100 mV,掃描速度1 mV/S；電化學(xué)阻抗的測(cè)量是在開路電位的情況下進(jìn)行的,掃描頻率范圍為10-2～105Hz,數(shù)據(jù)擬合使用Nova 2.1軟件。

熔覆層截面形貌示意圖如圖1所示,在光鏡下測(cè)得熔覆層高度H,及基材熔深h,經(jīng)式(1)計(jì)算得出熔覆層稀釋率。

圖1 激光熔覆層截面形貌示意圖

(1)

式中,η為稀釋率;h為基材熔深;H為熔覆層高度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 熔覆層宏觀形貌

圖2是不同激光功率熔覆316 L不銹鋼粉末表面形貌。由圖可知,三種激光功率下,熔覆層表面均無明顯可見氣孔或裂紋缺陷,熔覆層邊緣存在部分未熔及半熔化的預(yù)制粉末,呈顆粒狀,熔覆表面存在一層浮渣,表面存在波紋狀凝固紋理,波紋彎曲方向與激光光束掃描方向相反。分析認(rèn)為,粘合劑在激光高溫作用下焦化并在熔覆過程中上浮至表面,以及表面金屬在冷卻過程中發(fā)生部分氧化形成氧化皮的混合產(chǎn)物,熔池內(nèi)雜質(zhì)上浮至表面有利于改善熔覆層內(nèi)部的質(zhì)量。熔覆層邊緣由于受到激光熱輻射的能量有限,不足以完全融化表面粉末及內(nèi)層基體,所以存在部分未熔或半熔的粉末。表面張力梯度驅(qū)動(dòng)熔池學(xué)說認(rèn)為,熔池凝固過程中,熔池溫度梯度會(huì)引起的表面的張力梯度[20-21],表面張力梯度驅(qū)動(dòng)的熔池對(duì)流是這種熔覆表面波紋的主要成因,在激光光束移動(dòng)輻照下,前緣溫度很高,粉末熔化,由于重力作用產(chǎn)生單向流動(dòng),熔池的后緣部分由于表面張力與重力的作用形成對(duì)流,這一過程使熔池后緣的液面產(chǎn)生突起,在快速冷卻的過程中形成波紋。

圖2 不同激光功率熔覆316L不銹鋼粉末熔覆層表面形貌

圖2(a)為激光功率為1.0 kW時(shí)316L不銹鋼表面形貌,由圖可知,在激光熔覆起點(diǎn)部分,熔覆層表面有大量半熔化的粉末,呈顆粒狀的小凸起；在熔覆層后半部分,這種顆粒狀半熔化粉末消失,熔覆層表面較光滑,成彗星狀。分析認(rèn)為,1.0 kW激光熔覆功率下,激光熔覆起點(diǎn)部分未能充分熔化,由于激光熱輻射及熔池?zé)醾鲗?dǎo),對(duì)后續(xù)熔覆層起到預(yù)熱的作用,熔覆層后半部分熔化較充分,表面質(zhì)量改善；圖2(b)為激光功率為1.5 kW時(shí)316L不銹鋼表面形貌,由圖可知,在該功率下激光熔覆層形狀規(guī)則,近似呈矩形。分析認(rèn)為,激光功率增加到1.5 kW,表面粉末充分熔化,激光預(yù)熱作用對(duì)熔覆層影響較小,熔覆層形狀規(guī)整,成型質(zhì)量良好；圖2(c)為激光功率為2.0 kW時(shí)316L不銹鋼表面形貌,由圖可知,熔覆層后半部分存在過熔現(xiàn)象,熔覆層邊緣半熔化的凸起顆粒較少,熔覆層形狀呈近似啞鈴狀。

分析認(rèn)為,在2.0 kW功率下,激光預(yù)熱作用對(duì)后續(xù)熔覆熔覆層的影響較大,熔池前半部分沿著激光掃描方向,熔寬明顯增大,由于激光的預(yù)熱作用,熔池后半部分承受的熱密度增大,出現(xiàn)過熔現(xiàn)象,熔化的金屬粉末沸騰飛濺,導(dǎo)致熔池較平,甚至有部分凹陷缺陷,這是表面修復(fù)層所不允許的。

圖3是不同激光功率熔覆316L不銹鋼粉末熔覆層橫截面形貌,表3為不同激光功率下熔覆層稀釋率。圖3(a)為激光功率1.0 kW時(shí)熔覆層橫截面形貌,由圖可知,熔覆層橫截面呈梭形,形狀對(duì)稱性好,稀釋率為25.2 %,最大厚度為0.65 mm,熔覆層平均寬度為4.96 mm,熔合線過渡自然,與基體結(jié)合緊密無裂紋缺陷；圖3(b)、(c)分別為激光功率1.5 kW、2.0 kW時(shí)熔覆層橫截面形貌,熔覆層橫截面呈碗狀,對(duì)稱性欠佳,熔合線過渡不自然,熔覆層最大厚度分別為1.29 mm、1.62 mm,熔覆層平均寬度分別為4.84 mm、5.52 mm,稀釋率分別為58.9 %和66.3 %(如表3所示)。

表3 不同激光功率下熔覆層稀釋率

圖3 不同激光功率熔覆316L不銹鋼粉末熔覆層橫截面形貌

分析認(rèn)為,激光功率增大,激光光源熱密度增大,單位時(shí)間內(nèi)能熔化更多金屬,所以在激光掃描速度不變的情況下,熔覆層深度大量增加,涂層稀釋率也增加,冶金結(jié)合更加充分；激光光斑直徑不變,熔覆層平均寬度隨激光功率增大先增大后減小,主要是因?yàn)槿鄢厥窃趶?fù)雜的熱傳遞及熱交換環(huán)境中快速冷卻凝固,橫向傳熱的不均勻性造成熔池寬度的變化。實(shí)際熔覆過程中基體等溫線并不是均勻的,尤其是保護(hù)氣吹拂方向造成熔池散熱不均,極易形成不規(guī)則不對(duì)稱的熔覆層截面形貌,研究表明不規(guī)則的熔池形貌會(huì)影響熔池中液態(tài)金屬充分對(duì)流,勢(shì)必會(huì)造成熔覆層元素彌散分布不均,對(duì)熔覆層性能有一定的危害[22]。

3.2 熔覆層物相分析

圖4為激光熔覆316L不銹鋼熔覆層的XRD圖譜,由圖可知,修復(fù)層中主要檢出物相為奧氏體、馬氏體、Fe-Cr相、及少量的SiC。316L不銹鋼是一種奧氏體不銹鋼,由于激光熔覆不可避免的稀釋作用,熔覆層中為316L不銹鋼與300M鋼的混合成分,并且由于316L不銹鋼中的高鉻含量,使修復(fù)層中極易生成金屬間化合物Fe-Cr,并且基體300M鋼中碳含量,在大稀釋率的熔池中形成了少量的硬質(zhì)相SiC,這對(duì)提高316L不銹鋼修復(fù)層的硬度有積極的作用。

圖4 316L不銹鋼熔覆層XRD圖譜

3.3 熔覆層金相分析

圖5為不同激光功率下,316L不銹鋼熔覆層橫截面金相組織。由圖可以看出,熔覆層具有定向凝固的特征。激光功率為1.0 kW時(shí)熔覆層中有部分氣孔(圖5(a),圖5(c)),熔覆層與基體間有明顯的分界面,熔覆層底部屬于典型的外延式平面晶組織,中下部是胞狀晶/柱狀晶的混合晶,中上部出現(xiàn)大量樹枝晶/等軸晶,表層主要是是等軸晶組織；熔合線下部由于固溶了部分Cr而呈白亮色。激光功率為1.5 kW和2.0 kW時(shí),熔覆層晶粒類型及分布與1.0 kW時(shí)相似,隨著激光功率的增大熔覆層晶粒有粗大的趨勢(shì),熔合界面變得模糊,為典型的冶金結(jié)合,更加適合具有沖擊的工況。

圖5 不同激光功率下316L不銹鋼熔覆層金相組織

根據(jù)成分過冷理論,凝固組織的生長(zhǎng)形態(tài)取決于固液界面前沿液相的溫度梯度GL和凝固速度R的綜合作用[23-24]。當(dāng)激光掃描到工件將316L不銹鋼粉末和基材表面迅速加熱到其熔點(diǎn)以上使其熔化形成熔覆層,隨后在基體熱傳導(dǎo)和熱輻射中快速冷卻凝固,一方面由于熔覆層界面熔合區(qū)靠近基材,此時(shí)基材溫度很低,導(dǎo)熱速率很快,固液界面前沿液相的溫度梯度極大,其結(jié)晶參數(shù)GL/R很大,幾乎不產(chǎn)生成分過冷；另一方面,由于熔池尺寸的限制和動(dòng)態(tài)凝固特征的影響,對(duì)流難以充分展開,固液界面前沿多余的溶質(zhì)不能被及時(shí)排走,從而有利于界面的穩(wěn)定性,所以溶質(zhì)在熔池底部半熔化的晶粒表面形成非自發(fā)晶核,并沿著散熱反方向外延生長(zhǎng)形成很薄的一層平面晶。隨著凝固過程的進(jìn)行,固液界面前沿受到熔池非平衡動(dòng)態(tài)凝固特性的影響,成分過冷度逐漸增大,GL逐漸降低加之合金溶液對(duì)流擾動(dòng)和稀釋率降低,平面晶生長(zhǎng)方式遭到破壞,開始出現(xiàn)胞狀晶生長(zhǎng),晶粒生長(zhǎng)遵循擇優(yōu)取向原則,取向不利的生長(zhǎng)方向受到抑制,伴隨著結(jié)晶潛熱的釋放,固液界面前沿溫度梯度GL進(jìn)一步降低,溶質(zhì)元素出現(xiàn)明顯的成分富集,形成較寬的成分過冷區(qū)間,熔覆層中出現(xiàn)粗大的柱狀晶；柱狀晶粒在生長(zhǎng)的過程中深入液相內(nèi)部,造成局部橫向產(chǎn)生成分過冷,因此在一次晶軸上生長(zhǎng)出二次晶軸,形成部分柱狀樹枝晶；熔覆層中上部出現(xiàn)了樹枝晶、等軸晶的混合晶,分析認(rèn)為這主要是因?yàn)槿鄢貜?qiáng)制對(duì)流的影響,熔池在表面張力、保護(hù)氣吹力等的作用下,合金粉末熔體能直接加入到熔池,在合金成分中異質(zhì)形核的作用下造成等軸晶的形成,此外在各種力的作用下產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流導(dǎo)致了枝晶臂的斷裂,也能造成等軸晶的形成。熔覆層表層主要是等軸晶組織,分析認(rèn)為,這里結(jié)晶熱力學(xué)和成分過冷起了主要作用,由于液體結(jié)晶潛熱的釋放,基體傳熱和結(jié)晶潛熱保持局部平衡,使液相中的溫度梯度和凝固速度進(jìn)一步減小,成分過冷加大,在液相中形成很寬的成分過冷區(qū),自發(fā)結(jié)晶占居了主導(dǎo)地位,所以熔覆層表層晶體生長(zhǎng)雜亂而形成了大量的等軸晶。

圖6為激光熔覆316L不銹鋼熱影響區(qū)組織形貌。由圖6(a)可知,熱影響區(qū)是粗大針、片狀馬氏體,其間彌散分布著大量增強(qiáng)相。由于激光熱密度大,加熱和散熱的速率極大造成馬氏體組織特別粗大,形成過熱組織,具有很高的硬度。由圖6(b)可知熔合線基體一側(cè)有部分網(wǎng)狀和半網(wǎng)狀的奧氏體晶粒析出,這是由于激光熔覆的特性決定的,當(dāng)激光掃過材料表面,快速形成熔池,熔池底部的金屬過熱發(fā)生軟化,在重力及濃差的作用下,熔池底部奧氏體便向軟化區(qū)滲透,并在較快的冷卻速度下會(huì)形成一種特殊的過熱組織呈圖中形態(tài)。

圖6 激光熔覆316L不銹鋼熱影響區(qū)組織形貌

3.4 熔覆截面EDS分析

圖7為316L不銹鋼熔覆層熔合線兩側(cè)過渡區(qū)EDS線掃描曲線,由圖可知熔覆層底部的過渡區(qū)元素分布有明顯的差異。熔覆層內(nèi)為316L不銹鋼粉末和基體金屬熔化后的混合組織,所以Cr、Ni元素的含量都明顯高于基體熱影響區(qū),Si、Fe元素含量低于基體,EDS掃描曲線在熔合界面處有斷崖式變化,在熔覆層內(nèi)Ni、Fe分布較為均勻。當(dāng)激光功率為1 kW時(shí),熔覆層中靠近熔合界面的平面晶區(qū)Cr、Si元素含量略高于內(nèi)部胞狀晶,在基體靠近熔覆層底部的熱影響區(qū)Cr、Ni元素的含量高于基體,這說明在熔覆層凝固過程中Cr、Ni元素有向基體滲透的趨勢(shì),對(duì)比316L不銹鋼粉末和300M鋼基體化學(xué)成分可知,兩者Cr、Ni元素含量差別很大,在巨大濃度差及過熱軟化的作用下,Cr、Ni元素會(huì)通過熔合界面的固溶體進(jìn)入基體,這個(gè)過程隨著熔池的冷卻凝固而停止,同時(shí)這也是在熔覆層底部區(qū)域觀察到富鉻平面晶白亮帶的原因。當(dāng)激光功率為2 kW時(shí),熔覆層中靠近熔合界面的平面晶區(qū)Cr、Si元素含量低于周圍的粗大柱狀晶,尤其是Cr元素,在不同組織中分布呈梯度變化,這是由于熔覆層底部區(qū)域成分過冷逐漸加強(qiáng)和柱狀晶對(duì)熔池對(duì)流的阻擋作用導(dǎo)致熔池底部液態(tài)金屬對(duì)流不充分,316L不銹鋼中的Cr元素和基體300M鋼中的Si元素彌散分布不均,對(duì)修復(fù)層的質(zhì)量有一定的危害。

圖7 316L不銹鋼熔覆層熔合線兩側(cè)區(qū)域EDS線掃描曲線

圖8為激光功率1.5 kW時(shí)316L不銹鋼熔覆層中部區(qū)域EDS線掃描曲線,由圖可知,各元素含量在波動(dòng)中維持較均衡的含量分布,沒有明顯的偏聚現(xiàn)象,這說明熔覆層中的對(duì)流作用及較寬的成分過冷區(qū)間,使各元素分布沒有明顯的偏聚。

圖8 316L不銹鋼熔覆層(1.5 kW)中部區(qū)域EDS線掃描曲線

3.5 硬度分析

圖9是熔覆層截面顯微硬度分布曲線,測(cè)量方向?yàn)閺娜鄹矊又胁勘砻婵v向延伸到基體。實(shí)驗(yàn)測(cè)得300M鋼基體的平均硬度為225 HV。由圖9可知,300M鋼基體受激光熔覆的熱影響較大,熔覆層底部熱影響區(qū)的基體金屬受到激光淬硬效應(yīng)的影響,平均硬度分別為:686 HV、655 HV、629 HV,基本為300M鋼基體硬度的3倍,這說明激光淬硬效應(yīng)對(duì)基材力學(xué)性能影響很大。根據(jù)圖中硬度分布曲線可知,由于熔覆層中金屬間化合物及硬質(zhì)相的彌散分布不均,造成熔覆層中的硬度有較大波動(dòng)；在相同參數(shù)條件下,316L熔覆層硬度隨激光功率的增加先增加后減小,激光功率1.0 kW時(shí),熔覆層硬度最小為237～303 HV；激光功率為1.5 kW時(shí),熔覆層硬度最大為685～568 HV,是基體材料的2.5～3倍,激光功率為2.0 kW時(shí),熔覆層硬度為639～499 HV。熔覆層最大硬度均出現(xiàn)在次表層深度為200～300 μm的區(qū)域。分析認(rèn)為,激光淬硬導(dǎo)致的硬度大幅增加的主要原因是產(chǎn)生馬氏體相變及材料中金屬間化合物、硬質(zhì)增強(qiáng)相的生成有關(guān)。激光功率為1.5 kW時(shí),熔覆層硬度最大,更加適合飛機(jī)起落架服役的實(shí)際工況。

圖9 熔覆層截面顯微硬度分布曲線

3.6 電化學(xué)分析

動(dòng)電位測(cè)得的基體和不同激光功率熔覆層極化曲線,結(jié)果如圖10所示。由極化曲線利用外推法的解析結(jié)果列于表4,其中,Ecorr表示腐蝕電位,Icorr表示腐蝕電流密度。

圖10 300M鋼基體及不同激光功率下表面熔覆316L不銹鋼熔覆層的電化學(xué)極化曲線

自腐蝕電位是發(fā)生腐蝕反應(yīng)熱力學(xué)趨勢(shì)的一種度量,能較好地反應(yīng)熔覆層的耐蝕性[25-26]。從圖10及表4中可以看出,300M鋼基體的陽(yáng)極極化曲線沒有出現(xiàn)鈍化區(qū)；激光熔覆層極化曲線的陽(yáng)極區(qū)域都具有鈍化趨勢(shì),隨著電位的提高,腐蝕電流增加趨緩,并且自腐蝕電位都高于基體。300M鋼基體的腐蝕電位最低,激光功率為1.5 kW時(shí)試樣的腐蝕電位最高,從腐蝕熱力學(xué)的角度說明基體最容易發(fā)生腐蝕,激光功率為1.5 kW的試樣最難發(fā)生腐蝕,從腐蝕動(dòng)力學(xué)的角度來看,后者自腐蝕電流最小,這說明一旦腐蝕發(fā)生,后者的腐蝕速率最慢。綜合來看,激光功率為1.5 kW時(shí),激光熔覆316L不銹鋼熔覆層的的耐蝕性最優(yōu)。

表4 極化曲線擬合結(jié)果

圖11(a)為300M鋼基體及不同激光功率下316L不銹鋼熔覆層的Nyquist圖譜,圖11(b)為300M鋼基體及不同激光功率下316L不銹鋼熔覆層的Bode圖譜。從Nyquist圖譜可以看出,激光熔覆功率為2 kW的熔覆層在溶液中的阻抗譜由一個(gè)高頻的容抗弧和一個(gè)低頻的感抗弧組成,高頻的容抗弧與試樣表面的電子轉(zhuǎn)移過程密切相關(guān),而低頻的感抗弧主要是由腐蝕產(chǎn)物在試樣表面的吸附造成的。300M鋼基體及1.0 kW、1.5 kW熔覆層的阻抗譜中沒有出現(xiàn)低頻感抗弧,而是在整個(gè)高頻和低頻范圍內(nèi)都表現(xiàn)為一個(gè)容抗弧,表明在測(cè)試頻率范圍內(nèi)電極反應(yīng)為界面反應(yīng)控制過程。因此,對(duì)于300M鋼基體及1.0 kW、1.5 kW熔覆層而言,其Bode圖中應(yīng)該出現(xiàn)一個(gè)容抗弧,如圖11(b)所示。

由圖11(a)可見,激光功率為1.5 kW時(shí),熔覆層的容抗弧的半徑略微大于2.0 kW及1.0 kW,圓弧的半徑越大,試樣的總阻抗越大,由此可知激光功率為1.5 kW的熔覆層的耐腐蝕性能略優(yōu)于2.0 kW及1.0 kW,這與極化曲線分析結(jié)果一致。由Bode 圖可知在高頻區(qū)(103Hz～105Hz)范圍內(nèi)的相位角接近于0,表明在高頻區(qū)的阻抗主要為溶液阻抗；在中頻區(qū)(1 Hz～103Hz)范圍內(nèi),相位角達(dá)到最值,其中激光功率為1.5 kW的熔覆層試樣最大為70°,表現(xiàn)出了容抗的典型特征,說明試樣表面的鈍化膜趨于一個(gè)電容絕緣層,鈍化膜對(duì)試樣的具有一定的保護(hù)作用；在低頻區(qū)(10-2Hz～1 Hz),阻抗(Z)表示腐蝕反應(yīng)的阻抗。由圖12(b)可以看出,在低頻區(qū),阻抗大小為1.5 kW>2.0 kW>1.0 kW>基體,說明在5 %NaCl溶液中的侵蝕性離子通過1.5 kW熔覆層表面鈍化膜腐蝕基體要更加困難,因此當(dāng)激光功率為1.5 kW時(shí)熔覆層對(duì)基體耐腐蝕的保護(hù)能力更強(qiáng)。

圖11 300M鋼基體及不同激光功率下316L不銹鋼熔覆層的電化學(xué)阻抗圖

4 結(jié) 論

本文在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取激光掃描速率為3 mm/s,離焦量為30 mm,開展變功率激光熔覆修復(fù)300M鋼的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究,所得結(jié)論如下:

(1)激光功率為1.5 kW時(shí),316L不銹鋼熔覆層稀釋率適中,熔覆層形狀規(guī)則,表面修復(fù)質(zhì)量較優(yōu)。

(2)熔覆層主要檢出物相為奧氏體、馬氏體、Fe-Cr相、及少量的SiC,提高的熔覆層的硬度。熔覆層具有定向凝固的特征,底部為平面晶組織,中下部是胞狀晶/柱狀晶的混合分布,中上部出現(xiàn)大量樹枝晶/等軸晶,表層主要是是等軸晶組織；激光功率為1.5 kW時(shí),熔覆層硬度最大為685～568 HV,是基體硬度的2.5～3倍,更加適合具有摩擦及沖擊的實(shí)際工況。

(3)不同激光功率熔覆層的阻抗大小排序?yàn)?1.5 kW>2.0 kW>1.0 kW；激光功率為1.5 kW時(shí),所得熔覆層腐蝕電位最高(-462.65 mV),自腐蝕電流最小(3.63×10-3mA),對(duì)基體300M鋼耐腐蝕保護(hù)性能最好。