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Inconel617合金表面电子束熔覆NbMoCr显微组织和耐腐蚀性的探讨

0 序 言

在镍基合金中,617合金具有良好的高温强度、可塑性和良好的抗氧化和耐腐蚀性[1-2]. 因此,它广泛用于工业管道及航空汽轮机的零部件. 欧洲的AD700项目将617合金作为过热器管以及管道的候选材料,并将其作为中高压阀体及转子的主要候选材料[3-4].

县教育会计集中核算中心对教育管理政策的掌握不够全面,在教育专项资金拨款上相关人员没有严格按照有关程序进行,而出现这一问题的本质原因是管理机构自身不完善,在具体工作中各部门权责落实不具体,存在重视资金拨款、轻视资金使用的问题。

通过研究,617合金材料主要性能体现在耐磨耐腐蚀性及高温抗氧化性上. 而近年来,中国大力发展航空航天工业,这对617合金的耐腐蚀性和高温抗氧化性提出了更高的要求,通过改善材料中的气体含量、显微组织及表面的致密性,来提高617合金的性能和寿命[5]. 为了提高617合金工作表面的耐腐蚀性,在其表面涂覆一层铌合金粉末NbMoCr.NbMoCr粉末中的Nb和Mo元素可以提高局部耐腐蚀性和抗氯化物晶间腐蚀性,可以固溶强化.Cr元素具有高硬度及耐磨性. 因此,熔覆粉末选用NbMoCr能很好地起到弥散强化基体表层的作用,大大提高了试件表面的力学性能、耐腐蚀性和抗氧化性[6-7].

采用高能电子束技术在617合金表面涂覆NbMoCr涂层,研究了熔覆层的微观结构、硬度和耐腐蚀性.

了解患者的基本信息,包括教育程度、家庭结构、经济状况以及既往病史,制定个性化健康宣教方案,采用通俗易懂的语言,向其介绍食管癌的病因病机、危险因素、易感人群、发病几率、临床症状、治疗方式等,在讲解时可发放相关知识卡片,嘱咐患者戒烟酒,勤洗澡,保持照射野皮肤干燥清洁,且该部位禁止使用肥皂,或用粗毛巾擦洗,局部不可粘贴脚步,不可涂抹乙醇、刺激性油膏等物质,选用宽松、吸汗、柔软的内衣。

1 试验方法

试验采用基体材料为617合金,平均硬度为182 HV10,尺寸为 50 mm × 30 mm × 10 mm,其化学成分如表1所示. 熔覆层材料表层为200 μm厚度的NbMoCr(比例为2:2:3)合金粉和打底层为100 μm 厚度的 NiAl,粒度均为 200 ~ 400 目.

用丙酮浸泡、刷洗的方式对617合金表面进行去污处理[8-9],然后进行喷砂处理,方便熔覆粉末与基体结合. 其次,进行高速等离子喷涂,先喷涂100 μm 的NiAl,再喷厚度约为 200 μm 的 NbMoCr.最后,进行电子束熔覆,采用线性扫描的方式对喷有NbMoCr的617基体进行单道熔覆处理[10],熔覆参数如表2所示.

第三,加强对核材料和核设施的国家管理。2010—2016年的四届全球核安全峰会使全球都关注确保核材料和核设施安全的重要性。通过国家承诺,各国都采取行动,减少核材料被盗或设施遭受破坏的可能性。但是,确保所有核材料和核设施安全的工作还远未完成。各国应当:

通过电火花线切割机将试样切成10 mm × 4 mm ×4 mm的小试样,并且对试样进行抛光、腐蚀处理[11],采用QUANTA FEG 450型扫描电子显微镜(SEM)对熔覆层截面组织进行观察;用X射线衍射仪(XRD)分析熔覆层的相结构;通过PS-268A电化学测量仪器测试样品的耐腐蚀性.

表1 Inconel617 合金化学成分 (质量分数,%)
Table1 Chemical compositions of Inconel617alloy

Cr Co Mo Al C Fe Si Ti Cu Ni 20 ~ 24 10 ~ 12 8 ~ 10 <1 <0.1 <2.0 1.0 0.3 0.2 余量

表2 电子束熔覆试验参数
Table2 Experimental parameters of electron beam cladding

焊室真空度Ph/Pa 枪室真空度Pq/Pa 加速电压U/kV 聚焦电流Ij/mA 束流Is/mA 束斑直径D/mm 扫描速度v/(mm·min-1)3.2 × 10-2 1.6 × 10-3 60 390 30 6 600

2 试验结果与分析

2.1 熔覆层表面及截面形貌

图1为NbMoCr涂层熔覆前(即等离子喷涂后)及熔覆后表面形貌. 图1a是等离子喷涂后的形貌,表面基本平整,颗粒致密,等离子喷涂时,粉末被加热成半熔融状态,以非常高的速度粘结在617合金表面,属于物理结合. 而图1b显示了电子束熔覆后的熔覆层表面形貌,其表面光滑平整、没有裂纹及孔隙. 图2是经电子束熔覆处理后放大不同倍数的截面形貌. 图2a是涂覆NbMoCr层后的横截面形貌,其中亮白灰区域是NbMoCr熔覆层,平均厚度为 250 ~ 300 μm,通过电子束熔覆,涂层粉末完全熔化,基体表面微熔,然后迅速冷却,在界面处形成冶金结合. 图2b是放大1 000倍的截面形貌,可以看出与基体结合紧密且均匀,无气孔渣粒,其中黑色条状物为Ni元素,已经与基体完全混合.

图1 电子束熔覆前后的表面形貌对比
Fig.1 Comparison of surface morphology before and after electron beam cladding

图2 电子束熔覆处理后截面 SEM 形貌
Fig.2 SEM morphology of cross section after electron beam cladding

2.2 稀释率对熔覆层性能的影响

在熔覆试验中,母材对熔覆材料的冲淡程度称为稀释率[12],稀释率是衡量母材与熔覆层结合程度的重要标准[13]. 为了使熔覆层与母材结合更加牢固,必须有一部分母材元素熔化进入熔覆层形成化合物,达到熔覆层与母材的冶金结合[14],但是为了获得良好的耐磨耐腐蚀性及力学性能,必须控制熔覆层的稀释率. 一般稀释率控制在10%以内是最好的[15-16].

目前稀释率的算法一般采用面积法. 用SEM对熔覆层截面进行拍照后测量,如图3所示,截面的熔宽W、熔深h和熔高H. 根据经验,可以假定熔覆区的表面为抛物线曲面,熔覆层的宽度和基体熔化宽度相等,其稀释率η的公式演变过程为[17]

式中:A1为基体熔化区的横截面面积(mm2);A2为熔覆层的横截面面积(mm2);h为基体熔化区的横截面高度(mm);H为熔覆层的横截面高度(mm).

图3 电子束熔覆层横截面示意图
Fig.3 Schematic diagram of cross section of electron beam cladding

电子束扫描后,将样品切割开来,在SEM下观察测量熔深h和熔高H. 根据式(1)得出表3的数据,稀释率仅为7.3%,同时也低于10%的要求.

我们选择了现实主义,我们坚定地走在现实主义创作道路上,遵循了现实主义创作原则,实践了现实主义创作方法。在现实主义绘画创作方面,关东画派艺术家们经过半个多世纪的群体努力取得了辉煌成就。

表3 熔覆后样品的熔深、熔高和稀释率
Table3 Penetration depth,fusion height and dilution rate of samples after cladding

加速电压U/kV扫描束流I/mA 60 30 600 0.13 1.65 7.3功率 扫描速度v/(mm·min-1)熔深h/mm熔高H/mm稀释率η(%)

2.3 熔覆层的相结构

试验样品通过电子束熔覆后,在距离熔覆层表面100 μm的地方进行XRD检测. 如图4所示,熔覆层内除了原有物相AlCr2,CrSi2外,还形成了新的物相 M23C6,Cr7C3,Cr4Si4Al13,CoCx,其中 M23C6具有复杂的面心立方结构,M23C6的M以Cr 为主,固溶元素有Nb,Mo和Ni. Cr4Si4Al13是金属间化合物,具有良好的热强度、高温稳定性和优异的耐腐蚀性[18]. 而三元碳化物Cr7C3相和CoCx具有较高的硬度,这些物相结构能提高熔覆层硬度和耐磨性. 含有 Cr,Si元素的 AlCr2,CrSi2物相具有良好的耐腐蚀能力,使得617合金应用于航空涡轮机部件和高温管道等腐蚀环境下.

图4 熔覆层的 XRD图谱
Fig.4 XRD patterns of cladding layers

2.4 熔覆层的显微硬度

显微硬度能体现熔覆层的性能,电子束熔覆层的硬度与熔覆层的材料、组织和相结构等因素有关. 硬度的检测是在NbMoCr熔覆层的截面上,从表面每隔50 μm测试一个点,一直检测至500 μm的深度为止(取点位置如图5),加载力为98 N,持载时间10 s,以平均值作为617合金基体和NbMoCr熔覆层表面的硬度,如图5所示,617合金基体的平均硬度为182 HV10,NbMoCr熔覆层表面的硬度为268 HV10,说明NbMoCr熔覆层的硬度有所提高,这可能由于大量的Cr元素与Si,Al等元素发生了化学反应,生成 Cr23C6,CrSi2,Cr7C3,Cr4Si4Al13等金属间化合物,这些化合物使得熔覆区的枝晶组织更加致密,而这些金属化合物硬度都比较高[19],最终使得熔覆层硬度较617合金提高了86 HV10.

图5 熔覆层截面硬度分布
Fig.5 Hardness distribution of cladding layer section

2.5 熔覆层耐腐蚀性分析

2.5.1 腐蚀方法

电化学腐蚀试验使用了三电极系统和PS-268A电化学测量仪器. 电解槽为三电极系统,铂电极是一个辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极,以试验样品作为工作电极进行测试[20-21]. 腐蚀试样为617合金和NbMoCr熔覆层. 腐蚀表面积均为4 mm ×4 mm. 分别测试两种试验样品在1 mol/L H2SO4溶液、3.5% NaCl溶液、1 mol/L NaOH溶液中的极化曲线,并进行对比分析.通过自腐蚀电流密度icorr的大小来衡量金属的腐蚀速度[22].

回顾性分析行血液透析治疗的35例DN者,所有患者经检查确诊为DN,医院伦理委员会审核通过,患者符合血液透析指征,未合并高血压性肾病、原发性肾病、药物性肾损害等,患者签署知情同意书。年龄区间41~79 岁,平均(58.2±4.3)岁,糖尿病病程 6~19 年,平均(12.0±1.8)年,DN 病程 2~10 年,平均(7.0±1.3)年,男16例,女19例。

2.5.2 腐蚀结果及分析

样品在1 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蚀性如图6和表4所示,在阴极的极化过程中,随着电位的增加,617合金的电流密度逐渐降低,当电位在E =-189.2 mV时进入阳极极化阶段,之后随着电位的增加电流密度也开始增加. 此外,对于NbMoCr熔覆层而言,在阴极极化阶段,电流密度明显低于617合金,且电流密度也随着电位增加而降低. 当电位达到E = -113.6 mV时进入阳极极化阶段,其自腐蚀电位相对于基体的电位增加了75.6 mV,这表明NbMoCr熔覆层比617合金更难腐蚀;之后随着电位及电流密度的增加,出现钝化现象;根据自腐蚀电流密度,可得知617合金的相对腐蚀速率是NbMoCr熔覆层的5.16倍. 可以看出,NbMoCr熔覆层更稳定,不易发生点腐蚀和晶间腐蚀,耐腐蚀性更好.

图6 试样在 1mol/L H2SO4 溶液中的极化曲线
Fig.6 Polarization curves of the samples in 1 mol/L H2SO4solution

表4 试样在 1mol/L H2SO4 溶液中的腐蚀测试结果
Table4 Corrosion test results of the samples in1mol/L H
2SO4solution

617 合金 -189.2 7.12 × 10-5 5.16 NbMoCr熔覆层 -113.6 1.38 × 10-5 1

在3.5% NaCl溶液中,其耐腐蚀性如图7和表5所示,NbMoCr熔覆层自腐蚀电位E = -352.9 mV,617合金的自腐蚀电位E = -418.6 mV时进入阳极极化阶段,NbMoCr熔覆层E值略高于617合金层. 依据热力学可知,材料在腐蚀性的介质中自腐蚀电位的高低,决定该材料的耐腐蚀倾向,所以NbMoCr熔覆层具有较高的耐盐蚀倾向. 而从腐蚀动力学的观点来看,自腐蚀电流密度越小,材料的耐腐蚀性越强. 根据表5的数据可知,在3.5%NaCl溶液中,617合金的相对腐蚀速率是NbMoCr熔覆层的4.6倍.

图7 试样在 3.5%NaCl溶液中的极化曲线
Fig.7 Polarization curves of the samples in3.5%NaCl solution

表5 试样在 3.5%NaCl溶液中的腐蚀测试结果
Table5 Corrosion test results of the samples in 3.5%NaCl solution

样品 自腐蚀电位E/mV自腐蚀电流密度icorr/(A·cm-2) 相对腐蚀速率617 合金 -418.6 7.86 × 10-6 4.6 NbMoCr熔覆层 -352.9 1.71 × 10-6 1

图8和表6是NbMoCr熔覆层和617合金在1 mol/L NaOH溶液中腐蚀性能,NbMoCr熔覆层自腐蚀电位E = -986.2 mV,617合金E = -1 126.2 mV时分别进入阳极极化,NbMoCr熔覆层E值明显高于617合金,从热力学角度分析,NbMoCr熔覆层具有较好的耐蚀倾向. 根据试样自腐蚀电流密度,结合表6可知:在1 mol/L NaOH 溶液中,617合金的相对腐蚀速率是NbMoCr熔覆层的3.12倍.

图8 试样在 1mol/L NaOH 溶液中的极化曲线
Fig.8 Polarization curves of the samples in 1 mol/L NaOH solution

表6 试样在 1mol/L NaOH 溶液中的腐蚀测试结果
Table6 Corrosion test results of the samples in1mol/L NaOH solution

样品 自腐蚀电位E/mV自腐蚀电流密度icorr/(A·cm-2) 相对腐蚀速率617 合金 -1 126.2 3.62 × 10-7 3.12 NbMoCr熔覆层 -986.2 1.16 × 10-7 1

3 结 论

(1)电子束熔覆层与基体形成良好的冶金结合.NbMoCr熔覆层中M23C6为面心立方晶体,Cr4Si4Al13为金属间化合物,均匀分布在617合金表层中,提高了熔覆层的耐腐蚀性能.

(2)电子束熔覆后,熔覆层的稀释率仅为7.3%,满足低于10%的要求.

(3) 617合金表面电子束熔敷NbMoCr涂层可使显微硬度由基体的182 HV10提高到268 HV10.

多炉多机并列运行,当任一汽机遮断时,本机排汽对热网供汽切断,且主汽母管憋压导致压力迅速飞升,甚至引起PCV动作,工质快速泄放,使母管上各锅炉汽包水位大幅波动,易造成超限保护动作。一台或多台锅炉MFT,致使事故进一步扩大,对外供汽受到大幅影响,给热用户带来巨大的安全风险。因此,任一汽机跳闸时的快速控制十分重要。

(4)腐蚀试验表明:在1 mol/L H2SO4溶液中,617合金基体的自腐蚀电流密度是NbMoCr熔覆层的5.16倍;在3.5% NaCl溶液中,617合金基体的自腐蚀电流密度是NbMoCr熔覆层的4.6倍;在1 mol/L NaOH溶液中,617合金基体的自腐蚀电流密度是NbMoCr熔覆层的3.12倍.

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