水下激光重熔加工后水下激光熔覆双相不锈钢涂层的显微组织和耐侵蚀性

长三角G60激光联盟导读

据悉，本文研究了其相构成、微看构造、化学成分和电化学侵蚀性能。

摘要

连系水下部分干激光熔覆（ULDLC）和水下部分激光重熔（ULDLR）手艺，在水下情况中造备了双相不锈钢（DSS）涂层。研究了其相构成、微看构造、化学成分和电化学侵蚀性能。成果表白，在水下激光重熔后，DSS涂层的相构成连结稳定，并发作了从Widmanstätten奥氏体+晶内奥氏体+（211）铁素体到（110）铁素的相变。ULDLR工艺能够进步水下部分干式激光熔覆涂层的耐蚀性。3kW时重熔涂层的耐蚀性更好，1kW和5kW时的耐蚀性类似，（110）铁素体相的耐蚀性优于晶界奥氏体相。ULDLC+ULDLR工艺可称心高效水下庇护、成形量量掌握和耐侵蚀性的要求。也可用于水下情况中S32101双相不锈钢的外表修复。

1.介绍

在核电站的持久办事期间，乏燃料池的双相不锈钢（DSS）板将产生老化效应。其失效机造次要是平均侵蚀、应力侵蚀开裂（SCC）和点蚀，对核电站的平安运行构成严峻威胁。因为乏燃料池一般在水情况中工做，为了降低设备庇护成本并考虑核辐射的原因，其修复凡是摘用水下焊接手艺。水下焊接办法包罗水下湿焊、部分水下干焊和高压水下干焊接。颠末多年的开展，本地干式水下焊接手艺已被证明是一种更好的水下修复手艺。

水下焊接可分为三种办法：干焊、湿焊和水下部分型腔焊。干焊凡是在水下的高压室中停止，能够获得高量量的焊接接头，但干焊的焊接设备十分复杂，焊接成本高，正如Shi等人报导的那样。湿焊中的冷却速度相对较高，那会招致焊接接头的机械性能显着下降。此外，Guo等人证明，在水和压力的感化下，湿焊接头随便呈现气孔和裂纹等缺陷。比拟之下，部分干焊能够消弭水对焊缝外表的影响，包管焊接接头的量量。因而，部分干焊是水下焊接的抱负办法。

水下部分干式（UL）K-TIG焊接设备。

目前，研究次要集中在传统的水下部分干焊办法，如部分干钨极惰性气体庇护焊和部分干式气体庇护金属电弧焊。那些焊接办法凡是需要屡次通过才气完成厚度超越3毫米的板的焊接。在DSS多道次焊接过程中，有害相（如西格玛和碳化物）的沉淀会招致构成贫铬区域，从而降低水下焊接接头的量量。此外，水下焊接情况十分恶劣。因而，较长的焊接时间不太有利，开发高效省时的水下焊接手艺是水下焊接研究的重点。

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水下激光熔覆手艺具有热输进小、修复精度高档特征，已逐步成为核电设备水下修复的重要关键手艺。在过往的十年中，研究人员专注于水下湿式激光熔覆（UWLC）和部分干式水下激光熔覆。UWLC通过激光束间接感化于水下情况中的基底上，通过预造粉末或同步送粉造备涂层。

ULDLC是处理水下情况修复问题的优良手艺手段。激光重熔不只能够用于改进金属外表构造，还能够用于修复金属外表缺陷。然而，在尝试设备设置方面，现有研究仅限于水深小于50mm的研究。浅水无法模仿实在的水下修复情况和熔池的冷却梯度。在手艺方面，固然造备了优良的成形涂层，但因为水下情况的特殊性，其性能并未得到改进。本文研造了一种防水激光熔覆头。连系ULDLC和ULDLR手艺，在水下情况中对废燃料池板材S32101 DSS停止了激光熔覆和激光重熔尝试。研究了涂层的微看构造和电化学侵蚀性能。

2.工艺尝试

利用S32101双相不锈钢做为根本素材（BM），原始尺寸为300 mm×150 mm×16 mm。填充素材为ER-2209焊丝。在ULDLC尝试之前，用钢丝刷将基材粗拙化，以降低其对激光辐射的反射率，然后在超声波清洁器中利用酒精和丙酮清洁，以往除外表污染物。ULDLC/ULDLR通过利用图1和图2所示的水下激光熔覆系统停止，该系统由RFL-6000激光器、防水激光熔覆头、ULDLCN和计算机掌握的三轴定位系统构成。造造具有48%堆叠的平行激光轨迹，以在整个BM上构成涂层，获得的样品表达为包覆DSS涂层。在激光熔覆之后，还利用激光熔覆系统处置激光重熔，其参数如下：激光功率1kW、3kW和5kW、激光光斑曲径（3mm）和10mm/s的激光挪动速度。因而，那些获得的样品别离定名为熔态-1kW DSS涂层、熔态-3kW DSS涂层和熔态-5kW DSS涂层。图3展现了水下激光熔覆道路和水下激光重熔工艺图。

图1 水下激光熔覆系统示企图。

图2 用于水下激光熔覆/重熔加工的水下激光熔覆系统。

图3 水下激光熔覆示企图。

3. 成果和讨论

3.1. 涂层外看和特征

图4展现了熔覆涂层和重熔涂层在差别激光功率值（1、3和5 kW）下的宏看形态和横截面。涂层长度为100毫米。在水下激光熔覆过程中，熔池的凝聚冷却速度更快，没有氧化。因而，所有涂层的外看都是持续和平均的，没有明显的缺陷，如裂纹，气孔，同化物或欠缺熔合，颜色为雪白色。与包层涂层比拟，水下激光重熔工艺消弭了涂层外表的鱼鳞现象。跟着激光功率密度的增加，重熔涂层的外表金属光泽更好，外表粗拙度更小。通过火析DSS涂层的横截面，发现跟着激光功率的增加，激光重熔影响区的深度逐步增加。当激光重熔参数为5 kW时，重熔影响区（RAZ）的穿透深度超越原始涂层。当激光重熔参数大于3 kW时，大量枝晶生长并沿垂曲于熔池鸿沟的标的目的散布，因为该标的目的的温度梯度更大，因而散热最快。

图4 激光熔覆涂层的宏看形态：（a-1）熔覆DSS涂层，（b-1）重熔1kW DSS涂层，（c-1）重熔3kW DSS涂层，（d-1）重熔5kW DSS涂层。激光熔覆涂层的横截面：（a-2）做为熔覆的DSS涂层，（b-2）做为重熔-1kW DSS涂层，（c-2）做为重熔-3kW DSS涂层，（d-2）做为重熔-5kW DSS涂层。

3.2. 相构成

摘用XRD手艺阐发了包覆涂层和重熔涂层的相构成。图5所示的X射线衍射图展现，包层涂层由γ相和δ相构成，别离具有四个γ峰{（111）、（200）、（220）和（311）}以及四个δ峰{（110）、（200）、（211）和（220）}。那一成果与其他研究一致。然而，包层涂层的（211）δ相峰更高，4个γ峰{（111）、（200）、（220）和（311）}较低。那表白γ相的构成在轮回水冷却的前提下遭到按捺，因为γ从基量δ沉淀的时间较短。跟着激光功率密度的增加，{（211）}δ相位的峰值减小，{（110）}δ相位的峰值先减小后增大。在重熔-1 kW DSS涂层中，{（111）、（220）和（311）}的峰值γ明显增加。

图5 X射线包覆和重熔涂层。

图6展现了包覆和重熔DSS涂层的OM图像。涂层/基材的界面是可见的（见图6c，f，i，l），熔合线也能够清晰地看到，那表白涂层与基材具有优良的冶金连系。包层DSS涂层的微看构造由Widmanstätten奥氏体（WA），晶界奥氏体（GBA），晶内奥氏体（IGA）和片状铁素体构成，如图6a，b所示。重熔-1 kW DSS涂层的重熔区由粗晶δ、片状铁素体和大量次生奥氏体，它对应于XRD的测试成果，如图6d所示。成果表白，低激光功率重熔有利于次生奥氏体相的构成。与非水下激光重熔区比拟，水下激光重熔区铁素体、WA和IGA含量明显降低，单相δ含量明显增加。水下激光重熔使涂层从头结晶，因为差别区域的冷却速度不平均，呈现了差别晶粒尺寸的δ。细晶粒δ呈现在重熔涂层的顶部，如图7a所示，粗粒δ呈现在涂层的中间，如图7b所示。跟着重熔激光功率密度的增加，激光重熔的热影响区面积增加（图6c，f，i，l）。因为激光能量的轮回输进，热影响区呈现δ（黑色部门）。

图6 包覆和重熔涂层的OM图像：（a）顶部区域，（b）中心区域和（c）包层DSS涂层的界面区域;（d）在顶部区域，（e）在中心区域和 （f） 在重熔-1 kW DSS 涂层的界面区域;（g） 顶部区域，（h） 中心区域和 （i） 重熔-3 kW DSS 涂层的界面区域;（j） 在顶部区域，（k） 在中心区域，（l） 在重熔-5 kW DSS 涂层的界面区域。

图7 X射线包覆和重熔涂层。（a）：细粒δ，（b）：粗粒δ。

3.3. 合金元素的散布特征

为了确定水下激光重熔对奥氏体和等轴铁素体相中元素散布特征的影响，EPMA对样品停止了查抄。从图8能够看出，元素Cr次要集中在δ相，而Ni含量的峰值趋于不变在γ相，那与以往的文献一致。进一步证明，水下激光重熔后构成的等轴晶粒为铁素体。

图8 重熔-3 kW样品的EPMA阐发。

3.4. WA + IGA + （211） δ→（110） δ相变的机理

激光重熔过程是部分淬火和加热过程。因为加热速度高，外表加热速度可达104 °C–108°C/秒素材外表敏捷到达奥氏体化温度，铁素体通过非扩散转化为奥氏体。讨论了重熔涂层的微看构造和相构成。重熔 1 kW 涂层的微看构造不竭开展并呈现晶界。加热温度没有完全到达晶粒均量化温度，那表白新晶粒起头生长。当激光重熔功率大于3 kW时，熔覆层顶部和中部WA、IGA和片状铁氧体含量明显降低，呈现等轴晶粒。等轴颗粒被差别粒度的GBA颗粒包抄。原位固溶退炽热处置过程中双相不锈钢中面心立方奥氏体（fcc）到体心立方（bcc）铁素体的相变。连系重熔涂层的相构成和化学元素散布，能够揣度出等轴铁氧体在水下激光重熔后呈现。

等轴铁氧体由细晶粒和粗晶粒构成。那是因为顶部冷却速度高，中间冷却速度相对较低，招致铁氧体生长过程中差别水平的欠冷影响。因而，揣度当激光重熔功率大于3 kW时，WA，IGA和片状铁氧体改变为等轴铁氧体。整个铁素体转化过程：等轴晶粒生长，WA+IGA+（211）δ→（110）δ，（110）δ均量化。示企图如图9 所示。

图9 重熔过程中的晶粒生长图。

3.5. 侵蚀性能

阐发了3.5 wt.%NaCl溶液中熔覆和重熔DSS涂层的电化学表征，并以奈奎斯特图的形式给出了响应的动电位极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）数据，如图10所示。熔覆和重熔DSS镀膜的偏振曲线展现出不异的趋向，但包覆涂层的偏振曲线位于下部区域。成果表白，包覆涂层比重熔涂层更随便被侵蚀。包覆涂层的自侵蚀电流密度低于重熔涂层，那意味着与重熔涂层比拟，包层涂层的侵蚀速度略高。

图 10 包覆和重熔DSS涂层的偏振曲线。

如图11所示，Z′和Z“做为被测阻抗Z的实部和虚部。包层涂层的阻抗谱半径明显小于重熔涂层的阻抗谱半径，因而能够揣度未通过激光重熔的涂层具有较差的耐侵蚀性。成果表白，水下激光重熔工艺能够进步包层涂层的耐侵蚀性能。重熔-3 kW涂层具有更佳的耐侵蚀性，重熔-1 kW和重熔-5 kW涂层的耐侵蚀性类似。

图 11 包层和重熔DSS涂层的EIS曲线。

为了进一步确定GBA和（110）δ在重熔-3 kW上的耐侵蚀性。对重熔的3 kW样品停止SVET丈量。图12展现了SVET丈量的成果和扫描区域的微看构造。能够看出，在GBA和（110）δ相的鸿沟线之外，存在两个电势（E）阶地。较高的E区对应于GBA相位，约为0.4–1.8 μV。而对应于（110）δ相位的较低E区约为−3.5 μV。E越低，耐侵蚀性越好，表白（110）δ相的耐侵蚀性优于GBA相。

图 12 两相耦合试样在 3.5 wt.% NaCl 溶液中的 SVET 成果。

夏比冲击试验后ULK-TIG焊接接头的SEM断裂面。（a）BM，（b）水下WM和（c）陆上WM。

BM、水下WM和陆上WM的断裂面如上图所示。BM和陆上WM的断裂面表白存在具有大量凹坑的韧性断裂特征，表白BM和陆上WM在分裂前履历了严峻的塑性变形。图b展现了水下WM的断裂面。固然水下WM的冲击韧性值低于BM和陆上WM，但在水下WM的断裂面看察到大量凹陷，那也表白其履历了延性断裂。在不异放大倍率下，比照BM、水下WM和陆上WM的SEM显微照片，发现BM和陆上WM中凹陷的均匀尺寸大于水下WM。那表白BM和陆上WM在压裂前履历了更大的塑性变形并吸收了更多的能量。因而，参考SEM断裂显微照片，BM和陆上WM的冲击韧性优于水下WM。因为ULK-TIG焊和陆上K-TIG焊接的冷却速度差别，水下WM和陆上WM的显微组织也差别，那可能是看察到WM冲击韧性的影响的原因。因而，有需要将水下WM的微看构造与陆上WM的微看构造停止比力。

4. 结论

操纵开发的水下激光熔覆系统，对差别激光能量密度的激光熔覆层停止了水下激光熔覆和水下激光重熔。研究了WA+IGA+（211）δ→（110）δ相变机理及其电化学侵蚀性能。次要结论总结如下：

1.水下激光重熔工艺消弭了包覆涂层外表的鱼鳞现象。当激光功率密度增加时，重熔涂层的外表金属光泽更好，外表粗拙度更小，激光重熔影响区深度逐步增加。当激光重熔功率大于3 KW时，大量枝晶沿垂曲于熔池鸿沟的标的目的生长和散布。

2.包层涂层的微看构造由WA，GBA，IGA和片状铁素体构成。涂层的再结晶是由水下激光重熔引起的。激光重熔区（211）铁氧体、WA和IGA含量明显降低，（110）δ含量明显增加。在重结晶过程中，具有差别过冷度的差别区域构成差别的（110）δ晶粒尺寸。

3.当激光重熔功率大于3kW时，WA，IGA和片状铁氧体改变为等轴铁氧体。整个铁素体转化过程：等轴晶粒生长，WA+IGA+（211）δ→（110）δ，（110）δ均量化。

4. 成果表白，水下激光重熔工艺能够进步包层涂层的耐侵蚀性能。重熔-3 kW涂层具有更佳的耐侵蚀性，重熔-1 kW和重熔-5 kW涂层的耐侵蚀性类似。（110）δ比拟GBA相具有更高的耐侵蚀性。

来源：Microstructure and Corrosion Resistance of Underwater Laser Cladded Duplex Stainless Steel Coating after Underwater Laser Remelting Processing, Materials, doi.org/10.3390/ma14174965

参考文献：Cui, S.W.; Xian, Z.Y.; Shi, Y.H.; Liao, B.Y.; Zhu, T. Microstructure and Impact Toughness of Local-Dry Keyhole Tungsten Inert Gas Welded Joints. Materials 2019, 12, 1638.；Fu, Y.L.; Guo, N.; Cheng, Q. Investigation on in-situ laser cladding coating of the 304 stainless steel in water environment. Mater. Des. 2020, 186, 108284.

长三角G60激光联盟陈长军转载