合金元素Nb对激光熔覆铁基合金组织及性能的影响

摘要

【目的】马氏体不锈钢（0Cr13Ni5Mo）因具备优良的锻造、铸造和耐腐蚀性能，广泛应用于水电、化工和高压容器等领域。然而，在特定工作环境中，0Cr13Ni5Mo材料的失效加速，尤其在水力过流部件中易受到沙粒冲击和水体腐蚀的影响。因此，有必要采取保护措施提升其表面性能，从而延缓材料失效。【方法】为提高过流部件的使用寿命，采用激光熔覆技术在0Cr13Ni5Mo基材表面制备了不同Nb含量（0%、5%、7%、9%）的铁基合金涂层。通过XRD、SEM、维氏硬度计和电化学工作站分析Nb元素的添加对铁基合金涂层显微组织、相组成、显微硬度及电化学性能的影响。【结果】研究结果显示，显微组织由灰色基体和块状、花瓣状VC增强相以及网状Cr碳化物构成。随着Nb含量的增加，基体中块状和颗粒状Nb碳化物的尺寸逐渐增大，形貌由块状和颗粒状转变为花瓣状和蝶状，同时Cr碳化物网状结构逐渐减少。相组成分析表明：4种熔覆涂层试样均由体心立方结构的马氏体相、面心立方结构的奥氏体相、VC碳化物增强相和Cr₂₃C₆相组成。特别是在S2、S3和S4样品中，随着Nb含量增加，X射线衍射曲线中出现了NbC相的峰值，表明Nb在激光熔覆过程中通过原位反应生成了NbC碳化物增强相，且基体中奥氏体相随Nb含量增加而增加。所有样品的显微硬度均随着Nb含量的提高而提升，其中S3样品的显微硬度最高，达到645 HV。电化学测试表明，随着Nb含量增加，样品的自腐蚀电位逐渐升高，自腐蚀电流逐渐减小。S3和S4样品展现出典型的阳极极化特征，包括活性溶解区、钝化区以及钝化膜破裂后的过钝化区。在样品S4中，由于碳化物数量较多，导致了微电偶腐蚀，耐蚀性有所下降。S3样品的电化学性能最佳，自腐蚀电位为-179.3 mV,自腐蚀电流密度仅为样品S1的10.3%,达到9.258×10^-8 A/cm²。其耐腐蚀性能的提升归因于MC型碳化物中Cr含量的减少，导致更多的Cr溶解进入基体，相中Cr含量增加，从而增强了涂层的耐腐蚀性能。【结论】设计并制备了一种含Nb的铁基合金涂层，用于0Cr13Ni5Mo水力过流部件的表面改性，以期推动激光熔覆技术在过流部件表面强化涂层中的应用发展。

关键词

激光熔覆 / 过流部件 / 马氏体 / 碳化物 / 铁基合金涂层 / 原位自生 / 显微硬度 / 耐腐蚀性