304不锈钢表面激光熔覆铁基合金组织及抗空蚀性能

摘要

【目的】304不锈钢是一种以奥氏体为主要晶体结构的铬镍不锈钢，因其优异的耐热性和耐蚀性，广泛应用于航空、船舶和化工等行业。然而，304不锈钢硬度较低，抗空蚀性能不足，作为水轮机叶片材料时，其表面在复杂环境下易出现凹坑、剥落等现象，显著缩短叶片使用寿命。【方法】为提升304不锈钢的使用寿命，采用激光熔覆技术在其表面制备了新型铁基合金熔覆层。通过相分析、组织观察、EBSD分析、硬度测试和空蚀试验，系统分析了熔覆层的相组成、晶体学特征、显微硬度及抗空蚀性能。【结果】研究结果显示，铁基合金熔覆层主要由α-Fe基体相和Cr₂₃C₆相组成。熔覆层成形质量良好，几乎无微裂纹，仅有少量孔隙。显微结构呈现出典型的非平衡凝固特征，由枝晶及枝晶间的网状组织构成，并从底部至顶部依次出现平面晶、胞状晶、柱状晶及等轴晶的形貌。EBSD分析表明，熔覆层内形成了高密度晶界且无明显织构。熔覆层横截面显微硬度在640～750 HV_0.2之间，显著高于304不锈钢基体的显微硬度(187.6 HV_0.2)。这种高硬度主要归因于溶质原子引起的固溶强化、分散在网状枝晶间的Cr₂₃C₆和Cr₇C₃硬质相的第二相强化，以及高密度晶界带来的晶界强化。在300 min的空蚀试验中，304不锈钢基体的累计质量损失为24.8 mg,而铁基合金熔覆层的损失仅为7.8 mg,约为基体的31.5%。整个试验过程中，熔覆层的累计质量损失均低于304不锈钢基体。空蚀损伤表面分析表明，空泡腐蚀过程中气泡坍塌产生的剪切波会在材料表面形成应力积累，导致滑移带的生成，滑移带处易萌生并扩展裂纹，最终造成材料剥落形成空蚀坑。细小晶粒、高晶界密度及高显微硬度是熔覆层具备优异抗空蚀性能的关键因素。【结论】高硬度铁基合金熔覆层显著提升了304不锈钢基体的抗空蚀性能。本研究设计并制备了一种用于304不锈钢表面改性的高硬度铁基合金熔覆层，为激光熔覆技术在水轮机叶片表面强化涂层中的应用提供了潜在的解决方案。

关键词

激光熔覆技术 / 304不锈钢 / 铁基合金 / 相分析 / 显微组织 / 织构 / 显微硬度 / 抗空蚀性能