郭浩霖，韓 彬

（1.海洋石油工程股份有限公司檢驗(yàn)公司，天津300452；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266580）

Mo對(duì)N80油管激光合金化層組織及性能的影響

郭浩霖1，韓 彬2

（1.海洋石油工程股份有限公司檢驗(yàn)公司，天津300452；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266580）

為了研究不同Mo添加量對(duì)N80油管激光合金化層組織和性能的影響，在N80油管表面預(yù)置Ni-Cr-Ti-B4C-Mo合金粉末，通過(guò)激光處理獲得與基體冶金結(jié)合良好的合金化層，并對(duì)激光合金化層的組織、化學(xué)成分及顯微硬度進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果顯示，Mo添加量為5%～10%時(shí)，隨著Mo含量的增加，α-Fe固溶體晶粒細(xì)化效果越明顯，增強(qiáng)相TiB2、TiC含量增多，體積增大，分布更為均勻；當(dāng)Mo的加入量為5%時(shí)，激光合金化層中TiB2、TiC增強(qiáng)相含量最多，硬度最高。研究表明，從耐磨性角度考慮，建議Mo的添加量為5%。

N80油管；激光合金化；顯微組織；硬度

原位合成增強(qiáng)顆粒復(fù)合法是一種新型的金屬基復(fù)合材料制備方法，能夠避免顆粒外加產(chǎn)生的諸多問(wèn)題，如顆粒燒損、界面污染、增強(qiáng)相分解等。原位合成技術(shù)主要有鑄造原位合成技術(shù)、熔覆原位合成技術(shù)等。采用激光作為熱源，利用熔覆原位合成技術(shù)在材料表面原位合成含有TiCTiB2增強(qiáng)相的熔覆層，即在基體材料表面預(yù)置TiC、TiB2合金粉末，利用激光熱源加熱熔化，在熔池內(nèi)部反應(yīng)原位生成TiC、TiB2增強(qiáng)顆粒，使基體表面形成冶金結(jié)合的復(fù)合材料熔覆層。這種熔覆層充分利用了TiC和TiB2的高硬度、高熔點(diǎn)、高模量、耐沖擊和高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)異力學(xué)性能[1-2]，使材料表面具備了高耐磨損性能，既延長(zhǎng)了材料的使用壽命，又提高了材料的強(qiáng)度，能夠滿足一些惡劣工況下部件的修復(fù)，在很多需要提高部件磨損性能的場(chǎng)合也得到應(yīng)用，而且由這種表面改性方法制備具有特殊性能的功能熔覆層，工藝比較簡(jiǎn)單，成本低廉，有著重要的工程應(yīng)用價(jià)值。但是，金屬陶瓷復(fù)合材料原位合成技術(shù)存在著增強(qiáng)相偏聚及增強(qiáng)相體積小、數(shù)量少等問(wèn)題，影響了復(fù)合材料組織的均勻性與性能的穩(wěn)定性，阻礙了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用[3]。同時(shí)，增強(qiáng)相與基體的結(jié)合強(qiáng)度，以及合金元素與基體的熔合效果都影響著合金化的效果。已有研究表明，在激光合金化技術(shù)中，Mo可以改善液態(tài)金屬Fe對(duì)增強(qiáng)相的潤(rùn)濕性，溶入α-Fe相中，起固溶強(qiáng)化粘結(jié)相的作用[4]。目前，我國(guó)許多油田已進(jìn)入中后期開采階段，油管的腐蝕與管桿偏磨問(wèn)題日益加劇[5-7]，激光合金化在N80油管方面的應(yīng)用研究報(bào)道較少[8-9]。因此，本研究采用激光合金化對(duì)N80油管的內(nèi)壁制備TiC-TiB2增強(qiáng)相的鐵基熔覆層，分析Mo元素對(duì)N80油管合金化層組織和性能的影響，以期使合金化層的組織更加致密，各相間結(jié)合強(qiáng)度得到加強(qiáng)，合金化層性能得到一定提高。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用N80油管的化學(xué)成分見表1。所用合金粉末為Ni、Cr、Ti、B4C 和Mo。 其中，Ni、Cr、Mo、Ti的粒度為200目，B4C石墨的粒度為280目，純度大于99%。合金粉末配比見表2，Ti與B4C配比為摩爾比3∶1。

用砂紙將N80油管表面銹跡除去，并用丙酮清洗后干燥備用。采用粉末預(yù)置法進(jìn)行鋪粉，預(yù)置粉末厚度為0.2 mm。利用DL-HL-T5000W CO2橫流激光器進(jìn)行合金化，光斑直徑為3.0 mm，合金化過(guò)程采用氬氣側(cè)吹法進(jìn)行保護(hù)，氬氣流量為10 L/min。激光輸出功率為2.8～3.1 kW，掃描速度為700 mm/min，多道搭接率為40%。

表1 N80油管鋼的化學(xué)成分 %

表2 合金粉末的化學(xué)成分 %

N80油管激光合金化后，截取其橫截面，用水砂紙進(jìn)行研磨拋光，采用LEO-1450型掃描電鏡進(jìn)行顯微組織分析；JEOLJXA-8100型電子探針進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分定性分析；HX-1000T型顯微硬度測(cè)定儀測(cè)量硬度，載荷為200 g。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 組織形貌分析

圖1為添加不同Mo含量的合金化層顯微組織形貌。由圖1（a）可見，激光合金化層主要由TiC、TiB2增強(qiáng)顆粒和α-Fe固溶體組成，TiC、TiB2顆粒從基體中原位形核、長(zhǎng)大，熱力學(xué)穩(wěn)定，與金屬基體浸潤(rùn)性好。顆粒相TiB2、TiC多呈顆粒狀或不規(guī)則多邊形狀鑲嵌在α-Fe固溶體中，尺寸較小，分布也多不均勻。隨著Mo含量的增加，α-Fe固溶體晶粒細(xì)化效果越明顯，TiB2和TiC顆粒分布、含量及尺寸發(fā)生變化。當(dāng)添加5%Mo時(shí)，明顯改善了Fe對(duì)增強(qiáng)相TiB2、TiC的潤(rùn)濕性，使TiB2、TiC顆粒彌散分布于Fe基固溶體相中，合金化區(qū)顯微組織更加致密，微觀缺陷減少。另外，增強(qiáng)相TiB2、TiC含量最多，其尺寸較未添加Mo時(shí)也有所增加。這是由于Mo的加入改善了α-Fe相與TiB2、TiC增強(qiáng)相之間的潤(rùn)濕性，增加了TiB2、TiC的形核質(zhì)點(diǎn)，使增強(qiáng)相更加容易聚集長(zhǎng)大。因?yàn)镸o的加入能形成一種包覆層結(jié)構(gòu)（surrounding structure，簡(jiǎn)稱SS相），增強(qiáng)相包覆Mo形核長(zhǎng)大。當(dāng)添加Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，進(jìn)一步改善了TiC、TiB2在合金化區(qū)中的分布，α-Fe固溶體晶粒進(jìn)一步細(xì)化。但是，基體組織細(xì)化的同時(shí)也會(huì)使增強(qiáng)相尺寸增加，SS相很脆，必須控制它的生長(zhǎng)，當(dāng)SS相厚度超過(guò)l μm時(shí)，合金化層強(qiáng)度也會(huì)下降；而SS相過(guò)分發(fā)達(dá)時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致合金化層的耐磨性和韌性大大降低。

圖1 添加不同Mo含量合金化層SEM顯微組織

2.2 化學(xué)成分分析

圖2 w（Mo）為10%的激光合金化區(qū)截面背散射及線掃描圖

圖2為添加w（Mo）為10%的激光合金化區(qū)截面電子探針背散射圖像及元素線掃描圖譜。由圖2可知，B、C、Fe及Mo的含量波動(dòng)平穩(wěn)，基本保持穩(wěn)定，說(shuō)明Mo已彌散分布于固溶體及增強(qiáng)相中；Ni、Ti、Cr的含量在合金化層和基體的界面處出現(xiàn)較大變化，但合金化層波動(dòng)較小，表明合金化層成分較為均勻。

圖3為激光合金化區(qū)的背散射圖像及線掃描圖譜。由圖3可知，Mo在Fe粘結(jié)相中具有一定的溶解度，說(shuō)明Mo原子也向α-Fe晶格中擴(kuò)散。Mo的固溶有利于提高粘結(jié)相的抗氧化性和高溫強(qiáng)度，同時(shí)改善對(duì)TiC相的潤(rùn)濕性。C、B、Ti與Fe、Ni、Cr元素的線分布強(qiáng)度特征相反，尤其是Ti的含量變化非常明顯，由于Mo的加入使增強(qiáng)相體積增大，線掃描結(jié)果進(jìn)一步證明了圖中黑色相為TiC、TiB2增強(qiáng)相。另外，還可以看出，α-Fe相與TiC、TiB2顆粒接觸緊密，粘附均勻，增強(qiáng)相顆粒周圍無(wú)氣孔、微裂紋等缺陷，界面潔凈，結(jié)合強(qiáng)度高。

圖3 激光合金化區(qū)背散射及線掃描圖

2.3 顯微硬度分析

圖4為激光合金化層表面至基體的硬度分布。從圖4可以看出，當(dāng)w（Mo）為5%時(shí)合金化層硬度最高，達(dá)到630 HV0.2，未添加Mo時(shí)次之，而當(dāng)Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)合金化層硬度反而降低。這是由于Ti、C、B、Ni和Mo的原子半徑不同，形成固溶強(qiáng)化，有助于提高合金化層的硬度[10]，同時(shí)加入Mo后晶粒細(xì)化效果明顯，因此，加入Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)的合金化層硬度更高。隨著Mo含量的增加，固溶強(qiáng)化效應(yīng)是增強(qiáng)的，但是Mo含量太高時(shí)，TiB2及TiC增強(qiáng)相含量有所降低，合金化層硬度略有降低。

圖4 Mo含量與合金化層硬度的關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

（1）N80油管激光熔覆Ni-Cr-Ti-B4C合金粉末，激光合金化層主要由原位生成的TiC、TiB2增強(qiáng)顆粒和α-Fe固溶體組成。

（2）Mo添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%時(shí)，隨著Mo含量的增加，α-Fe固溶體晶粒細(xì)化效果越明顯，增強(qiáng)相TiB2、TiC含量增多，體積增大，分布更為均勻。

（3）當(dāng)Mo添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，合金化層硬度得到顯著提高，但當(dāng)Mo添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，合金化層的硬度下降。

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Effect of Molybdenum Element on Microstructure and Properties of Laser Alloying Layers on N80 Oil Tube

GUO Haolin1,HAN Bin2
（1.China Offshore Oil Engineering Company Inspection Division,Tianjin 300452,China;2.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

In order to study the effect of different content of molybdenum element on microstructure and properties of laser alloying layers on N80 oil tube,the N80 oil tube surface was presented Ni-Cr-Ti-B4C-Mo alloying powders,the alloying layer which was metallurgical bonding with substrate was obtained through laser treatment.The microstructure,the distribution of the main alloying elements and microhardness of laser alloying layer were tested.The results showed that when the content of molybdenum element is between 5%and 10%,with the increase of molybdenum content the grain refinement of α-Fe solid solution is more obvious,and the volume content and size of the reinforcing phase TiB2and TiC which are well-distributed increase.When the content of Mo is 5%,the volume content of TiB2and TiC and the hardness of the laser alloying layer are highest.In terms of wear resistance,it is recommended that the content of molybdenum element is 5%.

N80 oil tube;laser alloying;microstructure;hardness

TG115.28

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.002

郭浩霖（1980—），男，工程師，主要從事材料、焊接相關(guān)研究及應(yīng)用。

2016-07-12

李 超