孫小磊 韓 彬
(1.海洋石油工程股份有限公司,山東 青島 266520; 2.中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院,山東 青島 266580)
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稀土元素對油管激光合金化層組織及性能影響
孫小磊1韓 彬2
(1.海洋石油工程股份有限公司,山東 青島 266520; 2.中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院,山東 青島 266580)
在N80油管表面預(yù)置Ni-Cr-Ti-B4C-La2O3合金粉末,通過激光處理獲得與基體冶金結(jié)合良好的合金化層,研究La2O3添加量對激光合金化層組織和性能的影響。利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和顯微硬度計對合金化層的組織及顯微硬度進行測試分析,利用電化學(xué)測試系統(tǒng)測試合金化層的動電位極化曲線。結(jié)果表明,La2O3添加量影響N80油管表面激光合金化層原位生成TiB2,TiC相的尺寸及分布、硬度及耐蝕性。當La2O3的加入量為0.5%時,激光合金化層中TiB2,TiC增強相細小且分布均勻,硬度最高,耐蝕性得到改善。
N80油管 激光合金化 顯微組織 顯微硬度 耐蝕性
目前,中國許多油田已進入中后期開采階段,油管的腐蝕與管桿偏磨問題日益加劇[1-2],已嚴重影響油田的正常生產(chǎn),造成重大經(jīng)濟損失。針對油管腐蝕問題,國內(nèi)外油管的防腐蝕方法主要有注入緩蝕劑、使用耐蝕合金管材、陰極保護、使用防腐蝕涂層管材,但存在通用性差、成本過高、易老化等問題。針對管桿偏磨問題,有相當部分的解決措施為機械方式,例如扶正器等,但無法從根本上解決此問題。
激光合金化是在高能量激光束的照射下,使基體材料表面一薄層與根據(jù)需要加入的合金元素相互作用,以達到表面改性的目的。目前,通過這種方法在基體中加入或合成碳化物,硼化物,氮化物和其它金屬間化合物等強化相制造高性能復(fù)合材料[3-4],但目前激光合金化在N80油管方面的應(yīng)用研究報道較少[5]。稀土作為活性元素,在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域及激光表面改性領(lǐng)域早有應(yīng)用,研究表明稀土可起到細化晶粒、凈化焊縫的作用[6]。因此,文中采用激光合金化方法對N80油管的內(nèi)壁進行改性,研究稀土元素含量對油管合金化涂層的影響,以期進一步改善油管的耐腐蝕性能以及減弱或防止管桿偏磨,具有重要的理論和實際意義。
試驗用N80油管的化學(xué)成分見表1。所用合金粉末為Ni,Cr,Ti,B4C,La2O3,其中Ni,Cr,Ti的粒度為2.05 mm,B4C石墨的粒度為2.81 mm,純度大于99%。合金粉末配比見表2,其中Ti與B4C配比為摩爾比3∶1。
表1 N80油管鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),%)
表2 合金粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),%)
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)置法進行鋪粉,預(yù)置粉末厚度為0.2 mm。利用DL-HL-T5000WCO2橫流激光器進行合金化,光斑直徑為3.0 mm,合金化過程采用氬氣側(cè)吹法進行保護,氬氣流量為10 L/min。激光輸出功率為2.8~3.1 kW。激光掃描速度為700 mm/min,多道搭接率為40%。
N80油管激光合金化后,截取其橫截面,用水砂紙進行研磨拋光,采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡進行顯微組織分析,電子探針進行微區(qū)化學(xué)成分定性分析,顯微硬度測定儀測量硬度,硬度計載荷200 g。用電化學(xué)測試系統(tǒng)對合金化涂層進行耐蝕性分析,腐蝕介質(zhì)為3.5%NaCl溶液。
2.1 組織形貌分析
添加不同含量La2O3的合金化層的組織如圖1所示。由圖1a可見,TiC,TiB2顆粒從基體中原位形核、長大,熱力學(xué)性能穩(wěn)定,與金屬基體浸潤性好。顆粒相TiB2,TiC多呈顆粒狀或不規(guī)則多邊形狀鑲嵌在Ni基奧氏體中,尺寸較小,分布也多不均勻。由圖1a~1c可知,當加入0.5%La2O3時,TiB2,TiC增強相的尺寸減??;當La2O3的加入量由0.5%增加到1%時,隨著La2O3加入量的增加,TiB2,TiC增強相的尺寸亦隨之增加,且明顯可見La2O3的加入均起到細化基體晶粒的作用。這是由于添加的La2O3在高能激光束作用下發(fā)生分解,一部分與硫、磷、硅等有害元素形成低熔點共晶化合物,凝固后隨熔體上浮形成熔渣,一部分生成可作為形核核心的稀土化合物,使TiB2,TiC顆粒形核數(shù)量增加,有效增加TiB2,TiC彌散分布的幾率,同時La2O3的加入改善了合金化區(qū)的組織形貌,組織更加致密。當La2O3添加量增加到2%時,在合金化區(qū)底部形成包裹整個合金化區(qū)的粗晶區(qū),如圖1d所示。圖1e為圖1d中粗晶區(qū)的掃描電鏡組織形貌,可以看出,粗晶區(qū)內(nèi)TiB2,TiC增強相尺寸減少,同時數(shù)量也有所減少。這可能是由于過量的La2O3與C發(fā)生反應(yīng)生成稀土碳化物,對基體細化作用減弱,同時熔池底部對流弱,晶粒隨之長大。
圖1 合金化層顯微組織
2.2 顯微硬度分析
由于La2O3的加入量影響合金化層中TiB2,TiC晶粒的尺寸、形態(tài)和分布,合金化層的性能也發(fā)生變化。圖2為合金化層的硬度與La2O3含量之間的關(guān)系曲線。由圖可知,當La2O3含量為0.5%時,合金化層的平均硬度值比未加入La2O3時高30 HV0.2左右,達到580 HV0.2。當La2O3含量增至1%時,合金化層硬度比未加入La2O3時降低約30 HV0.2。當La2O3含量進一步增加到2%時,合金化層硬度降至525 HV0.2。因此可見,當La2O3含量為0.5%時可在Ni-Cr-Ti-B4C合金粉末基礎(chǔ)上達到進一步提高耐磨性的目的。
合金化層中適量La2O3對TiC和基體金屬起到細化晶粒和增加形核核心的作用,也凈化了合金化層的組織。形核核心的增多,增加了TiB2,TiC增強相彌散分布的幾率,使得合金化層的微觀晶界增加,提高了合金化層的強度和韌性。但當合金化層中La2O3加入量超過1%后,會導(dǎo)致合金化層硬度的降低。這可能是因為添加過量La2O3時,超過與氧、硫反應(yīng)所需用量,La2O3將生成LaCx,及出現(xiàn)La-Fe-C三元化合物,這將減少γ體中固溶的含碳量,降低合金化層硬度。
圖2 La2O3含量與合金化層硬度關(guān)系曲線
2.3 耐蝕性分析
2.3.1 開路電位Ecorr分析
開路電位Ecorr反映了材料的腐蝕熱力學(xué)傾向。未加La2O3和加入0.5%La2O3時,合金化試樣在腐蝕液中電極電位隨時間變化趨勢如圖3所示??梢钥闯觯醇覮a2O3和加入0.5%La2O3時合金化試樣的電極電位隨著時間的延長是緩慢降低的,加La2O3的合金化試樣的最終電極電位高于未加La2O3合金化試樣的最終電極電位。電極電位隨時間變化的曲線可以顯示耐蝕材料表面狀態(tài)在腐蝕介質(zhì)中由活化態(tài)逐漸鈍化的過程。隨著時間的延長,表面鈍化膜從無到有、從疏松到致密,鈍化膜完全形成后,其電極電位就達到了平衡。平衡電極電位越高,說明材料腐蝕傾向越小。加入La2O3后的合金化試樣最終電極電位高于未加La2O3時的電極電位,這說明加入適量的La2O3能夠使表面產(chǎn)生更加致密和完整的氧化物保護膜,有利于提高材料的耐蝕性能。
圖3 開路電位與時間的關(guān)系
2.3.2 極化曲線分析
未加La2O3和加入0.5% La2O3的動電位極化曲線如圖4所示。通過極化曲線擬合的未加La2O3和加入0.5% La2O3的腐蝕電流密度分別為0.302 μA/cm2和0.125 μA/cm2??梢钥闯?,加入0.5% La2O3的合金化試樣的腐蝕電流密度低于未加La2O3的合金化試樣的腐蝕電流密度,說明加La2O3的合金化試樣的耐蝕性能較好。
圖4 動電位極化曲線
(1)La2O3的添加影響N80油管表面激光合金化層原位生成TiB2,TiC相的尺寸及分布。當La2O3的加入量為0.5%~2%時,隨著La2O3加入量增加,TiB2,TiC相的尺寸先增加后減??;當La2O3的加入量為0.5%時,TiB2,TiC增強相細小且分布均勻。
(2)La2O3的添加影響N80油管表面激光合金化層的硬度。當La2O3的加入量為0.5%~2%時,隨著La2O3加入量增加,合金化層的硬度先升高后降低;當加入0.5%的La2O3時,合金化層的硬度最高,可達580 HV0.2,比基體高30 HV0.2左右;當La2O3加入量超過1%,合金化層的硬度低于未加La2O3的硬度值。
(3)La2O3的添加可改善N80油管表面激光合金化層的耐蝕性。與未添加La2O3相比,La2O3的加入量為0.5%時,腐蝕電流密度由0.302 μA/cm2降低到0.125 μA/cm2。
(4)N80油管表面采用Ni-Cr-Ti-B4C-La2O3合金粉末進行激光合金化改性,建議La2O3的加入量為0.5%。
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2017-02-13
TG47
孫小磊,1983年出生,碩士,工程師。主要從事海洋鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗等方面工作,已發(fā)表論文20余篇。