李傳君, 李 凱, 黃婉婉, 陸益順, 呂東明, 王志強(qiáng), 俞 婷, 韓 彬

(1. 江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì), 北京 100823; 3. 江蘇大學(xué) 京江學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 4. 東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210096)

42CrMo鋼是一種綜合力學(xué)性能好、強(qiáng)度高、滲透性高、韌性好的中碳合金鋼,其在石油開(kāi)采工具Y形接頭中得到廣泛應(yīng)用.Y形接頭主要作用是將采油管柱一分為二,一個(gè)作為電泵接頭,一個(gè)作為測(cè)試、修井通道接頭[1],經(jīng)常在易腐蝕、磨損、高溫等惡劣環(huán)境下工作[2-4],因此要求42CrMo鋼必須具有良好的耐高溫腐蝕性能.通過(guò)表面強(qiáng)化技術(shù)改善42CrMo鋼表面耐蝕性和抗疲勞性能逐漸成為研究重點(diǎn).激光沖擊處理(LSP)是利用短脈沖(幾十納秒)、高峰值功率密度(大于109 W·cm-2)的激光誘發(fā)高壓沖擊波(GPa量級(jí))在材料表層產(chǎn)生高幅殘余壓應(yīng)力和微觀硬度,提高金屬材料的機(jī)械性能.一般認(rèn)為,材料表面存在一定的殘余壓應(yīng)力分布可以有效改善材料表面的抗磨損、抗腐蝕及疲勞性能[5-7].目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于激光沖擊強(qiáng)化處理42CrMo鋼耐高溫腐蝕性能的研究報(bào)道較少.

為此,本研究采用脈沖激光對(duì)42CrMo鋼表面進(jìn)行沖擊強(qiáng)化處理,研究激光沖擊后的殘余應(yīng)力、硬度變化情況及不同沖擊能量對(duì)材料耐高溫腐蝕性能的影響,并結(jié)合沖擊區(qū)表面的微觀形貌和能譜圖,探討42CrMo鋼的耐高溫腐蝕性能,為進(jìn)一步研究42CrMo鋼的激光沖擊處理工藝提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù).

1 材料制備與參數(shù)選擇

1.1 材料的制備

材料為42CrMo鋼,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下:w(C)=0.380～0.430,w(Si)=0.150～0.350,w(Mn)=0.750～1.000,w(P)=0.035,w(S)=0.040,w(Cr)=0.800～1.000,w(Mo)=0.150～0.250.激光沖擊前,采用線切割法加工,加工10 mm×25 mm×2 mm的長(zhǎng)方形試樣,所有試樣的待沖擊表面經(jīng)過(guò)400#-1 200#金相砂紙逐級(jí)打磨,同時(shí)所有試樣均用丙酮超聲波清洗以除去表面殘留的油污、顆粒等雜質(zhì),并烘干待用.

1.2 激光沖擊工藝參數(shù)設(shè)置

采用GAIA-R型Nd:YAG激光器對(duì)試樣表面進(jìn)行激光搭接沖擊,試驗(yàn)激光波長(zhǎng)為1 064 nm,激光光斑直徑為3 mm,脈寬為10 ns,光斑搭接率為50%,沖擊區(qū)域?yàn)?0 mm×10 mm.同時(shí),為了對(duì)比不同沖擊能量對(duì)試樣的影響,分別選擇4,6和8 J的沖擊能量.試驗(yàn)中能量吸收層選用美國(guó)3M公司產(chǎn)厚度為100 μm的鋁箔,采用流水水簾作為約束層.采用X-350A型X射線應(yīng)力儀測(cè)定激光沖擊前后試樣表面及深度方向殘余應(yīng)力,采用HXD-1000TM型數(shù)字式顯微硬度計(jì)測(cè)定試樣表面的顯微硬度值.

1.3 耐高溫腐蝕工藝參數(shù)設(shè)置

激光沖擊后,用丙酮超聲波清除表面的鋁箔膠帶等殘留物.試樣準(zhǔn)備完成后,放置在高溫液壓油中,通過(guò)加熱爐將其加熱到250 ℃左右,恒壓20 MPa,保溫72 h.之后,待溫度冷卻,取出試樣,用丙酮超聲波清洗試樣,然后采用S-3400N型掃描電鏡對(duì)腐蝕后試樣進(jìn)行觀察,并拍攝微觀形貌,從而分析表面的腐蝕情況,得到激光沖擊強(qiáng)化處理對(duì)42CrMo鋼耐高溫腐蝕性能的影響.

2 LSP對(duì)耐高溫腐蝕性能的影響

2.1 高溫腐蝕試驗(yàn)

金屬和合金高溫腐蝕是在周?chē)h(huán)境中成膜的氧化過(guò)程,受金屬所在環(huán)境的溫度、暴露時(shí)間、壓力的影響,激光沖擊前后42CrMo鋼高溫腐蝕試驗(yàn)形貌如圖1所示.

圖1 不同激光沖擊能量下42CrMo合金鋼高溫腐蝕形貌圖

圖1中,未沖擊試樣經(jīng)過(guò)高溫腐蝕后,材料表面出現(xiàn)大量的腐蝕坑,且具有一定的深度和寬度.隨著腐蝕時(shí)間增加,材料表面可能會(huì)伴隨材料腐蝕脫落現(xiàn)象,導(dǎo)致試樣被破壞,無(wú)法進(jìn)行正常工作;隨著激光沖擊能量的增加,受到激光沖擊強(qiáng)化4 J后的試樣腐蝕形貌有一定好轉(zhuǎn),較未進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的腐蝕坑變小,材料脫落現(xiàn)象減弱;激光沖擊達(dá)到6,8 J時(shí)的腐蝕凹坑越來(lái)越小,說(shuō)明隨著激光沖擊能量的增加,材料的耐高溫腐蝕性能得到了很大的提升.這是因?yàn)槭艿郊す鉀_擊強(qiáng)化后在42CrMo合金鋼表面和深度方向上產(chǎn)生了較大的殘余壓應(yīng)力層,且在表面獲得較大的強(qiáng)度.在一定程度上,殘余壓應(yīng)力的存在阻止了表面材料的脫落,從而延長(zhǎng)了材料使用壽命[8-10].

42CrMo鋼中Cr和Mo為主要合金元素,Cr,Mo為中強(qiáng)碳化物形成元素,在合金鋼中,它們一部分以碳化物的方式存在,而這些碳化物可以提高合金鋼的耐腐蝕、耐磨損性能.經(jīng)過(guò)高溫腐蝕后42CrMo鋼表面能與氧發(fā)生反應(yīng),形成一層致密的、具有保護(hù)性的Cr2O3氧化膜,高溫腐蝕一定時(shí)間后,材料表面的氧化膜容易脫落.受到激光沖擊強(qiáng)化后在材料表面產(chǎn)生了一定的殘余壓應(yīng)力層,殘余壓應(yīng)力的存在有阻礙和減緩氧化膜脫落的作用,材料表面就不容易出現(xiàn)大面積脫落現(xiàn)象,所以激光沖擊強(qiáng)化后腐蝕量減小[11].

2.2 殘余應(yīng)力分析

對(duì)激光沖擊處理前后的試樣表面及深度方向進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試.殘余應(yīng)力采用X射線衍射方法,每個(gè)點(diǎn)測(cè)量4次取平均值,采用交相關(guān)定峰方法;衍射晶面為{220}晶面,應(yīng)力常數(shù)為-601 MPa,掃描角2θ范圍為138°～121°,掃描步距為0.10 s-1,計(jì)數(shù)時(shí)間為0.5 s.為了測(cè)量材料在沖擊深度方向上的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布,試驗(yàn)中將被測(cè)材料逐層剝離去除,逐層測(cè)量殘余應(yīng)力值.采用電解拋光法逐層剝離表層材料,以減小逐層剝離材料時(shí)引入的外力對(duì)原殘余應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生的影響.通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù),得出沖擊處理前后試樣表面沿光斑徑向殘余應(yīng)力和沖擊深度方向上殘余應(yīng)力的分布和變化情況.不同激光沖擊能量下42CrMo鋼表面殘余應(yīng)力和沖擊深度方向上殘余應(yīng)力分布如圖2所示.

激光沖擊強(qiáng)化能夠提升材料耐腐蝕性能最主要原因之一就是在材料較深的表層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力層.由圖2可知,激光沖擊強(qiáng)化前,試樣中已經(jīng)存在殘余壓應(yīng)力,這是由于試樣在激光沖擊處理前的切削加工中引入的,或者進(jìn)行拋光時(shí)加入的.未沖擊前試樣表面的殘余壓應(yīng)力為-85 MPa.隨著激光沖擊能量的增加,殘余壓應(yīng)力隨之增加.沖擊能量為4 J時(shí)達(dá)到-126 MPa,6 J時(shí)達(dá)到-269 MPa,8 J時(shí)達(dá)到-357 MPa,隨著激光沖擊能量的增加,殘余壓應(yīng)力提高3～4倍.由圖2b可知,殘余壓應(yīng)力隨深度的增加而減小,最后達(dá)到穩(wěn)定,這是由于應(yīng)力波在材料內(nèi)部傳播過(guò)程是不斷衰減的,殘余壓應(yīng)力的影響深度達(dá)到了0.6 mm左右.

圖2 合金鋼表面和深度上的殘余應(yīng)力分布

從圖1,2中可以看出,與未沖擊相比,激光沖擊能量的增大可以大幅度提高試樣表層的殘余壓應(yīng)力,并提高殘余壓應(yīng)力的影響深度.激光沖擊可以提高金屬材料的塑性和表面屈服強(qiáng)度,與未沖擊試樣相比,激光沖擊試樣的金屬表層不容易發(fā)生斷裂和腐蝕剝落[12-13],所以高溫腐蝕量較小.文獻(xiàn)[14-15]研究表明,激光沖擊使表層材料發(fā)生了加工硬化,并在表層材料內(nèi)產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力,這些是使合金鋼表面耐蝕能力得到明顯提高的主要原因.

2.3 顯微硬度分析

硬度的變化可以反映出合金強(qiáng)度的變化,通過(guò)測(cè)試合金鋼硬度，可以間接地判斷42CrMo激光沖擊強(qiáng)化效果.硬度的變化也反映了顯微組織的變化.

本試驗(yàn)采用HXD-1000TM型顯微硬度計(jì)測(cè)試合金硬度.測(cè)量表面硬度時(shí),選擇試樣表面3個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,最終取3個(gè)點(diǎn)的平均值作為表面硬度值.測(cè)量深度方向的硬度時(shí),選擇4,6 和8 J能量沖擊后的試樣進(jìn)行測(cè)量.從表層開(kāi)始,每層間隔0.1 mm,取8層進(jìn)行測(cè)量,每個(gè)深度層上測(cè)量3個(gè)點(diǎn),最終取平均值做為深度方向的硬度值.圖3為不同激光沖擊能量下42CrMo鋼表面和深度方向上的硬度分布.

42CrMo合金鋼表面硬度測(cè)量所得到的結(jié)果如圖3a所示.由圖3a可知:隨著激光沖擊能量的增加,材料表面硬度逐漸增加,未沖擊試樣表面硬度為314 HV;受到4,6和8 J的能量沖擊后,材料表面硬度分別達(dá)到327,341和367 HV,沖擊試樣的表面硬度分別提高了3.9%,8.6%和16.9%;經(jīng)過(guò)多次沖擊,可以發(fā)現(xiàn)8 J激光沖擊比4,6 J激光沖擊對(duì)42CrMo材料硬度的提高更加明顯.因此,通過(guò)激光沖擊強(qiáng)化的方式對(duì)42CrMo鋼材料進(jìn)行處理,可以使其表面硬度得到明顯提高.

42CrMo合金鋼深度方向硬度測(cè)量所得到的結(jié)果如圖3b所示.由圖3b可知:激光沖擊引起的硬化效果隨深度的增加而逐漸減小,距離表層較近處的硬度較大,但遞減也較快;激光沖擊后,深度方向的硬度呈遞減的趨勢(shì),這主要與激光沖擊波的傳播與衰減有關(guān);4 J激光沖擊后,在距表面0.5 mm處硬度為315 HV,基本趨于穩(wěn)定,6,8 J能量沖擊后，在0.7 mm處硬度值基本達(dá)到穩(wěn)定.這說(shuō)明激光沖擊42CrMo合金鋼,可以在試樣深度為0.5～0.7 mm的方向提高試樣硬度,隨著激光沖擊能量的增加硬度增加明顯,效果更好.

圖3 合金鋼表面和深度上的硬度分布

2.4 表面粗糙度分析

圖4為激光沖擊前后表面粗糙度變化曲線.

圖4 激光沖擊前后表面粗糙度變化曲線

由圖4可以看出:隨著激光沖擊能量的增加,表面粗糙度也隨之變大,在8 J時(shí)粗糙度為4.02 μm,這是因?yàn)殡S著激光沖擊強(qiáng)化能量的增加,42CrMo鋼表面塑性變形增加,因此表面的凹坑更大,表面粗糙度更大.

3 結(jié) 論

1) 42CrMo鋼經(jīng)過(guò)激光沖擊強(qiáng)化后,在材料表面產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力層和微觀硬度,提高了材料的耐高溫腐蝕性能.激光沖擊能量的增大，可以大幅度提高試樣表面的殘余壓應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力層的影響深度,提高了材料表面和深度方向硬度,從而使材料抗高溫腐蝕的能力得以提高.

2) 高溫腐蝕試驗(yàn)中,未沖擊試樣的腐蝕坑較多,激光沖擊試樣腐蝕坑明顯變小、變淺,這是因?yàn)榧す鉀_擊后產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力層能夠有效地抑制表面氧化膜的脫落,減緩腐蝕脫落.

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