馬文濤 郭輝 黃勇

Research on Laser Cladding Repair Technology for Reaction Kettle

MA Wen-tao GUO Hui? HUANG Yong

摘要：由于反應(yīng)釜在高溫高濕以及酸性介質(zhì)環(huán)境下工作，容易失效。因此，應(yīng)用激光熔覆技術(shù)在反應(yīng)釜基體材料上制備鎳基碳化鎢合金層。通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)及模糊綜合評(píng)判，研究激光功率P、掃描速度Vb和送粉速率Vf，以及WC含量（wt%）4種工藝因素對(duì)合金層的影響。最佳工藝參數(shù)和WC粉末的添加配比為激光功率P為1.4kW，掃描速度Vb為400mm/min，送粉速率Vf為40%，WC含量為20wt%。

Abstract： Because Reaction kettle works in high temperature， high humidity and acid medium environment， it is easy to fail， and it is difficult to repair it. Nickel - base tungsten carbide alloy layer was prepared by laser cladding technology on the substrate of reaction kettle. Through designing orthogonal experiment and fuzzy comprehensive evaluation， the effects of laser power P， scanning speed Vb， powder feeding rate Vf and WC content （wt%） on the alloy layer were studied. The optimal process parameters and the adding ratio of WC powder are the laser power P of 1.4kW， the scanning speed Vb was 400mm/min， the powder feeding rate Vf was 40% and the WC content was 20wt%.

關(guān)鍵詞：反應(yīng)釜;鎳基碳化鎢合金層;性能;工藝參數(shù)

Key words： reaction kettle;nickel base tungsten carbide alloy layer;performance;process parameters

中圖分類號(hào)：TN249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）32-0273-04

0? 引言

反應(yīng)釜廣泛應(yīng)用于化工、石油、生物制藥等工業(yè)生產(chǎn)過程。其工作在高溫、高壓、腐蝕環(huán)境下，作為再制造修復(fù)工程中應(yīng)用最廣也是最重要的一個(gè)分支，激光熔覆技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，通過激光熔覆技術(shù)對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行熔覆修復(fù)，可以有效抑制高溫氧化、腐蝕反應(yīng)和疲勞斷裂，必然會(huì)減少或挽回其引起的損失，促進(jìn)反應(yīng)釜在各領(lǐng)域的使用發(fā)展[1-6]。

國(guó)外學(xué)者Weerasinghe等人[7]、A. N. Grezev等人[8]國(guó)內(nèi)學(xué)者葛江波、張安峰、李滌塵等人[9]都對(duì)激光熔覆工藝參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究，然而對(duì)于高溫高壓下對(duì)失效零部件的激光熔覆修復(fù)方面所見報(bào)道仍然很少。

本文將通過在Ni基粉末中添加不同含量的WC顆粒作為增強(qiáng)相[10]，同時(shí)改變工藝參數(shù)得到多組熔覆層試樣。將得到的熔覆層試樣分別進(jìn)行宏觀表面光整度和對(duì)微觀組織相的形貌進(jìn)行觀察。將對(duì)熔覆層組織進(jìn)行測(cè)試顯微硬度、抗氧化性能、耐腐蝕性能進(jìn)行測(cè)試，采用模糊綜合評(píng)判方法得出的數(shù)據(jù)，得到對(duì)反應(yīng)釜激光熔覆過程中最佳工藝參數(shù)和WC粉末的添加配比。

1? 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)基體材料

試驗(yàn)選用Q235鋼作為基，規(guī)格大小為110mm×60mm×6mm。

1.2 試驗(yàn)熔覆材料

熔覆材料選擇Ni60自熔性合金粉末，WC顆粒選擇平均粒徑約為200nm超細(xì)碳化鎢粉末，對(duì)兩者進(jìn)行持續(xù)2小時(shí)的150℃高溫干燥處理，其主要目就是烘干其水分。

1.3 試驗(yàn)方法

在熔覆試驗(yàn)前，用80#金相砂紙將Q235鋼基材表面均勻打磨，并用丙酮清洗干凈，自然晾干，待用。

為了減少空氣中的氧氣與熔覆層氧化，在熔覆過程中向熔池附近通氬氣，使氬氣充滿熔池周圍，掃描道間的搭接率為30%，噴嘴與工作臺(tái)距離為22mm。

試驗(yàn)針對(duì)影響熔覆過程中影響熔覆層成形的工藝參數(shù)（激光功率P、掃描速度Vb和送粉速率Vf），以及WC含量（wt%）制定了四因素三水平，通過正交試驗(yàn)法，挑出影響激光熔覆過程主要影響因素，試驗(yàn)次數(shù)為9的L9（34）正交表，正交圖表如表1所示。

為了得到最好的熔覆層，選擇最優(yōu)參數(shù)。首先，在Q235基材上重復(fù)做九組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)不同，最終選擇出表面光整，無肉眼可觀察出的缺陷的熔覆試塊，這些試塊的工藝參數(shù)為第二水平值各參數(shù)之間有較小的浮動(dòng)，故通過計(jì)算制定出第一和第三水平值，得到熔覆過程中各工藝參數(shù)如表2所示。

2? 熔覆層質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 宏觀方面

激光熔覆結(jié)束后，不同激光熔覆工藝參數(shù)下的試塊的表面質(zhì)量宏觀外貌對(duì)比如圖1所示。

通過觀察，在以上九個(gè)試樣中，1號(hào)試樣和7號(hào)試樣熔覆層外觀表面不平整，所以后續(xù)試驗(yàn)中并不對(duì)1號(hào)和7號(hào)試樣進(jìn)行分析測(cè)試。其余試塊無宏觀缺陷，表面光整。得出結(jié)論：基材與熔覆層發(fā)生良好的冶金反應(yīng)，形成致密熔覆涂層。

2.2 微觀方面

將各試塊放在高溫高壓環(huán)境下處理，用砂紙打磨光滑平整，制成符合標(biāo)準(zhǔn)試樣后，放入掃描電鏡下觀察界面特征的如圖2所示。

在掃描電鏡（SEM）下觀察到在不同激光熔覆工藝參數(shù)下各試塊的微觀形貌，在試塊2000倍的微觀組織中觀察到微觀缺陷，5號(hào)試塊熔覆層和基體間結(jié)合部位有明顯裂紋，元素也發(fā)生較少偏析，但對(duì)熔覆層與基材結(jié)合并無影響，所以在后續(xù)試驗(yàn)中不對(duì)5號(hào)試樣進(jìn)行分析測(cè)試。其他試塊均無裂紋和氣孔現(xiàn)象，結(jié)合良好。

2.3 顯微硬度測(cè)試

將經(jīng)過激光熔覆過程中的試樣放入空氣重冷卻，待冷卻完成后，試樣通過線切割、打磨、拋光等工序后，查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制成符合標(biāo)準(zhǔn)的顯微硬度試塊。將符合標(biāo)準(zhǔn)的試塊放入干燥箱，將干燥溫度設(shè)定至100℃，保持該溫度1h。將上述試塊置于高溫高壓環(huán)境中，30min后將其拿出，用金相砂紙將試塊表面打磨平整，之后用顯微硬度計(jì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試塊顯微硬度值，檢驗(yàn)載荷為500g，載荷作用在試塊上的時(shí)間為10s。為了得到更加準(zhǔn)確的硬度值，隨機(jī)取各試塊同一位置三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的硬度值，進(jìn)行算術(shù)平均計(jì)算后得到結(jié)果如表3。

經(jīng)過測(cè)試基體的硬度值為200HV，各試塊通過硬度計(jì)測(cè)量后，得出各試塊的硬度測(cè)量值都大于基材。WC含量越大，熔覆層中的WC或W2C以及初生碳化物Cr23C6等硬質(zhì)相的含量也越高，熔覆層硬度的測(cè)量值也越大，但其波動(dòng)也越大，因硬度值的測(cè)量取決于壓痕位置。

2.4 抗氧化性能測(cè)試

將上述得到的試樣通過線切割成大小和形狀相同的小塊，將上述試塊放入超聲波清洗機(jī)中，洗凈，然后放入干燥箱中，將干燥箱溫度調(diào)至至100℃，保持該溫度1h，使切制好的各試塊表面水分蒸發(fā)，該過程完成后，用天平對(duì)各試塊質(zhì)量進(jìn)行稱重。稱量完畢后將各試塊分別放入高溫馬弗爐中，將溫度調(diào)至600℃，并且持續(xù)保溫兩小時(shí)，然后在重復(fù)上述干燥方法，對(duì)試塊進(jìn)行干燥，最終對(duì)各試塊質(zhì)量進(jìn)行稱重。

通過用稱重的方法來評(píng)定各試塊的抗氧化性能優(yōu)劣，其原理是利用各試塊試驗(yàn)前后單位面積氧化物增重質(zhì)量變化。計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：m0為氧化前試塊質(zhì)量（mg）;

m1為氧化后試塊的質(zhì)量（mg）;

A為試塊熔覆層表面積（mm2）;

Δm為試塊單位面積氧化增重量，mg/mm2。

通過數(shù)據(jù)對(duì)比可得2、3、4、6、8、9號(hào)試塊熔覆材料每平方毫米的增重量，計(jì)算結(jié)果見表4。

通過表可以看到，對(duì)Q235材料進(jìn)行激光熔覆之后，熔覆層的高溫抗氧化能力相比基體明顯提升了，最多的提升了3.14倍;最少的也提升了1.82倍，說明熔覆層的高溫抗氧化能力比基體要好得多。這是因?yàn)镹i元素具有良好的抗氧化性，其表面形成的NiO薄膜，可以阻止進(jìn)一步的氧化，同時(shí)，熔覆層中的Cr也具有極高的抗氧化性。

2.5 耐腐蝕性測(cè)試

耐腐蝕性測(cè)試試驗(yàn)面為熔覆層上表面與基材上表面，用環(huán)氧樹脂將其他組試塊包裹。放入12%HCl溶液中腐蝕，實(shí)驗(yàn)過程中防止HCl溶液飛濺，避免傷人。經(jīng)過兩天的浸泡之后，將各試塊從Hcl溶液中取出待處理，用蒸餾水將各試塊清洗干凈，然后放入干燥箱中，將干燥箱溫度調(diào)至至100℃，保持該溫度1h，然后稱其質(zhì)量。

式中：mpre為腐蝕前試塊質(zhì)量（mg）;

mpost為腐蝕后試塊質(zhì)量（mg）;

S為試塊腐蝕面的面積（mm2）;

t為腐蝕時(shí)間，為2天。

由式（2）可計(jì)算金屬材料的腐蝕速率，由此可得到基材及在不同工藝參數(shù)下得到的試塊熔覆層的腐蝕速率如表5所示。

由表5數(shù)據(jù)可知，修復(fù)完成試塊的熔覆層腐蝕性較基材提升較大。其原因包含兩點(diǎn)，一是熔覆層組織中強(qiáng)化相對(duì)耐腐蝕影響大于易于腐蝕相的影響，二是因?yàn)榻M織中含有Ni元素，其抗腐蝕能力很強(qiáng)，同時(shí)，熔覆層中含有Cr、B和Si元素，其影響組織相變過程，有細(xì)化晶粒的作用，提高了熔覆層抗腐蝕性。因此，熔覆層的耐腐蝕性顯著優(yōu)于基材。

3? 評(píng)價(jià)

采用模糊綜合評(píng)判對(duì)Q235基體材料表面熔覆WC顆粒含量不同的Ni基合金粉末得到的熔覆層的顯微硬度、抗氧化特性、和耐腐蝕性3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行詳盡分析，然后得出結(jié)論。

3.1 硬度的隸屬評(píng)判

硬度指標(biāo)模糊化是采用模糊分布方法確定隸屬關(guān)系。其硬度值HV大小主要從小到大排列，通過比較大小，分為4區(qū)間，表中主要指標(biāo)有：性能模糊評(píng)判、隸屬函數(shù)、硬度值（HV）的范圍，隸屬評(píng)判函數(shù)見表6。

根據(jù)上述隸屬函數(shù)對(duì)各試樣熔覆層的硬度值進(jìn)行模糊評(píng)判Ci，i=（2，3，…，9），其中i表示試樣號(hào)。

得到的2、3、4、6、8、9號(hào)試件的數(shù)值分別為：-1.6219，-1.2446，0.0538，0.2988，-0.1246，1.0600。

3.2 抗氧化性能的隸屬評(píng)判

抗氧化性能的隸屬評(píng)判方法同硬度性能指標(biāo)相似，故可將其列入同一表中做對(duì)比，隸屬評(píng)判函數(shù)見表7。

根據(jù)上述隸屬函數(shù)對(duì)各試樣熔覆層的抗氧化性能進(jìn)行模糊評(píng)判Ei，i=（2，3，…，9），其中i表示試樣號(hào)。

分別賦予{3，2，1，-1，-2}的權(quán)重，則到的2、3、4、6、8、9號(hào)試件的得分分別為：-0.2422，-1.0842，3.0000，-1.8316，-0.8264，2.2579。

3.3 耐腐蝕性能的隸屬評(píng)判

同根據(jù)上述硬度性能指標(biāo)，耐腐蝕性能的隸屬評(píng)判方法跟硬度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)相同，隸屬評(píng)判函數(shù)見表8。

根據(jù)上述隸屬函數(shù)對(duì)各試樣熔覆層的耐腐蝕性能進(jìn)行模糊評(píng)判Gi，i=（2，3，…，9），其中i表示試樣號(hào)。

賦予{3，2，1，-1，-2}的權(quán)重，其特征為{好，較好，一般，較差，差}，分別則到的2、3、4、6、8、9號(hào)試件的得分分別為：1.5625，-1.3125，3.0000，1.3125，0.5000，1.7500。

3.4 綜合評(píng)價(jià)

通過比較各試塊三項(xiàng)性能的得分可得到以下結(jié)論：該實(shí)驗(yàn)最優(yōu)熔覆工藝參數(shù)為：激光功率P為1.4kW，掃描速度Vb為400mm/min，送粉速率Vf為40%，WC含量為20wt%。

4? 結(jié)論

為了讓反應(yīng)釜在經(jīng)過激光熔覆之后獲得綜合力學(xué)性能好、耐腐蝕、耐磨的熔覆層，對(duì)反應(yīng)釜同種材料的Q235鋼進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn)，試驗(yàn)針對(duì)影響熔覆過程中影響熔覆層成形的工藝參數(shù)（激光功率P、掃描速度Vb和送粉速率Vf），以及WC含量（wt%）制定了四因素三水平，通過正交試驗(yàn)法，挑出影響激光熔覆過程主要影響因素，并在上述工藝參數(shù)環(huán)境中，得到不同激光熔覆工藝參數(shù)的熔覆層，通過對(duì)熔覆層試塊和基體試塊耐腐蝕、抗氧化、硬度性能的測(cè)試，得到以下結(jié)論：

①利用激光熔覆技術(shù)，得到試樣，其硬度性能、抗氧化性能和耐腐蝕性能比基材均有顯著的提升;

②采用綜合評(píng)判對(duì)激光熔覆層的性能進(jìn)行綜合評(píng)定，通過比較各試塊硬度值與耐腐蝕值和抗氧化值，確定最佳工藝參數(shù)。經(jīng)過試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，最終確定反應(yīng)釜增材修復(fù)的最佳工藝參數(shù)和WC粉末的添加配比為激光功率P為1.4kW，掃描速度Vb為400mm/min，送粉速率Vf為40%，WC含量為20wt%。

參考文獻(xiàn)：

[1]渠川瑾.反應(yīng)釜[M].北京：高等教育出版社，1992.

[2]劉桐生，董金善，喻紅梅，等.反應(yīng)釜腐蝕失效分析[J].壓力容器，1996（5）：63-66.

[3]馮樂軍，余永增，劉洪濤，等.催化劑反應(yīng)釜密封系統(tǒng)失效分析與改造[J].石油化工設(shè)備.2011，40（2）：92-95.

[4]夏晨，李樸.反應(yīng)釜設(shè)計(jì)及其溫度控制系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2004，31（1）：66-69.

[5]李珞，王欣雨，張志軍.幾種反應(yīng)釜的腐蝕及防治[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，21（2）：85-88.

[6]張志根.運(yùn)行反應(yīng)釜的安全隱患和預(yù)防措施[J].廣州化工，2006，34（5）：72-74.

[7]J.Hernandez， A. Vannes. Laser surface cladding and residual stress[C]. Proc. 3rd Inter. Conf. on laser in Manufacturing 3-5 June 1986 Paris France：181.

[8] Grezev A.N.， Safonov A.N. Cracking and microstructure of laser deposited chromium-boron-nickle alloy[J]. Welding， International 198，7 1：50.

[9]葛江波，張安峰，李滌塵，等.激光金屬直接成形DZ125L高溫合金零件工藝的研究[J].中國(guó)激光，2011，38（7）：119-125.

[10]劉富榮，高謙，高登攀，等.激光熔覆WC增強(qiáng)復(fù)合涂層開裂行為分析[J].材料工程，2003（5）：37-39.

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)高?？蒲杏?jì)劃項(xiàng)目（XJEDU2018Y050）。

作者簡(jiǎn)介：馬文濤（1984-），男，回族，新疆烏魯木齊人，本科，教師，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橐簤?、裝備制造。