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        不同等離子熔覆鐵基合金涂層在閥門密封面上的應(yīng)用

        2021-08-25 06:38:16高萬東胡孔友王賽龍杜曉東
        電鍍與涂飾 2021年14期

        高萬東,胡孔友,王賽龍,杜曉東,

        (1.安徽省特種設(shè)備檢測院,安徽 合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學材料學院,安徽 合肥 230009)

        等離子熔覆是表面工程領(lǐng)域的核心技術(shù)之一,它能夠有效地對機械零部件進行表面強化、預保護及修復[1]。與等離子噴涂和激光熔覆技術(shù)相比,等離子熔覆技術(shù)具有粉末利用率高、無污染、設(shè)備成本低、操作簡單等優(yōu)點[2-4]。與傳統(tǒng)的氬弧堆焊技術(shù)相比,等離子熔覆所處理的工件缺陷少、熱變形量小、尺寸精度高[5-6]。常用的熔覆材料有Fe基合金、Ni基合金及Co基合金三大體系,它們各有優(yōu)點:Fe基合金價格低廉,Ni基合金耐蝕性強,Co基合金綜合性能好[6-7]。

        安全閥是一種特殊的啟閉件,在受到外力作用的情況下通常處于閉合狀態(tài),在機械設(shè)備或管道里的介質(zhì)壓力達到或者超過規(guī)定數(shù)值時,通過向系統(tǒng)外排放介質(zhì)來防止管道內(nèi)壓力超過規(guī)定。目前,工業(yè)裝備越來越大型化,對安全閥的要求也越來越高[8-9]。惡劣的工作環(huán)境縮短了安全閥的使用壽命,更換新的安全閥不僅會提高成本,而且浪費資源。采用等離子熔覆技術(shù)修復損傷的安全閥密封面則可有效節(jié)約成本和提高工作效率。

        本文利用等離子熔覆技術(shù)制備了3種合金涂層——Fe45、Fe313和Fe316,對比了它們的組織結(jié)構(gòu)與性能,希望為選擇適用于修復安全閥密封面的合金涂層提供依據(jù)。

        1 實驗

        1.1 材料

        基體為100 mm × 30 mm × 10 mm的正火態(tài)45鋼。熔覆材料選用Fe45、Fe313和Fe316合金粉末。Fe45的成分(以質(zhì)量分數(shù)表示,后同)為:C 0.60%,Cr 15.00%,Si 3.00%,B 2.00%,W 3.00%,Ni 20.00%,F(xiàn)e余量。Fe313的成分為:C 0.10%,Cr 15.00%,Si 1.00%,B 1.00%,F(xiàn)e余量。Fe316的成分為:C 0.03%,Cr 17.00%,Si 0.20%,Mo 2.50%,Ni 12.00%,Mn 0.50%,F(xiàn)e余量。

        1.2 熔覆層的制備

        1.2.1 預處理

        先用砂紙或砂輪機打磨45鋼板以去除銹跡和油污,再將其放入干燥箱中干燥1 h,備用。

        合金粉末也需放入干燥箱中干燥,以免由于其帶有水分而導致試驗失敗,干燥后立即放入武漢材料保護研究所制造的PTA-400D1-ST型等離子噴焊機的送粉器中。

        1.2.2 等離子熔覆

        通過高溫等離子弧熔化以同步送粉方式送入的合金粉末,從而在基材表面形成熔池。

        根據(jù)前期試驗結(jié)果,確定操作參數(shù)如下:轉(zhuǎn)移弧電流120 A,焊槍行走速率65 mm/min,焊槍橫向擺動寬度20 mm,保護氣體流量600 L/h,離子氣流量300 L/h,送粉氣流量300 L/h,同步送粉裝置電壓10 V,熔覆時間約10 s。等離子熔覆后的工件放在保溫爐中隨爐冷卻,熔覆層的厚度大約3 mm。

        1.3 表征與性能測試

        用電火花線切割機沿著垂直于熔覆層的方向切割出6 mm × 6 mm的塊狀試樣,用砂紙逐級打磨并拋光后,用較低濃度的FeCl3鹽酸水溶液(5 gFeCl3和50 mL鹽酸溶于100 mL水中)腐蝕Fe45和Fe313合金涂層,用較高濃度的FeCl3鹽酸水溶液(35 g FeCl3和50 mL鹽酸溶于100 mL水中)腐蝕Fe316合金涂層。使用光學顯微鏡和掃描電鏡(SEM)觀察熔覆層的組織,用X’Pert PRO MPD型X射線衍射儀(XRD)檢測物相。

        使用MH3型顯微硬度計測量熔覆層從熔合線至頂部的維氏硬度,載荷200 g,加載時間15 s,以間隔0.03 mm為一個梯度,每個梯度測量3次,取其平均值。

        通過上海辰華的CHI76e電化學工作站測量Tafel曲線并用其自帶的軟件擬合出腐蝕電位(φcorr)和腐蝕電流密度(jcorr)。電解液為3.5% NaCl溶液,以飽和甘汞電極(SCE)與10 mm × 10 mm鉑片分別作為參比電極和輔助電極,利用線切割將熔覆層切割成10 mm × 10 mm的試樣,將銅導線焊接至試樣上并用環(huán)氧樹脂封裝,對封裝后的試樣進行打磨拋光處理得到工作電極。首先檢測熔覆試樣的開路電位,測量區(qū)間選取開路電位左右波動0.3 ~ 0.4 V。

        將3種熔覆層用線切割成10 mm × 10 mm × 2 mm的試樣,用砂紙將其表面打磨光滑,再用拋光機拋成鏡面,然后浸入5% NaCl溶液中,168 h后取出。腐蝕前后均用超聲波清洗儀將試樣表面清洗干凈,隨即用精度為0.000 1 g的電子天平測量其質(zhì)量。在掃描電鏡下觀察3種熔覆層腐蝕前后的形貌,分析腐蝕機理。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 熔覆層的顯微組織

        由圖1可見,在熔覆層和基體處有白亮的寬帶,表明熔覆層與基體形成了良好的冶金結(jié)合,內(nèi)部也未出現(xiàn)明顯的氣孔、夾雜等缺陷。Fe45熔覆層呈現(xiàn)均勻的等軸晶組織,還存在一些明亮的塊狀硬質(zhì)相,這是粉末在高溫離子火焰下熔化后,其中的Cr與C元素反應(yīng)所形成的。Fe313和Fe316熔覆層與基體接觸的區(qū)域形成了細晶粒區(qū),中部則出現(xiàn)了柱狀晶組織。這是由于在凝固過程中,晶核首先在溫度低的基體上生長,從而在基體附近沉積細小的晶粒,構(gòu)成接觸區(qū)的細晶粒區(qū)。隨著細晶粒連成一片,形成了牢固的凝固層,液體對流強度變小,于是形成柱狀晶區(qū)。Fe316的柱狀晶組織的排列方向雜亂無章,而Fe313的柱狀晶組織沿著垂直于覆層與基體交界面的方向生長。這是因為Fe316與Fe313合金粉末的成分不同,F(xiàn)e316中C和B元素的含量少于Fe313,且加入了大量Ni元素。當Fe316粉末熔化后覆在基體表面時,成分過冷度變大,導致柱狀晶的方向不垂直于覆層和基體的交界面。

        圖1 3種熔覆層的金相結(jié)構(gòu) Figure 1 Metallographic structures of three types of cladding layers

        2.2 熔覆層的物相分析

        從圖2可見熔覆層中上部組織(即圖1中遠離基材的部分)的高倍形貌。Fe45熔覆層主要存在灰色長條狀和塊狀組織。EDS分析(見表1)表明,A點存在大量的Cr和Fe元素,而B點主要為Fe元素,Cr含量較低,不含Ni。結(jié)合XRD結(jié)果(見圖3)可知A點物相為Cr7C3,B點為溶入Cr的固溶體(Fe,Cr)。

        圖3 不同熔覆層的XRD譜圖 Figure 3 XRD patterns of different cladding layers

        表1 3種熔覆層中不同位置各元素的質(zhì)量分數(shù) Table 1 Mass fraction of each element at different positions of three types of cladding layers (單位:%)

        Fe313熔覆層的組織為亞共晶組織,包含初生樹枝晶相和枝晶間共晶組織。圖2c中網(wǎng)格狀組織的高倍形貌圖(即圖2d)顯示它們是共晶組織,其中層片狀化合物相(C點)為Cr7C3,初晶樹枝相是(Fe,Cr),D點則是Cr23C6。

        圖2 3種熔覆層的表面形貌 Figure 2 Morphologies of three types of cladding layers

        Fe316熔覆層呈現(xiàn)凹凸不平的胞狀結(jié)構(gòu),在胞狀結(jié)構(gòu)的邊界處還有大顆粒析出,主要是(CrFe)7C3。這是因為冷卻過程中在敏化溫度區(qū)間停留時間過長,導致Cr原子向晶界遷移,所以晶界處的Cr元素較多,并與碳元素形成了(CrFe)7C3。

        2.3 熔覆層的顯微硬度

        從圖4可知,從熔覆層的底部到頂部,顯微硬度呈現(xiàn)一種“升高→平緩→降低”的趨勢。這是由于熔覆層底部受到碳素鋼基體的稀釋作用,其中合金元素含量偏低,硬度隨之降低。而在熔覆層的中上部,化合物相較多,同時因為含有較多強化元素,出現(xiàn)了Cr7C3等硬質(zhì)相,固溶強化作用明顯,所以中上部的顯微硬度顯著高于其他區(qū)域,最高約是基體硬度的3倍。Fe45、Fe313和Fe316熔覆層的平均顯微硬度分別為629.76、550.51和408.91 HV,而從圖4上也能明顯看出3種熔覆層中Fe45的顯微硬度最大,最高可達715.40 HV。這是由于Fe45含有的C元素最多,與Cr和Fe生成的硬質(zhì)相最多。

        圖4 不同熔覆層的顯微硬度分布 Figure 4 Microhardness distribution of different cladding layers

        2.4 熔覆層的電化學性能

        從圖5和表2可知,F(xiàn)e316熔覆層的腐蝕電位和腐蝕電流密度最低,F(xiàn)e45熔覆層的腐蝕電位和腐蝕電流密度最高,這表明Fe316熔覆層的耐蝕性最佳,F(xiàn)e45熔覆層的耐蝕性最差。此外,F(xiàn)e316熔覆層的Tafel曲線出現(xiàn)了明顯的鈍化現(xiàn)象,F(xiàn)e45和Fe313熔覆層則沒有此現(xiàn)象,這也從側(cè)面說明了Fe316熔覆層的耐蝕性優(yōu)于其余熔覆層。這是因為:

        表2 Tafel曲線的擬合結(jié)果 Table 2 Fitting results of Tafel curves

        圖5 3種熔覆層在3.5% NaCl溶液中的Tafel曲線 Figure 5 Tafel curves for three types of cladding layers in 3.5% NaCl solution

        (1) Fe316熔覆層雖也形成了碳化物,但主要為奧氏體組織,且耐蝕元素Cr更多。

        (2) Fe316熔覆層中含有大量的Ni元素,Ni可促進鈍化膜的穩(wěn)定性及熱力學穩(wěn)定性。同時,Cr和Ni共存可顯著強化熔覆層的耐蝕性。

        (3) Fe45和Fe313熔覆層中存在較多共晶碳化物,它們消耗了大量Cr元素,不利于熔覆層表面形成穩(wěn)定的鈍化膜。

        2.5 熔覆層的全浸腐蝕試驗

        從表3可知,經(jīng)過全浸試驗,F(xiàn)e45熔覆層損失的質(zhì)量最多,F(xiàn)e316熔覆層損失的質(zhì)量最少。這說明Fe316熔覆層的耐蝕性最好,印證了電化學試驗的結(jié)果。

        表3 3種熔覆層腐蝕前后的質(zhì)量 Table 3 Mass of three types of cladding layers before and after corrosion

        從圖6可見,腐蝕后的Fe45熔覆層表面出現(xiàn)較深的腐蝕坑,而Fe316熔覆層的腐蝕痕跡最淺,表面只有輕微的腐蝕。該結(jié)果與電化學試驗相符。因為腐蝕介質(zhì)的氯元素易破壞熔覆層,引發(fā)局部腐蝕,令點蝕萌生。一旦有了點蝕,它們就有可能擴展。熔覆層的鈍化膜具有一定程度的自我修補機能,在溶液中處于不斷溶解和修復(再鈍化)的平衡狀態(tài)。溶液中有氯離子的話,這種平衡會被打破。Fe45熔覆層表面沒有鈍化膜,直接在氯原子的作用下發(fā)生腐蝕,并且是全面腐蝕,這就是Fe45熔覆層的損失質(zhì)量最多,腐蝕最嚴重的原因。而Fe316中Cr和Ni元素含量較高,Cr與O生成了耐蝕性較好的Cr2O3鈍化膜,又因C元素含量少,生成的Cr23C6少,對晶間腐蝕、點蝕的敏感性不高,故Fe316熔覆層的耐蝕性最好。

        圖6 3種熔覆層腐蝕后不同放大倍數(shù)的SEM照片 Figure 6 SEM images of three types of cladding layers after corrosion under different magnifications

        3 結(jié)論

        通過等離子熔覆,利用Fe45、Fe313和Fe316三種合金粉末在45鋼表面制備了熔覆層。它們的組織 分別為(Fe,Cr)固溶體相 + (Fe,Ni)固溶體相 + Cr7C3,(Fe,Cr)固溶體初晶 + 以Cr7C3共晶型碳化物相為硬質(zhì)相的共晶體,以及奧氏體 + (CrFe)7C3。其中Fe45熔覆層的耐蝕性最差,F(xiàn)e316熔覆層的耐蝕性最佳,后者最適合用來修復安全閥。

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