金屬材料的腐蝕失效通常起源于材料表面受到腐蝕介質(zhì)侵蝕產(chǎn)生破壞，因此材料表面的改性和強化涂層的制備發(fā)揮重要作用。近年來，激光沉積技術發(fā)展迅猛，可以在廉價金屬基體表面制備高性能的涂層，具有很高的經(jīng)濟效益，廣泛應用于機械設備和重要零部件的表面強化和損傷修復等。但是傳統(tǒng)激光沉積稀釋較大，沉積效率低，且表面粗糙度較高，需要后續(xù)車削、磨削加工才可以投入使用，限制了其在大型工程構(gòu)件的應用的推廣。德國弗勞恩霍夫激光技術研究所提出一種全新的激光表面增材制造技術——超高速激光沉積（EHLMD），有效地解決了沉積效率和表面平整性的問題。通過同步送粉添料方式，利用高能密度的束流使添加材料與高速率運動的基體材料表面同時熔化，并快速凝固后形成稀釋率極低，與基體呈冶金結(jié)合的沉積層，極大提高沉積速率，顯著改善基體表面的耐磨耐蝕性能。因此，制備具有優(yōu)良耐腐蝕性能的超高速激光沉積涂層具有重要意義。本研究中，江蘇大學的徐祥博士(第一作者)和魯金忠教授(通訊作者)等人系統(tǒng)性地從沉積層致密性、顯微組織特征和抗腐蝕性能影響機理對比分析了超高速激光沉積（EHLMD）和傳統(tǒng)激光沉積（CLMD）制備的沉積層的耐腐蝕性能。通過Micro-CT、OM、EBSD和TEM分析，分別對兩種工藝制備的不銹鋼沉積層進行了表征，通過三電極電化學工作站對沉積層在室溫下0.598mol/L NaCl溶液中的耐腐蝕性能進行測試。結(jié)果表明超高速激光沉積層細化的組織特征和更高的致密性形成穩(wěn)定可靠的鈍化膜，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。相關論文以題為“Comparing corrosion behavior of additively manufactured Cr-rich stainless steel coating between conventional and extreme high-speed laser metal deposition”發(fā)表在腐蝕頂刊Corrosion Science。https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109976
圖1 (a-c) CLMD和(d-f) EHLMD涂層典型冶金缺陷：氣孔、熔融缺陷和涂層中的裂紋。研究結(jié)果表明，EHLMD和CLMD都產(chǎn)生了與大部分激光增材制造技術類似的缺陷，主要包括三種類型：裂紋、氣孔和熔融缺陷。保護氣或者是粉末在熔化過程中產(chǎn)生的氣體在熔池中滯留，導致氣孔的形成，但是EHLMD的氣孔的尺寸和數(shù)量相對更少。此外，部分粉末顆粒沒有達到熔點而留在熔池中，這是形成熔融缺陷的主要因素。由于EHLMD過程中采用較高的搭接率，單道熔池之間可以互相滲透，確保充分的冶金結(jié)合，促使EHLMD涂層中這些缺陷的面積和尺寸明顯小于CLMD涂層。兩種方法制備的沉積層都產(chǎn)生從涂層底部到頂部的長裂紋。超高速激光沉積層的致密性達到99.46%，高于傳統(tǒng)激光沉積層的99.02%。
圖2 (a-d,i, k) CLMD和(e-h,j, l) EHLMD涂層近表面組織特征比較
圖3 EHLMD涂層位錯滑移和層錯堆垛結(jié)構(gòu)。CLMD涂層的晶粒尺寸為4~ 48 μm，平均值為14.65μm，遠遠大于EHLMD涂層的晶粒尺寸(小于3μm，平均值為1.15μm)。CLMD和EHLMD涂層的微觀結(jié)構(gòu)均以大角度晶界為主。但是，EHLMD涂層中小角度晶界的體積分數(shù)高于CLMD涂層。此外，在EHLMD極快的凝固過程中，元素偏析導致合金亞晶界元素的錯位富集，從而產(chǎn)生部分高濃度位錯。在EHLMD涂層中還發(fā)現(xiàn)了位錯滑移和層錯堆垛結(jié)構(gòu)。
圖4 CLMD和EHLMD涂層在0.598mol/L NaCl溶液中的電位動態(tài)極化圖。
圖5 (a) CLMD和(b) EHLMD涂層電化學實驗后的表面腐蝕形貌
圖6 (a) CLMD和(b) EHLMD涂層電化學實驗后的截面腐蝕形貌在耐腐蝕性能的測試中，EHLMD涂層的動電位計劃曲線的重合度更高，表面涂層的均勻性較好，耐腐蝕性能穩(wěn)定。在腐蝕溶液中涂層表面鈍化膜以Cr2O3和FeO為主。通過EHLMD涂層的腐蝕電流密度平均值為1.597 μA/cm2,明顯低于CLMD涂層。EHLMD涂層的平均極化電阻為709.79 kΩ. cm2，明顯高于CLMD涂層（356.69 kΩ.cm2），與CLMD涂層相比較，EHLMD涂層表面形成的鈍化膜具有更優(yōu)異的耐蝕性。兩種涂層都是晶間腐蝕的失效形式，但是CLMD的腐蝕坑的寬度和深度均大于EHLMD涂層。腐蝕坑的截面形貌來看，缺陷是腐蝕萌生的重要因素，缺陷處均出現(xiàn)裂紋和孔洞。
圖7(a) CLMD和(b) EHLMD涂層表面鈍化膜形成與破壞示意圖在這項工作中，研究了超高速激光沉積層和傳統(tǒng)激光沉積層技術制備的不銹鋼涂層的組織特征和耐腐蝕性能。超高速激光沉積涂層由于其較高的致密性、細化的晶粒和位錯滑移與層錯堆垛結(jié)構(gòu)的存在，在腐蝕溶液中形成了更加致密和穩(wěn)定的鈍化膜，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
