CN115369401A - 用于激光熔覆的耐蚀层材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光熔覆的耐蚀层材料及其制备方法和应用，耐蚀层材料包括以下质量百分比的成分：Cr 12.00％～15.00％、Ni 3.00％～5.50％、Mo 0.5％～1.00％、Si 0.5％～1.00％、Mn 0.60％～1.00％、C≤0.05％、S≤0.025％、P≤0.035％；余量为Fe。本发明的用于激光熔覆的耐蚀层材料，通过各成分的调整并以适当比例进行优化配比，能够通过激光熔覆冶金结合在基体上，基本力学性能优异，在具有高强度的同时又足够的塑韧性储备，同时耐气蚀能力良好，适用于对核电泵的叶轮、转轴等部件的修复。

Description

用于激光熔覆的耐蚀层材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及核电泵设备修复技术领域，尤其涉及一种用于激光熔覆的耐蚀层材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于核电厂苛刻的服役运行条件，通常会出现泵叶轮、转轴等关键部件的失效问题，有腐蚀坑、裂纹、铸造缺陷，严重的有个别位置直接断裂的现象，极大影响了核电机组的安全稳定生产，必须对其进行修复或更换处理。但是，更换新的部件采购成本高、周期长，往往无法满足需求。为此，对部件损伤部位进行局部修复再制造成为了唯一选择，目前已经尝试了多种再制造技术如喷涂、堆焊、电刷镀和化学镀等，但效果均不理想。面对电厂运维期间关键部件失效修复需求，急需开发出一种安全可靠的、能满足不同失效种类的叶轮或轴类部件提升材料性能的再制造修复技术。

激光熔覆再制造技术以能量集中，焊接热影响区小，焊接变形小，可自动化控制，质量稳定等优势在表面维修和改性方面发展迅速，可作为核电关键部件修复的首选方案。然而，为满足核电关键构件修复及表面改性要求，原材料的选择是重中之重，所选原材料和工艺必须能实现修复部位与基体金属呈良好的冶金结合，有足够高结合强度，修复部位应至少不低于甚至优于基体材料的常规力学性能以及在特殊服役工况条件下的耐磨耐蚀耐疲劳强度。激光表面改性(尤其是激光熔覆)的过程是在高温远平衡凝固条件下进行的，相析出、相变与常规条件下的演化过程差异甚大。所以开发和研制研制不易产生缺陷的高性能合金材料配方是该技术在核领域应用的首要条件，也为激光表面改性技术的拓展应用提供关键的基础支撑。

由于激光熔覆工艺配套的原材料粉体研究制备进展滞后，目前所使用的激光熔覆再制造合金粉末大多数直接采用热喷涂、粉末冶金等工艺所使用的铁基合金粉末，这些粉末含有大量的合金元素以及较高的Si、B、C等元素，由于所用合金粉末性能要求存在较大的差距，导致合金粉末进行激光再制造修复时熔覆层容易产生裂纹，熔覆层硬度要求高时这种现象特别明显。

为此，发明一种成本适中、应用效果显著、含有特定合金元素、适用于核电泵马氏体叶轮及转轴等激光再制造修复耐蚀合金是极其必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种适用于核电泵叶轮和转轴的用于激光熔覆的耐蚀层材料及其制备方法、应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于激光熔覆的耐蚀层材料，包括以下质量百分比的成分：Cr 12.00％～15.00％、Ni 3.00％～5.50％、Mo 0.5％～1.00％、Si 0.5％～1.00％、Mn 0.60％～1.00％、S≤0.025％、P≤0.035％、C≤0.05％；余量为Fe。

优选地，所述耐蚀层材料为粉体。

本发明还提供一种以上所述的耐蚀层材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供各成分对应的原料；

S2、将所述原料在0.6-10Pa的真空度下进行熔炼，离心浇铸制得铸锭；

S3、将所述铸锭进行退火，消除内应力；

S4、将所述铸锭加工形成合金结构件；

S5、将所述合金结构件加工形成粉体。

优选地，所述熔炼温度为1500℃～1550℃。

优选地，步骤S4中，所述合金结构件为棒材。

优选地，步骤S5中，采用等离子旋转电极制粉法将所述合金结构件加工形成粉体。

优选地，步骤S5中，采用等离子旋转电极制粉法加工时，雾化室内部为惰性气体气氛，压力为120KPa～140KPa；电极棒的工作转速为18000r/min～22000r/min；等离子弧最大电流2000A，电压60V；形成的粉体的粒径为10μm～280μm。

优选地，所述惰性气体为氩气。

本发明提供一种以上所述的耐蚀层材料的应用，将所述耐蚀层材料作为激光熔覆粉末，以激光熔覆方式对核电泵叶轮进行修复。

本发明提供一种以上所述的耐蚀层材料的应用，将所述耐蚀层材料作为激光熔覆粉末，以激光熔覆方式对核电泵转轴进行修复。

本发明的有益效果：通过各成分的调整并以适当比例进行优化配比，形成用于激光熔覆的耐蚀层材料，能够通过激光熔覆冶金结合在基体上，基本力学性能优异，在具有高强度的同时又足够的塑韧性储备，同时耐气蚀能力良好，适用于对核电泵的叶轮、转轴等部件的修复，能够实现典型马氏体不锈钢泵的壳体、叶轮及转轴等部件出现局部裂纹、超标铸造缺陷或局部断裂情况的紧急再制造维修，可显著提升叶轮等修复部位的综合性能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1、图2分别是本发明的耐蚀层材料在不同倍率下的粉体形貌图；

图3是本发明的实施例中激光熔覆后的金属宏观金相图；

图4是本发明的实施例中激光熔覆形成的焊缝金属和母材金属的失重率曲线对比图。

具体实施方式

本发明的用于激光熔覆的耐蚀层材料，包括以下质量百分比的成分：Cr12.00％～15.00％、Ni 3.00％～5.50％、Mo 0.5％～1.00％、Si 0.5％～1.00％、Mn 0.60％～1.00％、C≤0.05％、S≤0.025％、P≤0.035％；余量为Fe。

为便于作为激光熔覆的原料，该耐蚀层材料优选制成粉体。

由于不同合金元素对马氏体不锈钢性能有不同的影响，需要充分考虑不同合金元素对耐蚀层性能和制备工艺的综合影响，强化有益作用、弱化不利作用，综合设定原料成分区间。

其中，Cr(铬)是铁素体形成元素，足够量的铬可使钢变成单一的铁素体不锈钢。马氏体铬不锈钢中铬与碳的交互作用使钢在高温时具有稳定的γ相区或α+γ相区。为了使钢具有良好的耐蚀性，铬含量至少为12％，并且由于铬的增加会使铁素体量增加，进而会降低了钢的硬度和抗拉强度，因此铬含量也不宜过高，本发明将铬含量控制在12.00％～15.00％。

Ni(镍)具有平衡铁素体和降低Ms点的作用，Ni元素的存在大大扩大了奥氏体区，避免铁素体的出现，能够保证室温下组织为马氏体。

Mo(钼)是碳化物形成元素也是铁素体形成元素.促进铁素体相形成能力相当于铬。在马氏体铅不锈钢中，钼除改善钢的耐蚀性外，主要是提高钢的强度和硬度以及增强二次硬化效应，而过高的钼量会促进δ铁素体的形成而引起一些不利影响，因此本发明中钼的含量控制在0.5％～1.00％。

Mn(锰)是扩大γ相区的元素，它与Ni对奥氏体的作用相似，能够稳定奥氏体组织，使高温下形成的奥氏体组织在冷却过程中部分保持到室温。Mn元素还能脱氧脱硫，降低S有害作用。

Si(硅)是强烈的相稳定元素，同时又可以抑制回火脆性和回火过程中残余奥氏体的分解。在马氏体组分中加入一定量的Si，可改善材料的抗氧化性以及在盐酸介质中的耐蚀性。

C是强奥氏体形成元素，形成奥氏体的能力为镍的30倍。在给定的铬量下，碳含量提高，强度、硬度提高，塑性降低，耐蚀性下降。碳极易与铬形成碳化物，降低钢的耐蚀性，因此C的含量控制在≤0.05％。

S和P是不锈钢中的典型有害元素，对不锈钢综合性能不利，需要综合性能要求、生产工艺难度、成本等综合确定，尽可能低，因此本发明中分别将其含量控制为：S≤0.025％、P≤0.035％。

综合以上对各成分的分析，Cr含量只需要保证良好的耐蚀性，过高容易生成晶间铁素体；Ni含量较高，一方面避免形成铁素体，另一方面降低马氏体点；Mo元素含量不宜过低，这样才能保证足够的碳化物形成元素；Mn含量必须适中，必须保证凝固过程中弥散形成足够数量的孕育核，又需要避免过量导致的性能恶化；适量的Si能提高淬透性，并增加熔池流动性，提高工艺性能。

本发明的用于激光熔覆的耐蚀层材料适用于核电泵叶轮、转轴、壳体等的修复，作为修复的激光熔覆原料，能够冶金结合在上述部件的基体上，能够实现典型马氏体不锈钢泵的壳体、叶轮及转轴等部件出现局部裂纹、超标铸造缺陷或局部断裂情况的紧急再制造维修，可显著提升叶轮等修复部位的综合性能。

本发明的耐蚀层材料的制备方法，可包括以下步骤：

S1、提供各成分对应的原料。

提供分别含有上述Cr、Ni、Mo、Mn、Si、铁等成分的原料，根据耐蚀层材料中各成分所占的质量百分比称取原料；根据不同的成分，原料可以是单质，也可以是合金等等。

S2、将原料在0.6-10Pa的真空度下进行熔炼，离心浇铸制得铸锭。

其中，熔炼温度为1500℃～1550℃。

S3、将铸锭进行退火，消除内应力。

S4、将铸锭加工形成合金结构件。

合金结构件可以是棒材、块体等结构。

S5、将合金结构件加工形成粉体。

优选地，采用等离子旋转电极制粉法将合金结构件加工形成粉体。

采用等离子旋转电极制粉法加工时，雾化室内部为惰性气体气氛，优选99.99％的氩气，压力为120KPa～140KPa；电极棒的工作转速为18000r/min～22000r/min；等离子弧最大电流2000A，电压60V。

粉体的粒径为10μm～280μm。

制成的粉体的粒径可通过调节等离子旋转电极制粉法的等离子弧电流的大小和自耗电极转速来调控，提高特定粒径粉末的收得率，有益于制备高球形度、高致密度、低孔隙率、低氧含量、表面光洁的球形粉末，且基本不存在空心粉、卫星粉，有效减少增材制造技术(激光熔覆)生产过程中的球化、团聚及引入杂质元素而带来的气孔、开裂现象。

本发明的耐蚀层材料的应用，在一实施例中，将耐蚀层材料作为激光熔覆粉末，以激光熔覆方式对核电泵叶轮进行修复。

本发明的耐蚀层材料的应用，在另一实施例中，将耐蚀层材料作为激光熔覆粉末，以激光熔覆方式对核电泵转轴进行修复。

激光熔覆是采用激光作为热源，将粉体状的耐蚀层材料熔融于基体材料之上，并形成冶金结合。相对于热喷涂等工艺，激光熔覆覆层与基体结合强度高、厚度可达数毫米。通过激光熔覆冶金结合在核电泵叶轮或核电泵转轴的耐蚀层材料，基本力学性能优异，在具有高强度的同时又足够的塑韧性储备，同时耐气蚀能力良好，可实现典型马氏体不锈钢泵的壳体、叶轮及转轴等部件出现局部裂纹、超标铸造缺陷或局部断裂情况的紧急再制造维修，可显著提升叶轮等修复部位的综合性能；大幅度提升叶轮等部件的使用寿命，具有良好的社会和经济效益。

以下通过具体实施例对本发明作进一步说明。

考虑熔炼元素烧损规律的前提下，本发明中各按上述各成分的质量百分比准备好原材料，在0.6～10Pa真空度条件下加热至1500～1550℃，使材料完全熔化，熔炼净化。采用离心浇铸的方式制成Φ80×400mm的铸锭，后经过退火处理消除内应力。切除缩孔后经数控车床、磨床加工，最终得到Φ70×300mm的母合金棒材，棒材圆周跳动量小于5个丝(0.05mm)。棒材作为自耗电极棒，其化学成分见表1。

表1.自耗电极棒的化学成分含量(％)及对应的要求值

采用专用的等离子旋转电极制粉设备制粉。主要工艺技术参数为：雾化室直径3.2m，雾化室压力120KPa-140KPa，设备功率150KW；电极棒尺寸Φ70×300mm，在稳定工作转速18000r/min-22000r/min范围内调节电极转速，惰性气体选择99.99％的Ar气，消耗量约0.008m³/1kg粉末；等离子弧最大电流2000A，电压60V；制粉粒度范围10-280μm，生产率40kg/h。

上述制成的粉体化学成分可见表2，粉末形貌见图1、图2所示。

表2.电极棒、粉体的化学成分含量(％)及对应的要求值

在激光功率1600W-1800W条件下，扫描速度在8-12mm/s范围、送粉率12g/min工艺参数范围内，保护气流量为15-20L/min且光斑尺寸为5mm×5mm的条件下，以35％-50％的搭接率控制，对叶轮平板凹槽试件进行激光3D再制造修复(即激光熔覆)，母材壁厚50mm、宽度250mm，凹槽尺寸为宽度30mm、深度6mm。

图3示出了上述激光熔覆后的金属宏观金相图，结果表明，宏观金相未发现异常熔合不良和超标缺陷缺陷，显微组织为马氏体组织，未出现冷裂纹和淬硬组织。进行渗透检测和射线检测等无损检测，未发现超过0.5mm的超标缺陷。

采用本发明的耐蚀层材料，按照表3的激光熔覆参数对三个模拟件进行激光熔覆并且进行金属力学性能测试。具体数据见表3。

表3.激光熔覆参数及金属力学性能测试数据

从表3结果表明，激光熔覆后的模拟件在最高抗拉强度1198MPa的同时，延伸率可达到16％，冲击韧性达到了58J，在保证高强度的同时也有足够的塑韧性裕量，综合力学性能相比模拟件原部件基体材料性能有了极大提升

对模拟件上激光熔覆形成的焊缝金属及母材分别进行空蚀试验，验证激光熔覆焊缝金属抵抗空蚀的能力，结果如图4中曲线所示。

其中，焊缝金属的失重量高于母材金属的失重量，焊缝金属和母材的失重率在6h之前都是增大趋势，6h之后焊缝金属的失重率趋于稳定，母材的失重率继续增大；在9h时母材失重率接近于焊缝金属的失重率，焊缝金属在空蚀阶段先于母材金属达到稳定期；经过空蚀之后焊缝金属的表面粗糙度特征优于母材表面，进一步表明本发明的耐蚀层材料可以显著提升修复层综合服役性能。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于激光熔覆的耐蚀层材料，其特征在于，包括以下质量百分比的成分：Cr12.00％～15.00％、Ni 3.00％～5.50％、Mo 0.5％～1.00％、Si 0.5％～1.00％、Mn0.60％～1.00％、C≤0.05％、S≤0.025％、P≤0.035％、；余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的耐蚀层材料，其特征在于，所述耐蚀层材料为粉体。

3.一种权利要求1或2所述的耐蚀层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、提供各成分对应的原料；

S2、将所述原料在0.6-10Pa的真空度下进行熔炼，离心浇铸制得铸锭；

S3、将所述铸锭进行退火，消除内应力；

S4、将所述铸锭加工形成合金结构件；

S5、将所述合金结构件加工形成粉体。

4.根据权利要求3所述的耐蚀层材料的制备方法，其特征在于，所述熔炼温度为1500℃～1550℃。

5.根据权利要求3所述的耐蚀层材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述合金结构件为棒材。

6.根据权利要求3所述的耐蚀层材料的制备方法，其特征在于，步骤S5中，采用等离子旋转电极制粉法将所述合金结构件加工形成粉体。

7.根据权利要求6所述的耐蚀层材料的制备方法，其特征在于，步骤S5中，采用等离子旋转电极制粉法加工时，雾化室内部为惰性气体气氛，压力为120KPa～140KPa；电极棒的工作转速为18000r/min～22000r/min；等离子弧最大电流2000A，电压60V；形成的粉体的粒径为10μm～280μm。

8.根据权利要求7所述的耐蚀层材料的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。

9.一种权利要求1或2所述的耐蚀层材料的应用，其特征在于，将所述耐蚀层材料作为激光熔覆粉末，以激光熔覆方式对核电泵叶轮进行修复。

10.一种权利要求1或2所述的耐蚀层材料的应用，其特征在于，将所述耐蚀层材料作为激光熔覆粉末，以激光熔覆方式对核电泵转轴进行修复。

Images