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316L不锈钢表面激光熔覆Co基涂层及其耐液态Pb-Bi腐蚀行为研究

张彦超  
【摘要】:铅铋共晶合金(LBE)有着低熔点、高沸点、高热导率等优点,常被作为铅冷快堆和加速器次临界驱动系统的冷却剂。在冷却系统中,流动状态的LBE不仅对结构材料产生氧化腐蚀和溶解腐蚀,还会因冲刷效应对材料产生一定的摩擦磨损,极大地缩短了冷却系统中服役材料的使用寿命。激光熔覆技术能够在基体材料表面制备出具有良好性能的涂层,提高综合性能。本文采用激光熔覆工艺对钢铁材料进行强化,以提升核反应堆材料的使用寿命,以核结构常用钢316L为基体材料,在其表面制备激光熔覆涂层,并对该涂层在液态LBE中耐蚀耐磨性能进行研究,为提高核部件的使用寿命提供试验数据和理论指导。本文先采用激光熔覆技术,通过正交试验优化工艺参数,以多道搭接方式在316L不锈钢表面制备一层Stellite6涂层,为提高耐磨性,采用不同含量的WC为涂层增强相。利用课题组自主设计的高温铅铋熔融炉进行400℃腐蚀试验,研究在不同相对流速下的液态LBE对Stellite6熔覆层腐蚀行为的影响,并且探究了不同WC含量的熔覆涂层在高速流液态LBE中腐蚀行为的影响规律。通过激光功率1800 W、激光扫描速度500 mm/min、送粉量11.8 g/min、光斑直径4 mm、搭接率50%的熔覆工艺参数制备的Co基涂层,发现Stellite6涂层底部组织为平面晶和胞晶,中部组织为胞状晶和树枝晶,顶部组织为等轴晶,在多道搭接处的晶粒沿着不同方向长大。涂层的物相组成主要为γ-Co、CoCx、(Cr,Fe)_7C_3及M_(23)C_6等。钴基涂层的γ-Co固溶体基体上分布着多元共晶组织,共晶组织内包含大量的化合物诸如CoCx、(Cr,Fe)_7C_3及M_(23)C_6等。Stellite6涂层硬度值约为基材的2.3倍,随着WC含量的增加,涂层表面的硬度值也越高。在400℃下,不同相对流速(0 m/s,2.18 m/s,2.56 m/s,3.23 m/s)的液态LBE腐蚀1500 h之后,Stellite6涂层均发生氧化腐蚀和溶解腐蚀,产生一定量的氧化物Fe_3O_4,并且有一定量的O元素向涂层内部扩散。随着相对流速的增加,Co基涂层试样表面粗糙度数值也逐渐增加,当流速大小为3.23 m/s时,其粗糙度数值最大为Sa=49.84μm;随着相对流速的增加,Stellite6熔覆层表面渗氧层的深度逐渐增加,在流速大小为3.23 m/s时渗氧层深度最深为5.2μm。在Stellite6粉末中添加不同的WC含量(0,5%,10%,15%)制备出的Co基涂层对液态LBE腐蚀抵抗能力不同,随着WC含量的增加,其表面粗糙度和渗氧层深度逐渐增加,当WC含量为10%时其表面质量最佳;随着WC含量的继续增加为15%时,表面质量反而降低,粗糙度和渗氧层深度增加。随着腐蚀时间的增加,试样表面与LBE发生的元素溶解和扩散加剧,导致涂层表面的渗氧层深度逐渐增加。而316L不锈钢经长时间腐蚀后表面存在较多的腐蚀坑,发生了严重的氧化腐蚀、溶解腐蚀和磨蚀现象。


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