球閥在一些特殊的場合下需要長期經(jīng)受各類酸、堿、鹽、氯離子、硫化物等強腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，在啟閉過程中頻繁經(jīng)受摩擦、擠壓等作用，因此球閥需要具有較好的耐腐蝕性能和耐磨性能。目前大多采用超音速火焰噴涂、等離子弧堆焊、氧乙炔噴焊和硬化合金等方法，將高硬度合金粉末摻雜WC等堆焊在密封面，雖然超音速噴涂的結(jié)合強度較高，但也存在生產(chǎn)成本高、變形量較大等缺點；等離子弧堆焊、硬化合金的方法又存在熔覆層疏松、缺陷多、基體熱影響區(qū)大、生產(chǎn)周期長等缺點；氧乙炔噴焊雖然價格較低，但噴熔覆層與基體結(jié)合強度較低，不能承受交變載荷和沖擊載荷。
激光熔覆技術可在鋼材表面獲得高性能的耐蝕、耐磨熔覆層，且熔覆層均勻致密、缺陷少、成品率高。與各種傳統(tǒng)的堆焊、熱噴涂、噴焊等只是機械連接相比，激光熔覆層與基體為冶金結(jié)合，質(zhì)量和使用性能更優(yōu)異。Co基自熔性合金粉末具有良好的高溫性能和耐腐蝕、耐磨損性能，常被應用于石化、電力、冶金等工業(yè)領域的耐磨耐蝕耐高溫等場合。然而，激光熔覆的工藝參數(shù)對熔覆層的性能起到極為關鍵的作用，因此，本文研究了激光功率對316不銹鋼熔覆Co基合金粉末稀釋率、組織與耐腐蝕性能，僅供閥門激光熔覆企業(yè)參考。
1 實驗材料與方法
實驗所用基體材料為球閥常用材料之一的316不銹鋼，試樣尺寸80mm×20mm×10mm。熔覆材料是Co基合金粉末，粉末粒徑75～150μm，其實測成分見表1。
表1 Co基合金粉末成分（質(zhì)量分數(shù)，%）
實驗所用設備為HJ-4型串聯(lián)5kWCO2激光器、三軸聯(lián)動激光加工數(shù)控機床和同軸送粉系統(tǒng)組成，為防止熔覆過程中的氧化，用氬氣進行保護。實驗工藝參數(shù)為：光斑直徑2.5mm，掃描速度800mm/min，搭接率40%，送粉量5g/min，激光輸出功率分別為1.2、1.5、1.8、2.1和2.5kW。
激光熔覆后，沿熔覆層橫截面制取試樣，按金相制樣標準進行研磨和拋光，用王水（HNO3∶HCl=1∶3）腐蝕。使用JSM-6300的場發(fā)射掃描電鏡觀察組織及掃描電鏡自帶能譜進行元素分析；用SISCIASV8.0金相圖像分析軟件測量熔覆層高度以及基材的熔化深度，并計算其稀釋率；采用阿美特克IM6E電化學綜合測試儀檢測熔覆層耐腐蝕性能。
2 結(jié)果與討論
2.1 熔覆層的稀釋率及能譜分析
稀釋率是決定熔覆層質(zhì)量的重要參數(shù)。激光熔覆層稀釋率的變化不僅會改變?nèi)鄹矊硬牧蟽?nèi)部的化學成分，使其原有的性能（如高硬度、耐磨性能和抗氧化性能等）發(fā)生改變，而且將直接影響到熔覆層與基體間的結(jié)合強度。
本實驗將激光熔覆后的試樣沿垂直于熔覆方向切開，用掃描電鏡拍取照片，熔覆層的高度H、基材的熔化深度h的測試方法如圖1所示。
圖1 稀釋率測量方法
實驗中稀釋率η的計算公式由面積法簡化為：
η=（h/h+H）×100% （1）
不同功率測量結(jié)果及由公式（1）所計算的稀釋率如表2所示。
表2 不同功率熔覆層的尺寸及稀釋率
由表2可以看出，激光功率為1.2kW時，熔覆層的稀釋率*低，為16.11%，隨激光功率的增加，熔覆層的稀釋率與激光功率成正比，當激光功率為2.5kW時，稀釋率*大（40.2%），這是因為，隨激光功率的增加，在其它工藝參數(shù)一定的情況下，激光功率越大，基材熔化的越多，在熔池攪動的過程中混入熔覆層而引起合金成分變化的程度就越大，即稀釋率越大。過大的稀釋率將導致?lián)p害熔覆層固有的性能，加大了熔覆層開裂、變形的傾向，也會對耐腐蝕性能產(chǎn)生影響，但是，沒有一定量的稀釋率也會影響熔覆層與基體的冶金結(jié)合。
圖2是2.5kW功率熔覆后試樣的SEM組織及能譜分析?？梢钥闯?，試樣在王水的腐蝕下，基體316不銹鋼腐蝕嚴重，而熔覆層組織的晶界剛開始顯示，晶粒細小均勻，因此從圖2可以看出，熔覆層的耐腐蝕性能要明顯優(yōu)于基材316不銹鋼。此外，對熔覆層進行區(qū)域掃描，區(qū)域位置及掃描結(jié)果如圖2所示。分析結(jié)果顯示，熔覆層中存在C、Si、Cr、Fe、Co、Ni等元素，激光熔覆前，粉末中Co基合金粉末的Co含量約60%，而圖2中顯示的Co元素的質(zhì)量分數(shù)僅為5.94%，同時，F(xiàn)e元素的含量由之前的1.85%增加到61.26%，說明在激光熔覆過程中，熔化的粉末與不銹鋼基體材料發(fā)生了較多的對流和擴散。
圖2 熔覆層組織及能譜分析（激光功率2.5kW）
2.2 熔覆層耐腐蝕性能
利用電化學綜合測試儀對不同的激光功率在3.5wt%NaCl溶液中的腐蝕行為進行測試，對5組不同激光功率下的熔覆層的耐腐蝕性能進行比較，其實驗結(jié)果如表3、圖3所示。對圖3中陽極極化曲線進行塔菲爾（Tafel）擬合，其數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所列。
表3 不同激光功率熔覆層的耐腐蝕性能參數(shù)
圖3 不同激光功率的融覆層的電極化曲線
通過圖3和表3可以看出，激光功率為1.2～1.8kW時，材料的自腐蝕電位均在-1.0左右，相差不大，而電流密度隨激光功率的增加呈數(shù)量級降低，從1.2002×10-5A•cm-2降低至5組激光功率中的*低值3.4152×10-7A•cm-2，這表明在激光功率為1.8kW時，其耐腐蝕性能相對*佳；當激光功率為2.1kW時，雖然電流密度又升至6.8655×10-6A•cm-2，但其自腐蝕電位降了0.15mV左右，可以得出激光功率為2.1kW時也具備較好耐腐蝕性能；而當激光功率為2.5kW時，自腐蝕電位又開始降低，電流密度開始增加，即耐腐蝕性能又開始下降。因此，當激光功率為1.8～2.1kW時，熔覆層的耐腐蝕性能較好。
結(jié)合電化學腐蝕原理及晶粒細化對耐腐蝕性能的影響，隨激光功率變化，熔覆層耐腐蝕性能變化的原因可解釋為：隨激光功率的增大，激光束的能量越來越大，激光束的加熱溫度越來越高，而不同激光功率下的冷卻的介質(zhì)相同，所以導致隨激光功率越來越大過冷度越來越大，這樣熔覆層中的合金元素能夠很快地形成數(shù)量非常多的非自發(fā)晶核，從而使形核率大大提高，形成的顯微組織也越來越細小。顯微組織的細小使得單位晶界上的雜質(zhì)的含量值變得很低，并且在快速冷卻過程中的成分偏析減少，成分偏析的減少降低了由于形成原電池而導致的電化學腐蝕。另一方面，當晶粒細化時，使材料活性原子數(shù)目增加，促使材料表面鈍化膜的生成能力增加（初期的自腐蝕電流密度較大），使其表面更易形成鈍化膜，從而提高了材料的鈍化性能。然而，由前面的分析可知，當激光功率增加到一定程度后，稀釋率也隨之增加，導致熔覆層與基體的元素交流變大，使得熔覆層起到耐腐蝕作用的Co、Cr等元素相對降低，從而導致耐腐蝕性能下降。
3 結(jié)論
（1）隨激光功率的增大，熔覆層的稀釋率逐漸增大，由1.2kW時的16.11%增加至2.5kW時的40.2%，此時熔覆層與基體的合金元素有較大的對流與擴散，這也是熔覆層耐腐蝕性能變化的原因之一。
（2）隨激光功率的增大，熔覆層的耐腐性能先提高后降低，激光功率為1.8～2.1kW時具有較好的耐腐蝕性能，當激光功率為2.1kW時，熔覆層的自腐蝕電位*低，為-0.8456mV，當激光功率為1.8kW時，熔覆層的腐蝕電流密度為*小的3.4152×10-7A•cm-2。
（3）耐腐性能變化是因為有晶粒細化提高耐腐蝕性能及稀釋率增加降低耐腐蝕性能，隨激光功率增加，前期晶粒細化帶來的耐腐蝕性能增加要大于稀釋率增加所導致的耐腐蝕性能降低，而后期則剛好相反。
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