激光重熔改性對電弧噴涂Al涂層性能的影響

，，

(常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

1 前 言

歐標(biāo)S355鋼是一種新型低合金結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度達(dá)到355MPa[1]，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外海洋平臺樁腿。電弧噴涂Al被證實(shí)是一種有效的樁腿防腐蝕工藝[2]，相關(guān)資料表明200μm厚度的Al涂層在富Cl-環(huán)境中具有長效的耐蝕性能[3]，但是在海水飛濺區(qū)，由于海洋平臺樁腿長期受到海水沖刷、晝夜冷熱交替影響[4]，Al涂層與基體之間的機(jī)械結(jié)合性能會出現(xiàn)下降，一旦涂層出現(xiàn)開裂，海水將會迅速對基體產(chǎn)生腐蝕，影響樁腿力學(xué)性能。激光重熔工藝是一種環(huán)保、高效的涂層處理方式，可以通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)控制激光能量的影響，從而改變涂層與基體結(jié)合方式。目前，國內(nèi)外對激光重熔的研究大多集中在激光速冷特性對材料物相的改變以及對材料摩擦磨損性能的影響[5-7]，對優(yōu)化激光參數(shù)從而達(dá)到提高涂層與基體結(jié)合性能的研究鮮見報(bào)導(dǎo)。因此，將激光重熔工藝應(yīng)用于海洋平臺電弧噴涂Al涂層，從而提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。作者通過Comsol軟件模擬不同功率下激光對試樣溫度場分布的影響，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，觀察激光重熔處理后試樣涂層的物相組成以及結(jié)合方式，為其工程應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 實(shí) 驗(yàn)

試驗(yàn)基體為S355鋼，其組成成分為C 0.17，Si 0.55，Mn 0.94，P 0.035，Cr 0.065，S 0.035，Ni 0.065，Mo 0.30，Zr 0.15，其余為Fe；采用電弧噴涂工藝在基體表面噴涂平均厚度260μm的Al涂層；將涂層試樣切割成40×20×5mm的尺寸。設(shè)置激光光斑移動速度為8mm/s，光斑直徑為5mm，以Ar氣為保護(hù)氣，分別以激光功率600、800及1000W對試樣進(jìn)行激光重熔處理，得到重熔試樣。分別采用JSUPRA55型場發(fā)射掃描電鏡(XRD)與D/max2500 PC型X射線衍射儀觀察分析試樣結(jié)合界面形貌、分析試樣物相，并用電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)探究其耐腐蝕性能。

3 Comsol溫度場模擬結(jié)果

3.1 數(shù)值模擬模型的建立

3.1.1模型建立及網(wǎng)格劃分 在激光重熔過程中，Al涂層和基體的材料熱學(xué)性能和受熱程度有所不同，故本文采用分層建模的方法。設(shè)置基體尺寸為40×20×5mm，電弧噴涂后測得表面涂層平均厚度為260μm，設(shè)置涂層體尺寸為40×20×0.26mm。激光具有速冷特性，激光熱影響區(qū)溫度變化梯度非常大，所以在涂層及基體上半部分選用密集網(wǎng)格，遠(yuǎn)離熔池區(qū)的部分采用較為稀疏的網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 Comsol模型Fig.1 Comsol model

3.1.2激光熱源模型的建立 激光重熔過程在模擬過程中一般認(rèn)為是激光能量以高斯脈沖的方式施加到材料表面，其功率密度服從高斯分布，高斯脈沖函數(shù)是一種鐘型曲線，形狀類似于高斯正態(tài)分布，光源中心能量密度高，外緣能量密度較小。激光熱源熱流密度的表達(dá)式如下：

(1)

式中：P為激光功率；xc為光斑中心在x軸上的位置；yc為光斑在y軸上的位置；R為光斑半徑。

本試驗(yàn)采用激光器光斑直徑為5mm，故取R值為2.5mm，通過改變參數(shù)中P的大小實(shí)現(xiàn)激光功率的變化，在Comsol中通過定義解析的方式實(shí)現(xiàn)光源的移動。

3.1.3材料物理參數(shù) 在溫度變化模擬中，材料的密度、比熱容、恒壓熱容量等參數(shù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果均有一定的影響。在Comsol中通過以下公式模擬傳熱過程：

(2)

q=-kT

(3)

式中：ρ為固體密度；Cp為恒定壓力下材料的熱容量；k為材料熱導(dǎo)率；u為熱源的輻射照度移動速度；Q為熱源的輻射照度。在本實(shí)驗(yàn)中基體與涂層均選自于Comsol內(nèi)置材料，各項(xiàng)物理參數(shù)為Comsol內(nèi)置默認(rèn)值。

3.1.4邊界條件 試樣的初始溫度以及環(huán)境溫度設(shè)置為室溫：

T(x,y,z,0)=T0

(4)

式中：T0為20℃。

由于激光熱源僅對材料表面較薄區(qū)域存在較大熱影響，可認(rèn)定實(shí)際處理過程中基體為無限大，即對試樣四周及底面設(shè)置為熱絕緣：

-n·q=0

(5)

加熱材料與空氣的對流換熱系數(shù)：

q0=h·(T-T0)

(6)

式中：h為對流換熱系數(shù)；T為材料表面溫度；T0為初始溫度。文中設(shè)定初始溫度為室溫20℃，Al涂層與空氣的自然對流換熱系數(shù)為10W/(m·℃)。

3.2 激光功率對涂層溫度的影響

設(shè)定光斑移動速度為工程中常見的8mm/s，分別以600、800及1000W三種功率對試樣進(jìn)行掃描，由圖2可知激光功率能夠顯著影響材料的最高溫度，在不同功率下，受熱處的溫度梯度基本相似，當(dāng)激光功率為600W時(shí)，涂層吸收能力較小，不足以達(dá)到金屬熔化所需的溫度，無法達(dá)到改善涂層結(jié)合性能的目的；激光功率為1000W時(shí)可以有效提高材料熱處理的速度，但是其能量較高難以對激光能量影響深度進(jìn)行控制。

3.3 800W激光功率模擬結(jié)果

綜合對比激光器的功率對材料表面溫度的影響，采用激光功率800W，掃描速度8mm/s，光斑直徑5mm對試樣涂層進(jìn)行重熔，并精確分析其溫度場的分布。

圖2 試樣在600W(a)、800W(b)和1000W(c)功率下溫度場分布Fig.2 Material temperature field and distribution under the power of (a)600W; (b)800W; (c)1000W

圖5 在(a)600W、(b)800W及(c)1000W激光功率下試樣結(jié)合層形貌Fig.5 Specimen interface morphology under the power of (a) 600W, (b) 800W and (c) 1000W

圖3 橫向熱循環(huán)曲線Fig.3 Thermal circulation curves of transverse points

分別對距離光斑掃描起點(diǎn)8、16、24、32mm處進(jìn)行域點(diǎn)探針分析，各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況如圖3所示。各點(diǎn)溫度呈陡峰式變化，且最高溫度基本相同，各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線形狀基本保持一致，隨熱源到達(dá)時(shí)刻不同而發(fā)生整體遷移，說明在激光重熔過程中，材料的溫度場為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)場。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，最高溫度出現(xiàn)位置并不是光斑中心所在位置，而稍有滯后，這與高斯熱源的能量特性有關(guān)[8]。

圖4 縱向熱循環(huán)曲線Fig.4 Thermal circulation curves of longitudinal points

分別對試樣縱向厚度為0、0.26、0.28、0.30及0.40mm的區(qū)域進(jìn)行了域點(diǎn)探針分析，各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況如圖4所示。Al涂層表面溫度最高為1649.65℃，未達(dá)到Al的沸點(diǎn)2486.85℃，可以有效防止Al涂層的揮發(fā)。在0.26、0.28及0.30mm厚度處，最高溫度分別為1523.85、1496.35和1469℃，超過S355鋼的熔點(diǎn)1450℃，可以使該深度處材料進(jìn)入熔融狀態(tài)，形成熔池，在熔池中Al涂層與基體短時(shí)間內(nèi)發(fā)生化合反應(yīng)形成冶金結(jié)合層。在0.40mm厚度處，最高溫度為1346.35℃，低于鋼鐵熔點(diǎn)，可以有效防止基體重熔區(qū)域太大而對基體力學(xué)性能造成負(fù)面影響。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 不同功率激光重熔試樣界面形貌

不同功率下試樣界面形貌如圖5所示。在600W激光功率下，激光能量未能到達(dá)涂層與基體的結(jié)合面處，由于激光具有速冷的特性，在較短的時(shí)間內(nèi)Al元素與Fe元素?zé)o法相互滲透形成穩(wěn)定的固溶相，涂層與基體仍然為電弧噴涂后的機(jī)械結(jié)合，沒有產(chǎn)生預(yù)期的冶金結(jié)合層，所以在較低的激光功率下涂層與基體的結(jié)合性能無法得到有效改善。在800W激光功率下，界面處形成了基體-冶金結(jié)合層-涂層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，冶金結(jié)合層厚度均勻，基體中有少量Fe元素向涂層濺射的趨勢，這是由于在激光重熔過程中，保護(hù)氣沖擊熔池內(nèi)的液態(tài)Fe，使Fe在冷卻固化的過程中留在涂層內(nèi)部。在1000W激光功率下，涂層與基體的結(jié)合面處出現(xiàn)模糊化現(xiàn)象，這是由于功率的提升可以顯著影響材料表面的溫度，表面少量Al涂層達(dá)到沸點(diǎn)被損耗，而鋼材基體較厚區(qū)域也形成了活躍的高溫熔池，大量鐵元素和涂層發(fā)生熔合，在速冷過程中形成固溶相，導(dǎo)致涂層與基體過度燒結(jié)，使整個(gè)涂層變?yōu)镕e-Al混合相，大量的Fe元素到達(dá)涂層表面會極大降低涂層的耐腐蝕性能，使涂層失效。

4.2 800W功率下界面結(jié)構(gòu)分析

對如圖6(a)所示A、B、C三個(gè)位置的Fe與Al元素進(jìn)行EDS分析，圖6(b)為基體中EDS分析:質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mass，%)為Al 4.11，F(xiàn)e 95.89，原子分?jǐn)?shù)(at，%)為Al 10.20，F(xiàn)e 89.80，在激光重熔后基體中檢測出極少量Al，這是由于冶金結(jié)合層中Al元素發(fā)生了擴(kuò)散；圖6(c)為冶金結(jié)合層中的EDS分析：質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mass，%)為Al 51.34，F(xiàn)e 48.66；原子分?jǐn)?shù)(at，%)為Al 68.59，F(xiàn)e 31.41，這說明在激光重熔后界面出現(xiàn)了明顯的冶金結(jié)合，結(jié)合層Fe元素與Al元素含量較為平均。圖6(d)為涂層外側(cè)EDS分析：其質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mass，%)為Al 96.14，F(xiàn)e 3.86，原子分?jǐn)?shù)(at，%)：Al 98.10，F(xiàn)e 1.90，其中少量Fe來自于基體向結(jié)合層的擴(kuò)散。該EDS分析進(jìn)一步證明了激光重熔后，試樣界面形成了基體-FeAl冶金結(jié)合層-Al涂層的復(fù)合防腐蝕體系。

圖6 基體與鋁涂層結(jié)合界面(a)及A點(diǎn)(b)、B點(diǎn)(c)和C點(diǎn)(d)的EDS分析Fig.6 (a)EDS analysis of coating interface Scanned position, EDS analysis of (b) point A, EDS analysis of (c) point B, EDS analysis of (d) point C

4.3 電化學(xué)性能分析

圖7分別為S355基體、電弧噴涂試樣、激光重熔試樣在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線，原始試樣的腐蝕電位E=-1.426V，電弧噴涂試樣的腐蝕電位E=-1.130V，激光重熔試樣的腐蝕電位E=-1.000V。激光重熔、電弧噴涂、S355基體電流密度icorr依次向右移動，說明對試樣進(jìn)行涂層處理后可以有效減緩?fù)繉痈g速度。綜合考量自腐蝕電位與腐蝕速度后可知，涂層在NaCl溶液中形成了鈍化膜，有效增強(qiáng)了材料的耐腐蝕性能。

圖7 極化曲線Fig.7 Polarization curve

在800W激光功率下，重熔電弧噴涂Al涂層表面結(jié)構(gòu)保持完整，基體內(nèi)少量Fe元素在重熔過程中受保護(hù)氣體沖擊，濺射進(jìn)入涂層內(nèi)部，但未達(dá)到涂層表面，有效地避免了涂層缺失。Al涂層與基體交界面處形成厚度0.50mm的冶金結(jié)合層，形成了基體-FeAl冶金層-Al涂層的復(fù)合防腐蝕體系，涂層結(jié)合強(qiáng)度與耐腐蝕性能得到提高。