CRDM鉤爪不同工藝鈷基合金堆焊層組織表征及性能研究

郭寶超 ，薛 松 ，蔣 恩 ，米大為 ，陳 亮 ，楊亞濤 ，李鑄國

（1.上海交通大學，上海 200240；2.上海第一機床廠有限公司，上海 201308；3.核電安全監控技術與裝備國家重點實驗室，廣東 深圳 518172）

0 前言

鈷-鉻合金是以鈷元素為基體的合金，一般稱為鈷基合金[1]。相對于鐵基、鎳基合金堆焊，鈷基合金在約650℃具有較高的強度、硬度以及耐磨性[2]。鈷基合金常用于高溫狀態下工作的零件表面。我國目前投入運行或在建的核電站絕大多數為壓水堆核電站，特別是近年來CAP1400、華龍一號等的三代核電技術成為國家核電建設的重中之重[3]。其中控制棒驅動機構的鉤爪部件是壓水堆一回路的運動執行部件，其形狀復雜精密，銷軸孔與齒部鈷基合金堆焊層組織與性能要求極高，同時在核電壓力容器內的工作溫度約為400℃[4]，高溫水在一定壓力下在其中循環，帶來了劇烈的振動，組件間不斷摩擦，對組件間的連接部分的強度和耐磨性提出了非常高的要求，因此鈷基合金在高溫下高強度、高耐磨性的特點對保證核電站的安全運行起到了非常重要的作用[5-6]。隨著焊接技術的發展，特別是激光焊等先進焊接技術的應用[7]，為鉤爪鈷基堆焊提供給了更多的可能。本研究通過激光熔敷、氧乙炔焊兩種工藝試驗，獲得滿足設計要求的工藝參數，并對這兩種工藝獲得的鈷基合金堆焊熔敷層進行了組織表征與分析。

1 試驗材料

1.1 基板材料

試驗用00Cr18Ni10N是一種奧氏體不銹鋼，化學成分如表1所示。傳統奧氏體不銹鋼通常面臨晶間腐蝕問題[8]，它是在一定溫度區間內，奧氏體不銹鋼會沿晶界析出CrxC6碳化物，進而引起晶界周圍貧鉻所致[9]。00Cr18Ni10N作為超低碳奧氏體不銹鋼，抗晶間腐蝕性優于傳統奧氏體不銹鋼，且具有較好的力學性能和加工性能，如表2所示，故廣泛應用于各個領域。

表1 00Cr18Ni10N的化學成分 %

表2 00Cr18Ni10N的主要力學性能

1.2 粉末材料

試驗所用合金粉末是Kennametal公司生產的Stellite6合金粉末[10]，化學成分如表3所示，其特點是含碳量較高，一般為1%，因此熔覆層的硬度較高，具有良好的耐磨粒磨損性能[11]和抗高溫耐腐蝕性能。力學性能如表4所示。

表3 Stellite6的化學成分 %

表4 Stellite6的主要力學性能

粉末形貌如圖1所示。

圖1 Stellite6合金粉末形貌

1.3 試驗工藝

試驗使用激光焊、氧乙炔兩種工藝對CRDM鉤爪表面進行熔覆，進而比較不同工藝方法對涂層組織及性能的影響。

激光焊工藝即激光熔覆技術[12]，是指以不同的添料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料經激光輻射使之與表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體材料形成冶金結合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱，抗氧化及電氣特性等的工藝方法[13]。它易實現選區熔覆，且具有熱變形小、熔覆層成分及稀釋率可控等優點，其缺點為：設備昂貴，投資較高；熔覆前的準備工作量大，工藝條件復雜；對工件和工藝要求高，成本高，不宜在施工現場操作，生產環境要求高等[14]。

氧乙炔工藝屬于火焰噴涂，它具有工藝設備簡單、操作方便、投資少、見效快、易于推廣等優點，在火焰噴涂中可采用的燃氣有乙炔、丙烷等天然氣，其中，乙炔的溫度高，經濟性好，所以一般用乙炔作為燃氣。氧乙炔火焰粉末噴涂（焊）的原理為：噴涂粉末靠自重和氧氣的吸附作用不斷從料口進入輸送粉末的氧氣中，并被該氣體加速。當粉末被輸送到噴嘴出口處時，被氧-乙炔火焰加熱融化或接近融化的粉末以一定的動能高速噴向工件，形成涂層，涂層再經火焰重熔而得到十分致密的噴焊層。氧乙炔火焰噴涂與電弧法、等離子法、激光法等相比，由于其有效溫度范圍和粉粒飛行速度低，因此孔隙率增加，結合強度降低，涂層質量相對較差，不宜用于對涂層質量要求很高的涂件[15]。

1.4 材料表征方法

1.4.1 顯微組織與成分分析

試驗采用ZEISS公司生產的AxioCam MRc5光學顯微鏡對熔覆層進行微觀組織觀察，其放大倍數為25～1000倍。為了進一步觀察涂層的顯微組織，采用VEGA 3 XMU（LaB6）型掃描電子顯微鏡對其組織進行表征，并采用EDS能譜分析成分。

試驗需在金相顯微鏡下觀察，故需對樣品進行腐蝕，腐蝕液為2號卡林腐蝕劑（CuCl25 g，HCl 100 ml，無水乙醇 100 ml）。

1.4.2 顯微硬度測試

采用Zwick/Roell ZHμ維氏硬度計分析測試熔覆層的顯微硬度。測試前使用1500#砂紙打磨樣品，除去表面層（如氧化、污染）對測試可能造成的影響。

2 熔覆層微觀組織結構及成分分析

2.1 熔覆層的微觀組織結構特征

熔覆層表面品質的優劣可根據熔覆層表面形貌和稀釋率兩個方面來判斷，即從宏觀上觀察熔覆層表面是否平整光滑、有無裂紋和氣孔等缺陷，從微觀上計算熔覆層稀釋率的大小[16]。

不同工藝下得到的Stellite6熔覆層橫截面形貌如圖2所示。由圖2可知，在不同工藝下，熔覆層的表面成形良好，證明熔覆金屬的潤濕性較好，二者表面均光滑平整，熔覆層內部未發現明顯的氣孔、裂紋等缺陷。

圖2 不同工藝下得到的Stellite6熔覆層橫截面形貌

2.2 兩種工藝條件下熔覆層的組織形態及演變

熔覆層組織是熔池在非平衡快速凝固過程中形成的，而合金在凝固過程中會發生成分過冷現象，該現象與溫度梯度（G）和凝固速度（R）有關，其中，G×R決定了晶體的尺寸，而G/R則決定了晶體的生長形態。其中，從熔覆層底部和母材的結合處開始到熔覆層頂部為止，G/R持續減小而成分過冷逐步增大，故一開始在結合處，由于G/R具有最大值，成分過冷程度最小，會形成平面晶，而在平面晶上方，因生長速率增大，溫度梯度減小，成分過冷程度變大，固液界面失去穩定性，晶體呈胞狀生長。同理，在熔覆層中部，成分過冷程度更大，晶體生長進一步轉變為樹枝狀生長。而在熔覆層頂部，由于溫度梯度小，且受表面空氣對流影響，會形成等軸晶，晶粒相對而言細小無序。

不同工藝下熔覆層中枝晶生長狀態如圖3所示，基本可根據凝固原理分為4個部分——靠近母材的平面晶、平面晶上分布的細小胞狀晶區、熔覆層內面積最大的樹枝晶區以及分布在熔覆層頂端的等軸晶區。雖然可以清楚地看到熔覆層搭接的痕跡，熔覆層交接處出現平面晶和細小的胞狀晶，平面晶和胞狀晶上長出樹枝晶，但總體而言枝晶的生長狀態符合4個部分劃分。

圖3 熔覆層中枝晶生長狀態

由圖3可知，熔覆層與母材熔合良好，未觀察到裂紋、氣孔、固體夾雜、未熔合等問題，證明這兩種工藝所得的熔覆層的品質都較好。

兩種工藝下熔覆層的枝晶臂枝晶直徑測量如圖4所示，激光焊、氧乙炔的枝晶臂直徑測量平均值分別為15.28 μm和21.71 μm，激光焊的枝晶臂直徑明顯小于氧乙炔工藝。由此可見，激光焊的冷卻速度（R）大于氧乙炔工藝，根據細晶強化原理，可簡單判斷激光焊的熔覆層力學性能方面應好于氧乙炔熔覆層。

3 熔覆層力學性能表征

兩種工藝下得到的熔覆層的硬度分布如圖5所示，其中熔覆層硬度整體上為激光焊的高于氧乙炔的。由于它們的熔覆層均是多層搭接制成，因此硬度發生波動應與搭接有關。

由圖4可知，激光焊的枝晶臂直徑明顯小于氧乙炔焊工藝，因此具有一定的細晶強化作用，硬度更高。兩種熔覆層母材相同，均為00Cr18Ni10N，但由圖5可知，兩種母材的硬度有細微差異，經分析母材來源于鑄錠，而鑄錠的成分往往不夠均勻，所以存在硬度的差異。根據資料顯示，00Cr18Ni10N的硬度小于等于220 HV，圖中兩種熔覆層的母材部分的硬度是符合國標的。

兩種工藝下熔覆層線掃描成分如圖6所示。由圖6可知，激光焊和氧乙炔工藝所得熔覆層中的Fe含量明顯低于母材，并且在熔合線處顯示出陡降特征，證明二者熔覆層的稀釋率均很低。Cr含量表現出緩升現象，這與Cr在奧氏體不銹鋼母材00Cr18Ni10N與鈷基合金熔敷層中含量差異有關。00Cr18Ni10N中Co含量低，在熔合線附近急劇攀升，并在熔合線以外極窄區域內達到相對穩定值，同樣說明兩種工藝均具備極低的稀釋率。Si與C含量呈現出類似特種。這與圖3的組織分析相一致。因此可判斷兩種熔覆層表面品質比較好。

圖4 兩種工藝下熔覆層的枝晶臂直徑測量

圖5 兩種工藝下得到的熔覆層的硬度分布

圖6 兩種工藝下熔覆層線掃描成分

4 結論

（1）激光焊和氧乙炔的熔覆層結合處界面較為平直、稀釋率低，熔覆層中Fe含量明顯低于母材，兩種工藝的熔覆層表面品質都較好。

（2）兩種工藝的熔覆層的枝晶生長狀態有靠近母材的平面晶、平面晶上分布的細小的胞狀晶區、熔覆層內面積最大的樹枝晶區以及分布在熔覆層頂端的等軸晶區；激光焊和氧乙炔的枝晶臂直徑測量值分別為15.28 μm和21.71 μm，激光焊的枝晶臂直徑小于氧乙炔工藝的；激光焊的熔覆層力學性能等方面好于氧乙炔熔覆層。

（3）兩種工藝的熔覆層硬度整體上是激光焊的高于氧乙炔的；兩種熔覆層均是多層搭接制成，硬度的波動與稀釋率有關。