Inconel625及其去Mo和Alloy686粉末激光熔凝性能研究

　　在我国垃圾焚烧发电已逐渐取代传统的垃圾填埋，成为我国主要的垃圾处理方式之一，但垃圾焚烧时产生的烟气与火力发电不同，含有大量的氯化物和硫化物，对锅炉管的腐蚀远大于火力发电，常造成锅炉泄露等事故。为提高锅炉管的使用寿命，常在管壁外表面堆焊一层耐腐蚀的镍基合金Inconel625。但常用的TIG/MIG堆焊技术因对基体的热输入量过大，导致堆焊层中Fe稀释率高达5%~15%，而Fe在熔凝层中的富集会大幅度降低Inconel625合金的高温耐腐蚀性，且堆焊法的残余热应力很大，大面积熔凝时会造成工件应力场分布极不均匀而导致翘曲变形，甚至开裂。激光熔凝技术通过在基体表面以冶金结合的形式熔化凝固功能层，具有稀释率低、晶粒细小、组织均匀致密、基体热影响区小、厚度可控等优点。通过采用激光熔凝技术在20G表面制备Inconel625熔凝层，保证熔凝层与基材冶金结合的前提下，严格控制熔凝层的厚度与稀释率，对在高温腐蚀环境下的工件使用寿命有极大地提高。另外，激光功率与速度不匹配时，会在复合层内产生气孔，Inconel625合金的熔凝工艺熔凝参数对熔凝层的组织和性能有很大影响。
　　常用的Inconel625合金因硬度较低，在使用过程中无法有效防止烟气的冲刷腐蚀，使锅炉管的腐蚀速率加快。而Alloy686在Inconel625的基础上加入适量的W、Si等元素进行组元间的合金化，生成耐磨硬质相，在满足耐腐蚀性能的前提下又极大的提高了材料的硬度及其耐磨性能，在激光增材再制造Ni625和WC复合涂层的WC也能提高耐磨性。且Alloy686合金中含有较多的Mo，而W、Mo因热导率较高，室温下分别为173W/(m·K)和138W/(m·K)，因此，该熔凝合金具有较高的热导率，对提高传热效率、降低管排熔凝层表面温度、提高耐腐蚀性有利。虽然Inconel625和Alloy686两种镍基材料在锅炉管耐腐蚀方面都能满足使用需求，但一直未广泛使用的原因是其成本太高，而采用Inconel625去Mo镍基粉末作为管排的耐腐蚀熔凝层，将Inconel625中价格昂贵的Mo去除来降低成本，但会降低熔凝层的耐腐蚀性能。鉴此，本课题研究在20G表面激光熔凝Inconel625及其去Mo、Alloy686镍基合金，通过对熔凝层的微观组织、力学性能、耐腐蚀性能的比较，来寻求3种镍基合金粉末的最佳使用条件。
　　【试验材料与方法】
　　采用Laser-6000W型激光器进行激光熔凝，基材为 200 mm×150 mm×12 mm的20G钢板，熔凝材料为Inconel625、Inconel625去Mo、Alloy686等3种高温镍基合金气雾化球形粉末，图1为3种合金粉末的粒度及形貌。化学成分见表1。从图1a和图1c看出，Inconel625与Alloy686粉末尺寸都在45～135μm之间，而Inconel625去Mo粉末的尺寸稍大为70~150μm见图1b。对单颗粉末表面进行观察，发现表面存在粘附的卫星粉末及不平凸起，特别是Alloy686粉末中存在非球形粉，见图1c，这类粉末的存在在一定程度上影响了合金流动性及成形品质，存在潜在的缺陷。
　　对20G钢板进行超声清洗，用无水乙醇擦洗并干燥。将粉末置于真空干燥箱内在140 ℃干燥2 h。采用氩气作为载流气体和保护气，载流气为4LPM。激光器焦距WDH=278 mm，圆形光斑直径为4.0mm，搭接率为67.5%。通过工艺参数试验，获得无裂纹、气孔等缺陷的熔凝层。
　　(a)Inconel625 (b)Inconel625去Mo (c)Alloy686
　　图1粉末粒度及形貌
　　用线切割沿垂直于激光头运动方向截取试样，得到10mm×10mm×13mm熔凝层试样，试样打磨抛光后，利用HXD-1000TMC/LCD显微硬度计测量试样横截面显微硬度，加载载荷为2N，保压时间为10s；利用MTS拉伸测试机测试熔凝试样的抗拉强度，拉伸试样的尺寸见图2。采用模拟腐蚀环境的熔盐腐蚀法，将熔凝层用电火花线切割机切出20mm×10mm×3mm的试样，放置在ZnCl2、KCl、CaCl2、Na2SO4质量比为2:2:3:3盐粉末中并在550℃的马弗炉中保温360h，腐蚀后使用解胶剂浸泡并超声波清洗去除腐蚀试样表面粘结的杂质，测量腐蚀前后的失重率，每种熔凝层取3个试样平均值，腐蚀结果见表2。利用HITACHI S3400N扫描电子显微镜测试熔凝层的厚度、Fe稀释率、拉伸试样的断口形貌和腐蚀试样的腐蚀形貌特征。并采用10%的高氯酸乙醇溶液进行电解抛光，电压为20V，电解时间为20s，进行EBSD测试，观察熔凝层中晶粒的大小及取向。
　　图2 拉伸试样尺寸
　　【图文结果】
　　Inconel625和Inconel625去Mo合金粉末所需的能量密度相近，Alloy686合金粉末因含有较高的W、Mo等高熔点元素，其熔化过程中所需的能量密度最高。Inconel625去Mo熔凝层与基材结合处Fe稀释率过渡小，需提高功率；Alloy686熔凝层中Fe的稀释率较高，需降低功率。
　　Inconel625、Inconel625去Mo合金和Alloy686镍基合金熔凝层均为面心立方结构，晶粒生长择优取向为。其中Inconel625的晶粒更集中偏向方向，其次是Inconel625去Mo的晶粒，Alloy686的晶粒虽有部分偏向于方向，但主要方向还是方向且晶粒大小较均匀。
　　Inconel625合金熔凝层的硬度（HV）为268.1，Inconel625去Mo熔凝层硬度(HV)为246.5，Alloy686熔凝层硬度(HV)为362.1，比Inconel625熔凝层硬度提高35.6%。拉伸测试中发现，Inconel625、Inconel625去Mo、Alloy686熔凝层试样的抗拉强度分别比基体高19.9%、29.5%、33.5%，但Alloy686熔凝层试样的伸长率只有10.8%，远低于基体（30%）。
　　550℃高温腐蚀时，Inconel625熔凝层、Inconel625去Mo熔凝层和Alloy686熔凝层的失重率分别是9.75%、32.02%和8.43%，Inconel625去Mo熔凝层腐蚀凹坑很大。Inconel625和Alloy686熔凝层的耐腐蚀性能好，满足锅炉管的使用工况。
　　(a)Inconel625熔凝层(b)Inconel625去Mo熔凝层 (c)Alloy686熔凝层
　　图3熔凝层宏观形貌
　　(a)Inconel625熔凝层 (b)Inconel625去Mo熔凝层 (c)Alloy686熔凝层
　　图4熔凝层着色探伤
　　(a)Inconel625熔凝层 (b)Inconel625去Mo熔凝层 (c)Alloy686熔凝层
　　图5熔凝层中Fe的稀释率
　　(a)晶粒 (b)晶粒取向
　　图6 Inconel625熔凝层EBSD晶粒及晶粒取向
　　(a)晶粒 (b)晶粒取向
　　图7 Inconel625去Mo熔凝层EBSD晶粒及晶粒取向
　　(a)晶粒 (b)晶粒取向
　　图8 Alloy686熔凝层EBSD晶粒及晶粒取向
　　图9熔凝层硬度
　　(a)Inconel625熔凝层 (b)Inconel625去Mo熔凝层 (c)Alloy686熔凝层
　　(a)20G基材(b)Inconel625 (c)Inconel625去Mo (d)Alloy686
　　图10Inconel625及其去Mo和Alloy686镍基合金应力-应变曲线
　　(a)20G基材 (b)Inconel625 (c)Inconel625去Mo (d)Alloy686
　　图11Inconel625及其去Mo和Alloy686镍基合金拉伸试样断口形貌
　　（a）试样SEM（b）图a方框放大（c）Ni（d）Cr（e）Mo（f）Nb
　　图12 Inconel625合金试样腐蚀形貌及成分分布
　　（a）试样SEM （b）图a方框处放大（c）Ni（d）Cr（e）Nb
　　图13Inconel625去Mo熔凝层试样腐蚀形貌及成分分布
　　（a）试样SEM （b）图a方框处放大(c)Ni(d)Cr(e)Mo(f)W
　　图14熔凝层腐蚀形貌及成分面扫分布
　　【文献信息】
　　王进才,霍晓阳,李雷,等.Inconel625及其去Mo和Alloy686粉末激光熔凝性能研究[J].特种铸造及有色合金,2022,42(10):1248-1254.
　　WANG J C,HUO X Y,LI L,et al.Laser melting solidification properties of Inconel625,Mo free Inconel625 and alloy686 powders[J].SpecialCasting & Nonferrous Alloys,2022,42(10):1248-1254.