風機不銹鋼材料長期服役過程中表面滲鉛層性能分析

引言

0Cr18Ni9Ti不銹鋼由于其綜合性能比較好,目前已廣泛應用于風力發(fā)電機制造中,但它的缺點是硬度及耐腐蝕性較差。為了改善其硬度及耐腐蝕性,本文以風力發(fā)電機用0Cr18Ni9Ti不銹鋼為實驗材料,在雙輝光等離子滲金技術基礎上[1」,研究了不銹鋼表面生成的滲錯合金層的硬度及耐腐蝕性。

1實驗方法

本實驗所用雙輝光等離子滲錯源極錯板的純度是99.99%,其尺寸為長100mm、寬50mm、高5mm。

本文所用的實驗材料0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼尺寸為長30mm、寬10mm、高3mm。實驗材料的化學組成成分以及各自所占質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

在滲錯實驗前,要打磨清理干凈滲錯源極,打磨、拋光、清洗并烘干實驗試樣。滲錯實驗所用儀器DGLT_15型多功能離子化學熱處理爐的工作環(huán)境氬氣氣壓30～40Pa,保溫時間5.5h,保溫溫度1000℃:wDL_31型光電溫度計用于測試滲錯實驗的實驗溫度:CarlZeissAxioscopeA1型光學顯微鏡用于滲錯合金層的組織觀察:Bruker_axs_D8型x射線衍射儀用于測試滲層組織的xRD圖譜:HV1000型顯微儀用于對滲錯層硬度進行檢測。

電化學腐蝕實驗依據(jù)電位法,所用儀器是Ps_268A型電化學測量儀,實驗前首先要沖洗干凈試樣,然后將其用石蠟密封,僅留出面積為1cm2工作面,將試樣浸入腐蝕液中進行電化學腐蝕。金屬的腐蝕電流i通過塔菲爾直線外推法測定出來,然后以60mV/min的速度進行電位掃描,最后計算腐蝕速度,即:

式中,⑦為腐蝕速度[mA·g/（m2·h）」:皿為金屬原子量:i為腐蝕電流密度（mA/cm2）:n為金屬原子價。

2實驗結果及分析

2.1滲錯合金層的組織及物相

圖1是滲錯合金層的截面組織圖像。從圖1可以看出,有明顯界面存在于基體組織與滲層組織之間,滲層組織主要特點是形狀為圓柱形、組織分布連續(xù)致密、無較大的裂紋孔隙。由于錯是強碳化物元素,在滲錯過程中Cr可以被錯從Cr的碳化物中置換出去,形成碳化物更穩(wěn)定的ZrC,從而在滲錯處理后ZrC和ZrFe2的改性層出現(xiàn)在不銹鋼表面上。

100um

圖1滲錯合金層組織

2.2在NaCl溶液中檢測電化學腐蝕性能

在NaCl溶液中檢測基材組織與滲錯合金層的電化學腐蝕性能,通過相應的實驗記錄以及計算,得出腐蝕速度⑦、腐蝕電流i及相對腐蝕速度的結果如表2所示。從表2可知,在陰極極化過程中,基材組織的電流密度隨著電位的逐漸升高而降低,陽極極化在電位升高到_275mV后開始發(fā)生,隨后電流密度隨著電位升高而增大,最后進入活化與鈍化過渡區(qū)。在電位升高到251mV后,電流密度趨于平緩伴隨穩(wěn)定鈍化現(xiàn)象的發(fā)生,此時不銹鋼基材組織具有一定的耐蝕性。對于滲錯層具有類似的規(guī)律,所不同的是陽極極化開始發(fā)生是在電位升高到_195mV后,與基材組織相比腐蝕電位提高了80mV,從熱力學角度說明滲錯層與基材組織相比,其耐腐蝕性更好。另一個不同之處是鈍化現(xiàn)象出現(xiàn)是在電位升至214mV后,并且滲錯層的腐蝕電流密度和腐蝕速度明顯小于基材組織腐蝕電流密度和腐蝕速度,從動力學角度說明滲錯層與基材組織相比,其耐腐蝕性更好。

在3.5%NaCl溶液中不銹鋼基材組織與滲錯合金層的腐蝕形貌如圖2所示。從圖2（a）可以看出,基材組織在3.5%NaCl溶液中有嚴重的腐蝕現(xiàn)象,不但出現(xiàn)面腐蝕甚至還出現(xiàn)小孔腐蝕。這是由于在NaCl溶液中存在半徑較小的氯離子,氯離子經(jīng)過一系列反應最終發(fā)生蝕孔現(xiàn)象。從圖2（b）可以看出,滲錯合金層表面在3.5%NaCl溶液中僅出現(xiàn)局部腐蝕。這是為經(jīng)滲錯處理的組織與不銹鋼基材組織相比,試樣表面鈍化膜的載流子密度很低,使氯離子難以吸附在表面,從而抑制了蝕孔現(xiàn)象的發(fā)生。

4.3滲錯合金層硬度檢測

不銹鋼基材組織與滲錯層表面硬度用HV1000型顯微硬度儀檢測。結果發(fā)現(xiàn),滲錯層表面硬度與不銹鋼基材表面硬度相比,大約提高了3倍。因此,不銹鋼0Cr18Ni9Ti經(jīng)過表面滲錯處理可以改善其硬度。由于錯的滲入在高溫下受到抑制,生成的金屬間化合物ZrFe2以及析出相Zr-C離散分布從而阻止晶界移動,限制奧氏體晶粒長大,實現(xiàn)了細晶強化的效果,最終改善滲錯合金層的硬度。此外,由于錯元素滲入后與碳相互作用生成高硬物質(zhì)碳化錯,極大改善了滲錯層的硬度。合金層表面硬度最高,硬度值隨著基體向內(nèi)延伸逐漸減小。這是由于錯元素在擴散過程中必然存在濃度梯度差異,固溶強化效果也有所不同,最終導致試樣硬度隨著基體向內(nèi)延逐漸減小。

3結語

通過實驗可以在0Cr18Ni9Ti不銹鋼表面生成具有一定厚度的滲錯合金層:不銹鋼基材組織在3.5%NaC1溶液中的相對腐蝕速度遠大于滲錯合金層的腐蝕速度。在相同腐蝕環(huán)境下,不銹鋼基材組織與滲錯合金層相比腐蝕更加嚴重:經(jīng)過滲錯處理后,試樣表面硬度明顯得到提高,其硬度由表及里逐漸降低。實驗證明,經(jīng)滲錯處理后不銹鋼的硬度以及耐蝕性均得到了改善。