风机不锈钢材料长期服役过程中表面渗铅层性能分析

引言

0Cr18Ni9Ti不锈钢由于其综合性能比较好,目前已广泛应用于风力发电机制造中,但它的缺点是硬度及耐腐蚀性较差。为了改善其硬度及耐腐蚀性,本文以风力发电机用0Cr18Ni9Ti不锈钢为实验材料,在双辉光等离子渗金技术基础上[1」,研究了不锈钢表面生成的渗错合金层的硬度及耐腐蚀性。

1实验方法

本实验所用双辉光等离子渗错源极错板的纯度是99.99%,其尺寸为长100mm、宽50mm、高5mm。

本文所用的实验材料0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢尺寸为长30mm、宽10mm、高3mm。实验材料的化学组成成分以及各自所占质量分数如表1所示。

在渗错实验前,要打磨清理干净渗错源极,打磨、抛光、清洗并烘干实验试样。渗错实验所用仪器DGLT_15型多功能离子化学热处理炉的工作环境氩气气压30～40Pa,保温时间5.5h,保温温度1000℃:wDL_31型光电温度计用于测试渗错实验的实验温度:CarlZeissAxioscopeA1型光学显微镜用于渗错合金层的组织观察:Bruker_axs_D8型x射线衍射仪用于测试渗层组织的xRD图谱:HV1000型显微仪用于对渗错层硬度进行检测。

电化学腐蚀实验依据电位法,所用仪器是Ps_268A型电化学测量仪,实验前首先要冲洗干净试样,然后将其用石蜡密封,仅留出面积为1cm2工作面,将试样浸入腐蚀液中进行电化学腐蚀。金属的腐蚀电流i通过塔菲尔直线外推法测定出来,然后以60mV/min的速度进行电位扫描,最后计算腐蚀速度,即:

式中,⑦为腐蚀速度[mA·g/（m2·h）」:皿为金属原子量:i为腐蚀电流密度（mA/cm2）:n为金属原子价。

2实验结果及分析

2.1渗错合金层的组织及物相

图1是渗错合金层的截面组织图像。从图1可以看出,有明显界面存在于基体组织与渗层组织之间,渗层组织主要特点是形状为圆柱形、组织分布连续致密、无较大的裂纹孔隙。由于错是强碳化物元素,在渗错过程中Cr可以被错从Cr的碳化物中置换出去,形成碳化物更稳定的ZrC,从而在渗错处理后ZrC和ZrFe2的改性层出现在不锈钢表面上。

100um

图1渗错合金层组织

2.2在NaCl溶液中检测电化学腐蚀性能

在NaCl溶液中检测基材组织与渗错合金层的电化学腐蚀性能,通过相应的实验记录以及计算,得出腐蚀速度⑦、腐蚀电流i及相对腐蚀速度的结果如表2所示。从表2可知,在阴极极化过程中,基材组织的电流密度随着电位的逐渐升高而降低,阳极极化在电位升高到_275mV后开始发生,随后电流密度随着电位升高而增大,最后进入活化与钝化过渡区。在电位升高到251mV后,电流密度趋于平缓伴随稳定钝化现象的发生,此时不锈钢基材组织具有一定的耐蚀性。对于渗错层具有类似的规律,所不同的是阳极极化开始发生是在电位升高到_195mV后,与基材组织相比腐蚀电位提高了80mV,从热力学角度说明渗错层与基材组织相比,其耐腐蚀性更好。另一个不同之处是钝化现象出现是在电位升至214mV后,并且渗错层的腐蚀电流密度和腐蚀速度明显小于基材组织腐蚀电流密度和腐蚀速度,从动力学角度说明渗错层与基材组织相比,其耐腐蚀性更好。

在3.5%NaCl溶液中不锈钢基材组织与渗错合金层的腐蚀形貌如图2所示。从图2（a）可以看出,基材组织在3.5%NaCl溶液中有严重的腐蚀现象,不但出现面腐蚀甚至还出现小孔腐蚀。这是由于在NaCl溶液中存在半径较小的氯离子,氯离子经过一系列反应最终发生蚀孔现象。从图2（b）可以看出,渗错合金层表面在3.5%NaCl溶液中仅出现局部腐蚀。这是为经渗错处理的组织与不锈钢基材组织相比,试样表面钝化膜的载流子密度很低,使氯离子难以吸附在表面,从而抑制了蚀孔现象的发生。

4.3渗错合金层硬度检测

不锈钢基材组织与渗错层表面硬度用HV1000型显微硬度仪检测。结果发现,渗错层表面硬度与不锈钢基材表面硬度相比,大约提高了3倍。因此,不锈钢0Cr18Ni9Ti经过表面渗错处理可以改善其硬度。由于错的渗入在高温下受到抑制,生成的金属间化合物ZrFe2以及析出相Zr-C离散分布从而阻止晶界移动,限制奥氏体晶粒长大,实现了细晶强化的效果,最终改善渗错合金层的硬度。此外,由于错元素渗入后与碳相互作用生成高硬物质碳化错,极大改善了渗错层的硬度。合金层表面硬度最高,硬度值随着基体向内延伸逐渐减小。这是由于错元素在扩散过程中必然存在浓度梯度差异,固溶强化效果也有所不同,最终导致试样硬度随着基体向内延逐渐减小。

3结语

通过实验可以在0Cr18Ni9Ti不锈钢表面生成具有一定厚度的渗错合金层:不锈钢基材组织在3.5%NaC1溶液中的相对腐蚀速度远大于渗错合金层的腐蚀速度。在相同腐蚀环境下,不锈钢基材组织与渗错合金层相比腐蚀更加严重:经过渗错处理后,试样表面硬度明显得到提高,其硬度由表及里逐渐降低。实验证明,经渗错处理后不锈钢的硬度以及耐蚀性均得到了改善。