Mo对N80油管激光合金化层组织及性能的影响

郭浩霖，韩 彬

（1.海洋石油工程股份有限公司检验公司，天津300452；2.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东 青岛266580）

Mo对N80油管激光合金化层组织及性能的影响

郭浩霖1，韩 彬2

（1.海洋石油工程股份有限公司检验公司，天津300452；2.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东 青岛266580）

为了研究不同Mo添加量对N80油管激光合金化层组织和性能的影响，在N80油管表面预置Ni-Cr-Ti-B4C-Mo合金粉末，通过激光处理获得与基体冶金结合良好的合金化层，并对激光合金化层的组织、化学成分及显微硬度进行测试分析。结果显示，Mo添加量为5%～10%时，随着Mo含量的增加，α-Fe固溶体晶粒细化效果越明显，增强相TiB2、TiC含量增多，体积增大，分布更为均匀；当Mo的加入量为5%时，激光合金化层中TiB2、TiC增强相含量最多，硬度最高。研究表明，从耐磨性角度考虑，建议Mo的添加量为5%。

N80油管；激光合金化；显微组织；硬度

原位合成增强颗粒复合法是一种新型的金属基复合材料制备方法，能够避免颗粒外加产生的诸多问题，如颗粒烧损、界面污染、增强相分解等。原位合成技术主要有铸造原位合成技术、熔覆原位合成技术等。采用激光作为热源，利用熔覆原位合成技术在材料表面原位合成含有TiCTiB2增强相的熔覆层，即在基体材料表面预置TiC、TiB2合金粉末，利用激光热源加热熔化，在熔池内部反应原位生成TiC、TiB2增强颗粒，使基体表面形成冶金结合的复合材料熔覆层。这种熔覆层充分利用了TiC和TiB2的高硬度、高熔点、高模量、耐冲击和高温稳定性好等优异力学性能[1-2]，使材料表面具备了高耐磨损性能，既延长了材料的使用寿命，又提高了材料的强度，能够满足一些恶劣工况下部件的修复，在很多需要提高部件磨损性能的场合也得到应用，而且由这种表面改性方法制备具有特殊性能的功能熔覆层，工艺比较简单，成本低廉，有着重要的工程应用价值。但是，金属陶瓷复合材料原位合成技术存在着增强相偏聚及增强相体积小、数量少等问题，影响了复合材料组织的均匀性与性能的稳定性，阻碍了该技术的推广和应用[3]。同时，增强相与基体的结合强度，以及合金元素与基体的熔合效果都影响着合金化的效果。已有研究表明，在激光合金化技术中，Mo可以改善液态金属Fe对增强相的润湿性，溶入α-Fe相中，起固溶强化粘结相的作用[4]。目前，我国许多油田已进入中后期开采阶段，油管的腐蚀与管杆偏磨问题日益加剧[5-7]，激光合金化在N80油管方面的应用研究报道较少[8-9]。因此，本研究采用激光合金化对N80油管的内壁制备TiC-TiB2增强相的铁基熔覆层，分析Mo元素对N80油管合金化层组织和性能的影响，以期使合金化层的组织更加致密，各相间结合强度得到加强，合金化层性能得到一定提高。

1 试验材料与方法

试验用N80油管的化学成分见表1。所用合金粉末为Ni、Cr、Ti、B4C 和Mo。 其中，Ni、Cr、Mo、Ti的粒度为200目，B4C石墨的粒度为280目，纯度大于99%。合金粉末配比见表2，Ti与B4C配比为摩尔比3∶1。

用砂纸将N80油管表面锈迹除去，并用丙酮清洗后干燥备用。采用粉末预置法进行铺粉，预置粉末厚度为0.2 mm。利用DL-HL-T5000W CO2横流激光器进行合金化，光斑直径为3.0 mm，合金化过程采用氩气侧吹法进行保护，氩气流量为10 L/min。激光输出功率为2.8～3.1 kW，扫描速度为700 mm/min，多道搭接率为40%。

表1 N80油管钢的化学成分 %

表2 合金粉末的化学成分 %

N80油管激光合金化后，截取其横截面，用水砂纸进行研磨抛光，采用LEO-1450型扫描电镜进行显微组织分析；JEOLJXA-8100型电子探针进行微区化学成分定性分析；HX-1000T型显微硬度测定仪测量硬度，载荷为200 g。

2 试验结果和讨论

2.1 组织形貌分析

图1为添加不同Mo含量的合金化层显微组织形貌。由图1（a）可见，激光合金化层主要由TiC、TiB2增强颗粒和α-Fe固溶体组成，TiC、TiB2颗粒从基体中原位形核、长大，热力学稳定，与金属基体浸润性好。颗粒相TiB2、TiC多呈颗粒状或不规则多边形状镶嵌在α-Fe固溶体中，尺寸较小，分布也多不均匀。随着Mo含量的增加，α-Fe固溶体晶粒细化效果越明显，TiB2和TiC颗粒分布、含量及尺寸发生变化。当添加5%Mo时，明显改善了Fe对增强相TiB2、TiC的润湿性，使TiB2、TiC颗粒弥散分布于Fe基固溶体相中，合金化区显微组织更加致密，微观缺陷减少。另外，增强相TiB2、TiC含量最多，其尺寸较未添加Mo时也有所增加。这是由于Mo的加入改善了α-Fe相与TiB2、TiC增强相之间的润湿性，增加了TiB2、TiC的形核质点，使增强相更加容易聚集长大。因为Mo的加入能形成一种包覆层结构（surrounding structure，简称SS相），增强相包覆Mo形核长大。当添加Mo的质量分数为10%时，进一步改善了TiC、TiB2在合金化区中的分布，α-Fe固溶体晶粒进一步细化。但是，基体组织细化的同时也会使增强相尺寸增加，SS相很脆，必须控制它的生长，当SS相厚度超过l μm时，合金化层强度也会下降；而SS相过分发达时，又会导致合金化层的耐磨性和韧性大大降低。

图1 添加不同Mo含量合金化层SEM显微组织

2.2 化学成分分析

图2 w（Mo）为10%的激光合金化区截面背散射及线扫描图

图2为添加w（Mo）为10%的激光合金化区截面电子探针背散射图像及元素线扫描图谱。由图2可知，B、C、Fe及Mo的含量波动平稳，基本保持稳定，说明Mo已弥散分布于固溶体及增强相中；Ni、Ti、Cr的含量在合金化层和基体的界面处出现较大变化，但合金化层波动较小，表明合金化层成分较为均匀。

图3为激光合金化区的背散射图像及线扫描图谱。由图3可知，Mo在Fe粘结相中具有一定的溶解度，说明Mo原子也向α-Fe晶格中扩散。Mo的固溶有利于提高粘结相的抗氧化性和高温强度，同时改善对TiC相的润湿性。C、B、Ti与Fe、Ni、Cr元素的线分布强度特征相反，尤其是Ti的含量变化非常明显，由于Mo的加入使增强相体积增大，线扫描结果进一步证明了图中黑色相为TiC、TiB2增强相。另外，还可以看出，α-Fe相与TiC、TiB2颗粒接触紧密，粘附均匀，增强相颗粒周围无气孔、微裂纹等缺陷，界面洁净，结合强度高。

图3 激光合金化区背散射及线扫描图

2.3 显微硬度分析

图4为激光合金化层表面至基体的硬度分布。从图4可以看出，当w（Mo）为5%时合金化层硬度最高，达到630 HV0.2，未添加Mo时次之，而当Mo质量分数达到10%时合金化层硬度反而降低。这是由于Ti、C、B、Ni和Mo的原子半径不同，形成固溶强化，有助于提高合金化层的硬度[10]，同时加入Mo后晶粒细化效果明显，因此，加入Mo的质量分数为5%时的合金化层硬度更高。随着Mo含量的增加，固溶强化效应是增强的，但是Mo含量太高时，TiB2及TiC增强相含量有所降低，合金化层硬度略有降低。

图4 Mo含量与合金化层硬度的关系曲线

3 结 论

（1）N80油管激光熔覆Ni-Cr-Ti-B4C合金粉末，激光合金化层主要由原位生成的TiC、TiB2增强颗粒和α-Fe固溶体组成。

（2）Mo添加的质量分数为5%～10%时，随着Mo含量的增加，α-Fe固溶体晶粒细化效果越明显，增强相TiB2、TiC含量增多，体积增大，分布更为均匀。

（3）当Mo添加的质量分数为5%时，合金化层硬度得到显著提高，但当Mo添加的质量分数为10%时，合金化层的硬度下降。

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Effect of Molybdenum Element on Microstructure and Properties of Laser Alloying Layers on N80 Oil Tube

GUO Haolin1,HAN Bin2
（1.China Offshore Oil Engineering Company Inspection Division,Tianjin 300452,China;2.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

In order to study the effect of different content of molybdenum element on microstructure and properties of laser alloying layers on N80 oil tube,the N80 oil tube surface was presented Ni-Cr-Ti-B4C-Mo alloying powders,the alloying layer which was metallurgical bonding with substrate was obtained through laser treatment.The microstructure,the distribution of the main alloying elements and microhardness of laser alloying layer were tested.The results showed that when the content of molybdenum element is between 5%and 10%,with the increase of molybdenum content the grain refinement of α-Fe solid solution is more obvious,and the volume content and size of the reinforcing phase TiB2and TiC which are well-distributed increase.When the content of Mo is 5%,the volume content of TiB2and TiC and the hardness of the laser alloying layer are highest.In terms of wear resistance,it is recommended that the content of molybdenum element is 5%.

N80 oil tube;laser alloying;microstructure;hardness

TG115.28

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.002

郭浩霖（1980—），男，工程师，主要从事材料、焊接相关研究及应用。

2016-07-12

李 超