Inconel 625合金激光熔覆层在熔融NaCl中的腐蚀特性及其激光冲击强化和热处理效果

《Materials Science and Engineering: A》：Corrosion characteristics of Inconel 625 laser cladding layer in molten NaCl with laser shock peening and heat treatment

　　

梁中南|刘硕|陈书海|王慧敏

北京科技大学国家材料服役安全中心，中国北京

摘要

激光熔覆Inconel 625为修复垃圾焚烧炉部件提供了可持续的解决方案，但其应用受到固有缺陷和次优表面特性的限制，这些缺陷和特性降低了材料的耐热腐蚀性能。本研究系统地研究了热处理（HT）和激光冲击强化（LSP）对900°C下孔隙消除、微观结构演变以及NaCl诱导的热腐蚀机制的影响。850°C的固溶时效处理（850HT）通过原子扩散使孔隙率降低了74.4%，而LSP通过塑性变形使孔隙率最大降低了48.3%。在微观结构上，850HT消除了激光熔覆样品中的粗大树枝晶结构，并溶解了Laves相，同时促进了δ相和碳化物的析出。经过850HT处理的样品通过δ相析出强化，表面硬度达到了306 HV_0.1。随后的5次LSP处理（5LSP）通过位错介导的加工硬化进一步将硬度提高到368 HV_0.1（通过局部错位映射验证）。在900°C的NaCl环境中暴露1小时后，激光熔覆样品的氧化层完全剥落，基材被Cl^-腐蚀；而经过850HT处理的样品形成了不连续的Cr₂O₃氧化层，该氧化层容易发生Cl^-引起的开裂。值得注意的是，在经过850HT处理后进行5LSP处理的样品中，LSP引入的位错作为快速扩散通道，促进了Fe向保护性NiFe₂O₄尖晶石层的迁移，有效保护了下层的Cr₂O₃免受Cl^-的侵蚀。这一关于HT-LSP协同耐热腐蚀机制的发现为提高激光熔覆Inconel 625的耐热腐蚀性能提供了优化策略。

引言

作为一种先进的城市固体废物减量、无害化处理和资源回收方法，通过垃圾焚烧发电的废物转化为能源（WTE）技术因其能够高效地将生物质衍生的化学能转化为电能而受到广泛关注。现代焚烧炉采用Inconel 625合金部件，这些部件具有优异的高温抗氧化性和耐腐蚀性[1]。然而，在复杂的锅炉环境中，由于多组分热腐蚀的影响，实际运行中存在诸如结焦积累和壁面穿孔等故障[2]。传统的腐蚀部件更换策略存在显著的经济和操作限制。更换部件所需的长时间停机与对可持续能源生产和清洁发电基础设施日益增长的需求相矛盾。

激光熔覆技术作为一种环境友好的表面工程技术，能够快速沉积精确控制的保护涂层以修复部件[3]，[4]。然而，由于材料本身的缺陷（如微孔隙[5]和表面残余拉应力[6]），增材制造的Inconel 625部件的服务性能仍然受到影响。激光熔覆过程中的快速热循环会导致非平衡凝固，产生粗大的柱状树枝晶，并在树枝晶间区域析出有害的Laves相[7]，[8]，从而显著降低耐热腐蚀性能。这与Xu等人在X65钢/Inconel 625包覆管接头中的研究结果一致[9]，其中Laves相引起的元素偏聚加速了局部腐蚀。当提高发电参数以提高工厂效率时，这些材料限制变得更加明显。因此，使用改性技术来增强熔覆层的耐热腐蚀性能至关重要，以便承受更大的发电参数，从而进一步提高发电厂的发电效率，并积极应对全球双碳目标。

作为基本的后处理工艺，热处理（HT）在优化增材制造Inconel合金的微观结构和元素分布方面起着关键作用[10]。该技术有效消除了固有孔隙[11]，减轻了元素偏聚[12]，溶解了有害的Laves相，并促进了有益的δ相和γ''强化相的析出[13]，[14]。这些微观结构改进通过提高氧化层形成能力和优化相组成共同增强了耐热腐蚀性能。Badea等人的研究[15]证实，经过热处理的激光熔覆Inconel 625形成了富铬的保护性氧化层，显著阻碍了腐蚀物质的渗透。同样，Zhang等人在激光沉积的Inconel 718中证明，适当的热处理工艺实现了Laves相的完全溶解和元素均匀分布，从而通过微观结构的均匀化显著提高了耐腐蚀性能。

激光冲击强化（LSP）利用高强度激光诱导的等离子体冲击波，在金属材料中产生超过10⁶ s^-1的应变率下的塑性变形，通过引入高密度位错结构和深层残余压缩应力场（0.5-2毫米深度）有效提升了材料的机械性能——这是传统表面强化技术（如喷丸强化[17]和超声冲击强化[18]无法实现的）。关于LSP对耐热腐蚀性能的影响，该工艺形成了纳米晶表面层和压缩残余应力，从而协同抑制了裂纹扩展和腐蚀介质的渗透[19]，[20]。Guan等人的研究[21]表明，LSP处理的Ti6Al4V由于LSP引入的晶体缺陷和晶粒细化，表现出加速的氧化物成核动力学，显著提高了点蚀耐腐蚀性。Chen等人[22]进一步证明，LSP处理的GH2036超级合金通过晶粒细化和应力辅助的保护性氧化层形成，提高了高温抗氧化性能。同时，LSP在合金近表面区域诱导的高密度位错网络为氧化活性元素提供了加速的扩散通道，促进了保护性氧化层的快速形成。Cao等人[23]的研究表明，LSP改性的GH202合金表面微观结构具有复杂的位错配置（包括纠缠的簇和有序的阵列）和丰富的机械孪晶，这些晶体缺陷增加了Cr向表面的扩散路径，形成了更致密的Cr₂O₃氧化膜。与等离子喷涂[24]和喷丸强化[17]等传统技术相比，LSP具有更高的能源效率和环境兼容性，符合绿色制造的要求。

总之，HT和LSP都能显著提高金属材料的耐热腐蚀性能。然而，关于它们联合效果的研究仍然有限，特别是对于通过增材制造工艺生产的Inconel 625。因此，本实验探讨了HT和LSP对900°C NaCl熔盐中激光熔覆Inconel 625的相变、微观结构演变和腐蚀行为的影响。根据实验结果，确定了HT-LSP对Inconel 625的互补耐腐蚀机制。本研究为增强Inconel 625合金的耐热腐蚀性能提供了参考改性策略。

章节摘录

材料与激光熔覆工艺

本研究中，使用碳钢板作为基材，熔覆材料为粒径在75至115微米之间的Inconel 625粉末。成分详情见表1。熔覆实验采用了Jpote（JPT）光纤连续激光器，该激光器与粉末供给器和其他组件集成在Kaierda机器人上，构成了一个激光熔覆系统。该系统采用了侧轴粉末供给方法。

孔隙观察

如图2（a）所示，未经处理的样品在距顶部表面约1.7毫米的亚表面区域存在大量球形孔隙。这一观察结果与Fujishima等人的理论一致[28]，即不匹配的工艺参数和熔池中的气体夹带直接导致了孔隙的形成。增材制造过程中固有的孔隙会对材料性能产生不利影响。

Inconel 625涂层热腐蚀的机理分析

如图12（a）所示，在激光熔覆Inconel 625的初始热腐蚀阶段，氧分子分解成原子氧，分别与表面Ni和Cr反应，形成NiO和Cr₂O₃。这些氧化物在腐蚀环境中粘附稳定性较差，无法形成连续的保护性氧化层。缺乏保护性氧化层使得Cl^-能够沿着晶界渗透，与过渡金属反应。

结论

通过对HT/LSP引起的微观结构改性的综合分析，本研究建立了900°C NaCl熔盐中Inconel 625的互补耐腐蚀模型，这种模型源于HT-LSP的协同效应。主要发现如下：

激光熔覆的Inconel 625样品的固有孔隙率为0.813%。LSP引起的严重塑性变形有效封闭了1.7毫米深度内的表面孔隙。经过5次冲击处理后，孔隙率降低了21.9%。

数据可用性

支持本研究结果的数据可在文章[及其补充材料]中找到。

CRediT作者贡献声明

梁中南：撰写——原始草稿、方法论、实验研究、正式分析。王慧敏：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。陈书海：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。刘硕：实验研究、数据整理

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52005035）的支持。