防腐金屬的磁場輔助電弧增材制造

供稿人：汪新航、王富 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

目前在石油與天然氣工業(yè)中，需要一種在高溫高壓以及強腐蝕的條件下存儲石油和天然氣的容器。傳統(tǒng)最具成本效益的方案是在碳鋼和低合金鋼上鍍耐腐蝕的合金涂層。然而，工業(yè)實踐證明由于稀釋和微偏析，會導(dǎo)致容器金屬過早的失效。在磁場環(huán)境下的氣體保護電弧熔融沉積技術(shù)可以有效降低焊接中的微偏析和析出效應(yīng)進而增強防腐效果。墨西哥國立自治大學F. F. Curiel-López研究團隊通過實驗研究316L不銹鋼在碳鋼基板上的熔融沉積效應(yīng)。

圖1 磁場環(huán)境下熔化極氣體保護焊實驗原理圖

該實驗研究在98%氬氣和2%氧氣混合氣體保護的環(huán)境下進行，利用有無磁場作為對比，以X-60鋼作為基體，316L不銹鋼為涂層金屬，原理如圖1。 通過研究發(fā)現(xiàn)，在有低強度磁場（3-7.5mT）的條件下，熔覆層的幾何形狀和尺寸沒有顯著變化變化，然而，相較于無磁場的情況下，熱影響區(qū)范圍會減小，圖2表示了四組實驗的俯視圖與剖面圖；無磁場作用時熔融線附近的組織為馬氏體和鐵素體；有磁場作用時熔融線附近的組織為等軸狀鐵素體、鐵素體，珠光體；有磁場作用時有較好的熔接面，沒有磁場作用時熔接面有缺陷，如圖3；磁場作用時得到的組織平均顯微硬度為214HV，最大顯微硬度為380HV；無磁場作用時對應(yīng)的顯微硬度分別為240HV和420HV。

圖2 沉積在X60鋼板上的316L不銹鋼電極焊珠：（a）無磁場，（b）有磁場

圖3 （a）有磁場沉積，末端無熔合缺陷（b）無磁場沉積，焊縫末端開裂

通過研究證明磁場輔助條件下，利用電弧增材制造技術(shù)將316L不銹鋼熔覆在碳鋼或者輕合金鋼上形成防腐涂層的方法是可行的。在磁場輔助條件下可以使熔融金屬溫度和合金元素的分布更均勻，從而誘使晶粒細化，減少微偏析，提高材料抗腐蝕性能和壽命，降低成本。
參考文獻：

    BA Pichardo-Álvarez、M. Salazar-Martínez、VH López-Morelos 等。 制造科學與工程[J]． 磁場在堆焊層中的應(yīng)用以提高其在石油和天然氣行業(yè)的性能，2022 年，144(9)：094501。