1 引言
    核電閾門密封面強化材料多為鈷基合金，是由于鈷基合金具有良好的低摩擦和抗磨損特性，優異的耐腐蝕性等特點。但鈷基合金在我國資源匱乏，且鈷基合金經磨損后產生的磨屑經激發后變為60Co，延長了核輻射的半衰期，增加輻射。所以科學工作者都在致力于鈷基合金替代材料的研發。
    密封面堆焊層性能與質量不僅取決于堆焊材料，而且在很大程度上取決于堆焊方法與工藝。目前核閥堆焊仍采用等離子噴焊、火焰堆焊等傳統方法，熔覆層質量受到一定限制。先進的堆焊技術是當前各國競相研究的焦點，其中最具有前景的當屬激光熔覆技術。該技術以其特有的高功率密度速冷速熱實現材料的超快速熔化凝固，所制備的涂覆層組織更為致密，晶粒更細小，且空隙率和缺陷率低，熔覆層與基體形成良好的冶金結合。因此，本文選用NOREM 02鐵基粉末，并用激光熔覆的手段，在不銹鋼1Cr18Ni9Ti基體上制備涂層，對經后選用和設計核電閾門密封面強化材料的研究提供參考和對照。
    2 試驗材料和方法
    基體為不銹鋼，尺寸50mmx30mmx10mm；NOREM 02粉末粒度為100～325目，顆粒形貌如圖1所示，基體和粉末化學成分如表1所示。

圖1 NOREM 02粉末顆粒形貌
表1 基體和NOREM 02鐵基粉末的化學成分（w.t%）

    試驗所用的激光器為GS-TFL-10KW型高功率橫流CO2激光器，輸出的激光模式為TEM01，激光熔覆頭由本實驗室設計制作，實驗中以不同離焦量的聚光束垂直入射樣品表面，同軸吹Ar氣保護，具體熔覆工藝參數如表2所示。

表2 激光熔覆工藝參數

    將試樣垂直掃描方向切割，拋光打磨后經HCl+HNO3（3:1）溶液腐蝕，在KYKY2800型掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察熔覆層的微觀組織合開裂狀況；采用Per-tProMPD型X射線衍射儀對其成分進行分析；使用MH-5維氏硬度計測試涂層顯微硬度，加載為500g，作用時間8s。
    選擇編號3熔覆工藝參數下的鐵基合金熔道和鈷基合金熔道及未經加工的基體進行腐蝕試驗，腐蝕溶液分別為10%H2SO4和10%NaC，l在常溫下進行，采用靜態浸泡法。用電子天平（精度為10-4g）稱其失重，計算出腐蝕速率（mg.mm2.d-1）。
    3 試驗結果與分析
    （1）NOREM02鐵基激光熔覆層的宏觀特征
    如圖2所示，在焦點處熔覆層被嚴重燒損嚴重，熔覆層高度幾乎為零，隨著離焦量的增大，熔覆層的高度逐漸增大，外觀形貌逐漸改善，當離焦量為9mm時，高度開始下降，涂層表面粉末黏附明顯，但離焦量的變化總體對熔道的寬度影響不大，表3列出了熔覆層宏觀形貌特征。

圖2 不同工藝參數下熔覆層宏觀形貌
表3 熔覆層宏觀形貌特征

    （2）硬度
    不同的工藝參數下鐵基合金熔覆層的硬度曲線如圖4所示，不銹鋼基體的硬度在300HV0.5左右，第3熔道硬度最高在600HV0.5以上，其他三道硬度平均都在420HV0.5左右。這是因為1，2熔道是在焦點處熔覆加工的，能量密度過高，導致基體熔化嚴重，基體成分大大稀釋熔覆層成分，且熔覆層表面燒損厲害，熔覆層厚度不到1mm，整個熔層硬度較低；而第4熔道因離焦量太大能量密度低，基體和粉末都得不到充足的能量，導致粉末和基體表面沒有充分熔化，大量粉末落到基體表面反彈，從而導致熔覆層與基體的結合不好，且熔覆層組織疏松，硬度下降，熔層不高。而在與鐵基熔覆層相同工藝參數下制備的鈷基合金熔覆層硬度平均在450HV0.5。

距離熔覆層表面距離/Lm
圖4 不同離焦量下熔覆層組織顯微硬度

    （3）顯微組織與物相分析
    鐵基合金激光熔覆層的顯微組織為均勻細小的枝晶和多元共晶的混合組織，熔覆層與基體界面處有一條合金元素交互擴散結合帶，說明鐵基合金熔覆層與奧氏體不銹鋼形成了良好的冶金結合。溫度梯度/凝固速度（G/M）是凝固組織生長形態選擇的控制參數。在熔池/基體界面處My0而G最大，G/M值很大，凝固組織以低速平界面生長，隨M的增加和G/M逐漸減小，呈現為沿熱流擴散方向生長的細小枝晶和多元共晶的混合組織。圖5為鐵基復合涂層典型微觀組織。由圖6XRD衍射分析表明，涂層由C-Fe過飽和固溶體，連續網狀分布的M7C3（M=Cr，Fe，Mn等）組成。韌性相C-奧氏體為合金元素過飽和含量極高的亞穩相；強化相M7C3（是Cr基合金碳化物）。由于激光快熱的特點，熔池中先析出C-奧氏體相，由于C-奧氏體的析出消耗了較多的Cr，N，iSi等元素，剩余液相達到共晶成分時將發生共晶反應，生成（Cr，Fe）7（C，B）3+C共晶。

(a)熔覆層結合區顯微組織

(b)熔覆層中部顯微組織
圖5 熔覆層微觀組織

圖6 熔覆層的X射線衍射圖

    （4）耐腐蝕性
    圖7是鐵基涂層、鈷基涂層和不銹鋼分別在10%H2SO4溶液和10%NaCl溶液中腐蝕速率隨時間變化的情況。從圖中可以看出，試樣在第1d和第2d腐蝕速率都較大，這是由于在腐蝕溶液中試樣表面還沒有來得及形成鈍化膜，后來幾天試樣質量變化不大，腐蝕速率逐漸減小趨于穩定。在10%H2SO4溶液中鐵基熔覆層抗腐蝕性能大大高于不銹鋼，接近鈷基熔覆層；在10%NaCl溶液中，不銹鋼和鈷基熔覆層都表現出良好的抗腐蝕性能，鐵基熔覆層略差。

時間/d
圖7 在10%H2SO4溶液和10%NaCl溶液中鐵基熔覆層、不銹鋼和鈷基熔覆層的腐蝕速率

    NOREM02鐵基熔覆層主要成分為Fe和Cr，其次有N，iMo，S，iMn等，其中Cr，Mo，N，iSi等元素對Fe起到鈍化的作用。表面致密氧化膜主要成分是Cr2O3，其次是FeO，MoO3，NiO等。Stellite 6鈷基熔覆層表面氧化膜主要成分有CoO，Cr2O3等。不銹鋼基體表面氧化膜主要是Cr2O3和FeO。
    在試驗過程中，鐵基涂層和鈷基涂層在10%H2SO4溶液中經7天以后，溶液仍基本保持透明，涂層失重小。NOREM02粉末中含有24.5%的Cr，且N，iMo和Si等元素形成的氧化膜有效抑制了H2SO4的腐蝕。鈷基涂層含有更高質量分數的Cr，主要成分鈷元素氧化生成CoO與Cr2O3形成致密的氧化膜，且W的加入進一步增強的涂層的抗腐蝕特性，因此鈷基涂層不僅在常溫下，在高溫環境中也表現出優異的抗腐蝕性能。不銹鋼基體放入10%H2SO4溶液后，20min后試樣表面出現大量的氣泡，1d之后發現基體表面發黑，用棉棒擦拭有疏松的物質脫落，且溶液變為綠色，主要是發生反應（H2SO4+FeO=FeSO4+H2O），生成FeSO4所致。
    鐵基涂層和基體在10%NaCl溶液中，經7d之后，溶液略顯淡黃色，腐蝕瓶底有黃色腐蝕產物，主要是氧化膜與NaCl及溶于溶液中少許的氧氣發生反應（4NaCl+Cr2O3+5/2 O2=2Na2CrO4+2Cl2）生成少量的Na2CrO4，但鈷基涂層所在溶液基本保持透明。
    4 結論
    （1）NOREM02鐵基粉末在激光熔覆過程中，受離焦量不同影響顯著。在離焦量為5mm即光斑直徑為4.5mm時熔道表面連續光滑，寬度和厚度均勻，高度可達到1.76mm。
    （2）熔覆層組織致密，晶粒細小，結合區牢固，在優化工藝參數下，熔道顯微硬度600HV0.5以上。
    （3）經XRD物相分析，發現熔覆層具有強韌兩相組成（奧氏體和M7C3）的微觀特征。
    （4）常溫下，在10%H2SO4和10%NaCl溶液中，鐵基熔覆層抗腐蝕性能接近鈷基熔覆層。