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可以有效降低焊接中的微偏析和析出效應進而增強防腐效果。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。

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用以提高其在石油和天然氣行業(yè)的性能，2022 年，144(9)：094501。