一种X70管线钢表面改性处理的方法

摘要

一种X70管线钢表面改性处理的方法，属于材料表面改性处理领域。本发明专利通过激光热辐射渗铝处理方法制备Fe-Al合金层，涂层的表面平整光滑，管线钢表层组织和性能发生改变，基体与界面结合方式为冶金结合，获得耐盐雾腐性较强的合金涂层，对于提高管线钢的防盐雾腐蚀性具有重要的工程应用意义。

说明书

技术领域

本发明利用激光辐射渗铝涂层处理X70管线钢表面，在其表面产生相变合金层，提高管线钢耐蚀性，属于材料表面改性处理领域。

背景技术

随着石油工业的发展，输送管道由于盐雾腐蚀而造成的损失也日益加剧；管线钢是长距离输送石油最经济的运输方式，对于向高强度、大口径发展的管线钢的强度等安全性要求更加突出，腐蚀是影响管道的可靠性和使用寿命的关键因素，在我国东部沿海地区的管道常年在盐碱环境下服役，点蚀以及应力腐蚀开裂都是巨大的灾难隐患，因此，必须对管线钢进行表面防腐蚀处理。

目前管线钢表面制备Fe-Al金属间化合物涂层主要方法有：热喷涂、热浸渗、等离子等；热浸渗工艺的主要缺陷是涂层薄、孔隙较多，存在漏镀，在精心调整浸渗工艺的条件下，可以实现少量微区冶金结合，但涂层与基体的绝大部分结合为机械结合；采用高速电弧及等离子喷涂技术反应合成Fe-Al金属间化合物涂层，但受喷涂层与母材结合强度的限制，涂层在服役过程中容易剥落；采用粉末包埋制备Fe-Al金属间化合物覆层，获得了致密、无气孔、夹杂、熔覆表面有一定起伏的合金层，合金层与基体间实现了良好的冶金结合，但其Fe-Al金属间化合物粉体制备工艺复杂，难以实现规模化生产，粉尘污染环境，工作环境恶劣；本发明专利通过激光热辐射渗铝处理方法制备Fe-Al合金层，涂层的表面平整光滑，管线钢表层组织和性能发生改变，基体与界面结合方式为冶金结合，获得耐盐雾腐性较强的合金涂层，对于提高管线钢的防盐雾腐蚀性具有重要的工程应用意义。

发明内容

X70管线钢在一些服役环境如戈壁、沙漠等，对于管道的韧性、耐腐蚀性都有很高的要求。

本发明专利采用激光热辐射对其表面进行热处理，Al原子和基体中Fe原子通过对流扩散和热扩散而发生了一系列的物理化学变化，在基体表面形成Fe-Al合金层。

一种在X70管线钢表面渗铝的方法，供铝剂为工业纯Al，其特征在于：在铝粉中加入水玻璃作为粘接剂，将铝粉调制成糊状，水玻璃的加入量以使得调制成糊状的铝粉能够在管线钢表面进行手工均匀涂刷即可，利用激光作为热源，涂刷层吸收激光的高能量熔化成液体与基体Fe元素相互渗透，形成冶金结合，通过管线钢的移动实现整个表面激光热辐射渗铝处理，高能束激光扫射时，X70管线钢表面附近发生Fe和Al原子相互扩散和相界面反应，激光热辐射后应当经900℃高温扩散处理2h后，使得Al、Fe元素进一步扩散，形成充分渗透。

合金层分为两层：外层纯铝层、中间激光熔池合金流动层（η相(Fe₂Al₅)以及少量的FeAl），界面线能谱可以看出涂层中的Al元素分布均匀，相互扩散区与涂层中Al含量一致，基体中Al含量锐减为基材含量水平，Fe的分布与Al元素相反，说明在流动层中，Fe与Al充分渗透，且很好的保持了基体原有的组织性能；合金层与基体成锯齿状相互渗透，为冶金结合，结合强度高，耐磨性好，并不是简单的机械结合。

所述的调制成糊状的铝粉中Al的质量百分比为70%，水玻璃的质量百分比为30%。

根据上述工艺基础，在铝粉中除了加入水玻璃作为粘接剂外，再加入硅酸铝，并按照质量百分比：Al 50%；硅酸铝 20%；水玻璃30%配置，发现激光热辐射渗铝后无需退火处理，其涂层的表面质量和仅加水玻璃进行激光辐射并经退火处理涂层的表面质量一样良好，如图5、图6所示，为制作工艺节约了时间和成本，为规模化生产提供了可能性。

附图说明

图1 X70管线钢原始表面扫描电镜图；

图2 X70管线钢热浸渗铝处理后表面扫描电镜图；

图3 X70管线钢激光热辐射处理退火表面扫描电镜图；

图4 X70管线钢激光热辐射处理退火界面扫描电镜图；

图5 X70管线钢激光热辐射加硅酸铝不经退火表面扫描电镜图；

图6 X70管线钢激光热辐射加硅酸铝不经退火界面扫描电镜图；

图7 X70管线钢激光处理后界面能谱分析图，（a）Fe元素线能谱，b）Al元素线能谱；

图8 X70管线钢表面渗铝处理后X射线图谱，(a) 原始状态，b) 激光热辐射渗铝处理后；

图9 X70管线钢表面原始表面腐蚀后的扫描电镜图；

图10 X70管线钢热浸渗铝样腐蚀后表面的扫描电镜图；

图11 X70管线钢激光热辐射处理腐蚀后的扫描电镜图。

具体实施方式

采用NEL2.5KW快速轴流Co₂激光器，激光热辐射处理工艺步骤为：表面除油→除锈→烘干→激光热辐射→扩散退火或表面除油→除锈→烘干→激光热辐射；工艺参数为：功率0.5-2.5KW，扫描速度0.5-2mm/s，光斑直径0.5-1.5mm，输出电流为200-220A，涂刷厚度为0.3mm-0.8mm，辐射时间5～10min。

实施例1

（1）采用NEL2.5KW快速轴流CO₂激光器，激光热辐射处理工艺步骤为：表面除油→除锈→烘干→激光热辐射→扩散退火，工艺参数为：功率1KW，扫描速度1mm/s，光斑直径1mm，输出电流为210A，涂刷厚度为0.3m，辐射时间10min；如图2所示热浸渗铝X70管线钢表面有凹坑出现，存在漏镀，是热浸渗的典型缺陷；激光在管线钢表面扫射时，涂层表面较为平整、致密、连续，涂层厚度为0.5mm，没有明显的裂纹倾向，保持了金属光泽，如图3、4所示，提高了基体耐磨性能。

（2）采用EDS、XRD分析其化学元素分布及化学物质的变化，Al元素的含量维持在一个恒定量（58.69%），在过渡区也没有出现明显的下降，这说明涂层元素分布较均匀；原始试样组织为                                                ，激光热辐射处理后生成了FeAl、Fe₂Al₅和Al₂O₃提高了管线钢的抗腐蚀性能。

（3）热浸渗、激光处理后对其进行了8小时的盐雾腐蚀试验；腐蚀形貌如图9/10/11所示，原始试样的腐蚀较为严重，出现了大的腐蚀坑，出现层脱现象，热浸渗处理试样腐蚀也较为严重，出线了腐蚀裂纹，激光热浸渗铝处理后合金层的抗腐蚀性要高于基体，很好的解决了管线钢的点蚀问题，因为激光处理后的试样表层产生了一层纯Al层，在空气中氧化生成Al₂O₃，由于铝的电位比铁低，在电化学腐蚀时，铝首先被腐蚀，腐蚀性介质Cl^-离子难与基体Fe元素接触，使得基体材料得到了保护。

实施例2

采用NEL2.5KW快速轴流CO₂激光器，激光热辐射处理工艺步骤为：表面除油→除锈→烘干→激光热辐射；在铝粉中除了加入水玻璃作为粘接剂外，再加入硅酸铝，并按照质量百分比：Al 50%；硅酸铝 20%；水玻璃30%配置，工艺参数为：功率2.5KW，扫描速度2mm/s，光斑直径1.5mm，输出电流为220A，涂刷厚度为0.8mm，辐射时间5min，发现激光热辐射渗铝后无需退火处理，其涂层的表面质量和仅加水玻璃进行激光辐射并经退火处理涂层的表面质量一样良好，如图5、图6所示，能谱分析、X射线图谱和腐蚀后的扫描电镜图同实施例1。