在大陸垃圾焚燒發電已逐漸取代傳統的垃圾填埋，成為大陸主要的垃圾處理方式之一，但垃圾焚燒時産生的煙氣與火力發電不同，含有大量的氯化物和硫化物，對鍋爐管的腐蝕遠大于火力發電，常造成鍋爐洩露等事故。為提高鍋爐管的使用壽命，常在管壁外表面堆焊一層耐腐蝕的鎳基合金Inconel625。但常用的TIG/MIG堆焊技術因對基體的熱輸入量過大，導緻堆焊層中Fe稀釋率高達5%~15%，而Fe在熔凝層中的富集會大幅度降低Inconel625合金的高溫耐腐蝕性，且堆焊法的殘餘熱應力很大，大面積熔凝時會造成工件應力場分布極不均勻而導緻翹曲變形，甚至開裂。雷射熔凝技術通過在基體表面以冶金結合的形式熔化凝固功能層，具有稀釋率低、晶粒細小、組織均勻緻密、基體熱影響區小、厚度可控等優點。通過采用雷射熔凝技術在20G表面制備Inconel625熔凝層，保證熔凝層與基材冶金結合的前提下，嚴格控制熔凝層的厚度與稀釋率，對在高溫腐蝕環境下的工件使用壽命有極大地提高。另外，雷射功率與速度不比對時，會在複合層内産生氣孔，Inconel625合金的熔凝工藝熔凝參數對熔凝層的組織和性能有很大影響。
常用的Inconel625合金因硬度較低，在使用過程中無法有效防止煙氣的沖刷腐蝕，使鍋爐管的腐蝕速率加快。而Alloy686在Inconel625的基礎上加入适量的W、Si等元素進行組元間的合金化，生成耐磨硬質相，在滿足耐腐蝕性能的前提下又極大的提高了材料的硬度及其耐磨性能，在雷射增材再制造Ni625和WC複合塗層的WC也能提高耐磨性。且Alloy686合金中含有較多的Mo，而W、Mo因熱導率較高，室溫下分别為173W/(m·K)和138W/(m·K)，是以，該熔凝合金具有較高的熱導率，對提高傳熱效率、降低管排熔凝層表面溫度、提高耐腐蝕性有利。雖然Inconel625和Alloy686兩種鎳基材料在鍋爐管耐腐蝕方面都能滿足使用需求，但一直未廣泛使用的原因是其成本太高，而采用Inconel625去Mo鎳基粉末作為管排的耐腐蝕熔凝層，将Inconel625中價格昂貴的Mo去除來降低成本，但會降低熔凝層的耐腐蝕性能。鑒此，本課題研究在20G表面雷射熔凝Inconel625及其去Mo、Alloy686鎳基合金，通過對熔凝層的微觀組織、力學性能、耐腐蝕性能的比較，來尋求3種鎳基合金粉末的最佳使用條件。
【試驗材料與方法】
采用Laser-6000W型雷射器進行雷射熔凝，基材為 200 mm×150 mm×12 mm的20G鋼闆，熔凝材料為Inconel625、Inconel625去Mo、Alloy686等3種高溫鎳基合金氣霧化球形粉末，圖1為3種合金粉末的粒度及形貌。化學成分見表1。從圖1a和圖1c看出，Inconel625與Alloy686粉末尺寸都在45～135μm之間，而Inconel625去Mo粉末的尺寸稍大為70~150μm見圖1b。對單顆粉末表面進行觀察，發現表面存在粘附的衛星粉末及不平凸起，特别是Alloy686粉末中存在非球形粉，見圖1c，這類粉末的存在在一定程度上影響了合金流動性及成形品質，存在潛在的缺陷。
對20G鋼闆進行超聲清洗，用無水乙醇擦洗并幹燥。将粉末置于真空幹燥箱内在140 ℃幹燥2 h。采用氩氣作為載流氣體和保護氣，載流氣為4LPM。雷射器焦距WDH=278 mm，圓形光斑直徑為4.0mm，搭接率為67.5%。通過工藝參數試驗，獲得無裂紋、氣孔等缺陷的熔凝層。
(a)Inconel625 (b)Inconel625去Mo (c)Alloy686
圖1粉末粒度及形貌
用線切割沿垂直于雷射頭運動方向截取試樣，得到10mm×10mm×13mm熔凝層試樣，試樣打磨抛光後，利用HXD-1000TMC/LCD顯微硬度計測量試樣橫截面顯微硬度，加載載荷為2N，保壓時間為10s；利用MTS拉伸測試機測試熔凝試樣的抗拉強度，拉伸試樣的尺寸見圖2。采用模拟腐蝕環境的熔鹽腐蝕法，将熔凝層用電火花線切割機切出20mm×10mm×3mm的試樣，放置在ZnCl2、KCl、CaCl2、Na2SO4品質比為2:2:3:3鹽粉末中并在550℃的馬弗爐中保溫360h，腐蝕後使用解膠劑浸泡并超音波清洗去除腐蝕試樣表面粘結的雜質，測量腐蝕前後的失重率，每種熔凝層取3個試樣平均值，腐蝕結果見表2。利用HITACHI S3400N掃描電子顯微鏡測試熔凝層的厚度、Fe稀釋率、拉伸試樣的斷口形貌和腐蝕試樣的腐蝕形貌特征。并采用10%的高氯酸乙醇溶液進行電解抛光，電壓為20V，電解時間為20s，進行EBSD測試，觀察熔凝層中晶粒的大小及取向。
圖2 拉伸試樣尺寸
【圖文結果】
Inconel625和Inconel625去Mo合金粉末所需的能量密度相近，Alloy686合金粉末因含有較高的W、Mo等高熔點元素，其熔化過程中所需的能量密度最高。Inconel625去Mo熔凝層與基材結合處Fe稀釋率過渡小，需提高功率；Alloy686熔凝層中Fe的稀釋率較高，需降低功率。
Inconel625、Inconel625去Mo合金和Alloy686鎳基合金熔凝層均為面心立方結構，晶粒生長擇優取向為<001>。其中Inconel625的晶粒更集中偏向<001>方向，其次是Inconel625去Mo的晶粒，Alloy686的晶粒雖有部分偏向于<101>方向，但主要方向還是<001>方向且晶粒大小較均勻。
Inconel625合金熔凝層的硬度（HV）為268.1，Inconel625去Mo熔凝層硬度(HV)為246.5，Alloy686熔凝層硬度(HV)為362.1，比Inconel625熔凝層硬度提高35.6%。拉伸測試中發現，Inconel625、Inconel625去Mo、Alloy686熔凝層試樣的抗拉強度分别比基體高19.9%、29.5%、33.5%，但Alloy686熔凝層試樣的伸長率隻有10.8%，遠低于基體（30%）。
550℃高溫腐蝕時，Inconel625熔凝層、Inconel625去Mo熔凝層和Alloy686熔凝層的失重率分别是9.75%、32.02%和8.43%，Inconel625去Mo熔凝層腐蝕凹坑很大。Inconel625和Alloy686熔凝層的耐腐蝕性能好，滿足鍋爐管的使用工況。
(a)Inconel625熔凝層(b)Inconel625去Mo熔凝層 (c)Alloy686熔凝層
圖3熔凝層宏觀形貌
(a)Inconel625熔凝層 (b)Inconel625去Mo熔凝層 (c)Alloy686熔凝層
圖4熔凝層着色探傷
(a)Inconel625熔凝層 (b)Inconel625去Mo熔凝層 (c)Alloy686熔凝層
圖5熔凝層中Fe的稀釋率
(a)晶粒 (b)晶粒取向
圖6 Inconel625熔凝層EBSD晶粒及晶粒取向
(a)晶粒 (b)晶粒取向
圖7 Inconel625去Mo熔凝層EBSD晶粒及晶粒取向
(a)晶粒 (b)晶粒取向
圖8 Alloy686熔凝層EBSD晶粒及晶粒取向
圖9熔凝層硬度
(a)Inconel625熔凝層 (b)Inconel625去Mo熔凝層 (c)Alloy686熔凝層
(a)20G基材(b)Inconel625 (c)Inconel625去Mo (d)Alloy686
圖10Inconel625及其去Mo和Alloy686鎳基合金應力-應變曲線
(a)20G基材 (b)Inconel625 (c)Inconel625去Mo (d)Alloy686
圖11Inconel625及其去Mo和Alloy686鎳基合金拉伸試樣斷口形貌
（a）試樣SEM（b）圖a方框放大（c）Ni（d）Cr（e）Mo（f）Nb
圖12 Inconel625合金試樣腐蝕形貌及成分分布
（a）試樣SEM （b）圖a方框處放大（c）Ni（d）Cr（e）Nb
圖13Inconel625去Mo熔凝層試樣腐蝕形貌及成分分布
（a）試樣SEM （b）圖a方框處放大(c)Ni(d)Cr(e)Mo(f)W
圖14熔凝層腐蝕形貌及成分面掃分布
【文獻資訊】
王進才,霍曉陽,李雷,等.Inconel625及其去Mo和Alloy686粉末雷射熔凝性能研究[J].特種鑄造及有色合金,2022,42(10):1248-1254.
WANG J C,HUO X Y,LI L,et al.Laser melting solidification properties of Inconel625,Mo free Inconel625 and alloy686 powders[J].SpecialCasting & Nonferrous Alloys,2022,42(10):1248-1254.