双相不锈钢带极电渣堆焊层的成分/组织调控及在海水中的空蚀-腐蚀联合损伤机制

The hydraulic components suffer cavitation erosion and corrosion in marine environment. Surfacing is one of the sufficient methods to enhance and repair the marine components. Duplex stainless steel (DSS) is a promising surfacing material to against cavitation erosion-corrosion. Because of the high deposition rate, low dilution rate and excellent moldability, electroslag strip cladding is an effective surfacing method. The present study intends to investigate the metallurgical behavior of the slag pond of electroslag cladding, establish a transfer model of alloying elements and control the composition of the DSS surfacing layer; The microstructure of DSS surfacing layer is further modified by surface induction heat treatment, and the correlation among chemical compositions, microstructure and mechanical properties, including hardness, strength, ductility and rebound elasticity will be also revealed; Researches on the cavitation erosion-corrosion of DSS surfacing layers with different compositions and microstructures will be conducted. The cavitation erosion-corrosion synergy, electrode process, initiation and propagation of the cracks and the surface microstructure and mechanical properties change will be mainly analyzed. The correlation between cavitation erosion behavior and the above mechanical property will be built, the effect of chemical composition and microstructure on the cavitation erosion-corrosion behavior will be obtained, and the cavitation erosion-corrosion synergism and the failure mechanism will be revealed. This study will deepen the understanding of cavitation erosion-corrosion synergy mechanism, and will also provide theoretical guidance for the practical application of DSS electroslag strip cladding on marine components.

海洋环境中过流部件面临腐蚀和空蚀问题，表面堆焊是强化和修复过流部件的重要方法之一。双相不锈钢是一种优异的耐海水空蚀-腐蚀材料，带极电渣堆焊具有熔敷率高、稀释率低、成型性好等特点，是制备双相不锈钢堆焊层的有效方法。本项目拟通过研究带极电渣堆焊渣池的冶金行为，建立合金元素的过渡模型，调控双相不锈钢堆焊层的化学成分；采用表面感应热处理调控堆焊层的显微组织，建立成分、组织与硬度、强度、韧性和回弹性等力学性能之间的关系；研究不同化学成分和显微组织堆焊层的空蚀-腐蚀行为，分析空蚀-腐蚀联合作用分量、腐蚀电极反应过程、空蚀裂纹萌生和扩展方式以及近表面组织和力学性能变化，建立堆焊层上述力学性能与空蚀性能之间的关系，总结成分和组织对空蚀-腐蚀行为的影响规律，揭示空蚀-腐蚀联合作用机理和损伤机制。项目研究可深化对空蚀-腐蚀联合作用机理的理解，并为双相不锈钢带极电渣堆焊在过流部件的实际应用提供理论指导。

空蚀-冲蚀-腐蚀是过流部件在海水等腐蚀介质中表面产生的局部损伤，利用双相不锈钢（DSS）对过流部件表面进行堆焊改性或对被损伤的表面进行修复，既能减少成本，又能获得DSS优良的综合性能。本项目（1）运用热力学分析了电渣堆焊过程中，烧结焊剂中添加Ti、Nb、Mo等合金元素的过渡系数及其在渣池中的冶金反应，各合金元素过渡系数之间的相互影响，研究了Ti、Nb、Mo对熔敷金属耐腐蚀性能的影响。（2）设计了一种Mn-N型堆焊DSS，研究了DSS堆焊层的相比例和耐腐蚀性能关系，探讨了铁素体和奥氏体对腐蚀/空蚀的影响。锰氮提高了Md50/30温度，增在了加工硬化倾向，不同Mn/N比例的堆焊层的空蚀/腐蚀的交互失重占比不同。（3）研究了Co元素在DSS中的作用。Co元素可以使奥氏体的形貌由方向各异的柱状晶+枝状晶变为网状结构，Co元素会与Cr、Mo元素产生交互作用，促进富Cr、Mo的金属间化合物析出。Co元素可以使钝化膜发生二次钝化，增强钝化膜耐还原溶解的能力，升高点蚀电位。空泡溃灭所带来的冲击能会阻碍钝化膜的生成，致使试样表面初期就出现大量点蚀坑，促使了空蚀裂纹的萌生。Co元素引起的网状奥氏体相能阻碍空蚀裂纹的扩展。（4）设计了一种含Nb的中层错能DSS堆焊层，研究了该堆焊层的组织与腐蚀-空蚀行为，热处理对组织与腐蚀-空蚀行为的影响，不同状态下DSS堆焊层的力学性能、腐蚀行为以及腐蚀-空蚀行为。结合局部应变疲劳理论、线性损伤累计理论和n重伯努利试验模型，提出了疲劳裂纹在材料中萌生所需的最小空泡冲击数的计算方法与空蚀孕育期的预测方法，预测的空蚀孕育期的最大相对误差为8.1%，平均相对误差为4.3%。（5）研究了感应处理对三种高Mn、N低Ni DSS堆焊层的显微组织、硬度、电化学性能、耐点蚀性能和空蚀-腐蚀行为的影响，分析了不同状态下DSS堆焊层的空蚀-腐蚀行为。（6）设计了一种利用时效过程中析出的富Cu相产生沉淀强化堆焊DSS。研究了堆焊层显微组织演变、腐蚀性能和空蚀-腐蚀之间的关系。