防腐金属的磁场辅助电弧增材制造

供稿人：汪新航、王富 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

目前在石油与天然气工业中，需要一种在高温高压以及强腐蚀的条件下存储石油和天然气的容器。传统最具成本效益的方案是在碳钢和低合金钢上镀耐腐蚀的合金涂层。然而，工业实践证明由于稀释和微偏析，会导致容器金属过早的失效。在磁场环境下的气体保护电弧熔融沉积技术可以有效降低焊接中的微偏析和析出效应进而增强防腐效果。墨西哥国立自治大学F. F. Curiel-López研究团队通过实验研究316L不锈钢在碳钢基板上的熔融沉积效应。

图1 磁场环境下熔化极气体保护焊实验原理图

该实验研究在98%氩气和2%氧气混合气体保护的环境下进行，利用有无磁场作为对比，以X-60钢作为基体，316L不锈钢为涂层金属，原理如图1。 通过研究发现，在有低强度磁场（3-7.5mT）的条件下，熔覆层的几何形状和尺寸没有显着变化变化，然而，相较于无磁场的情况下，热影响区范围会减小，图2表示了四组实验的俯视图与剖面图；无磁场作用时熔融线附近的组织为马氏体和铁素体；有磁场作用时熔融线附近的组织为等轴状铁素体、铁素体，珠光体；有磁场作用时有较好的熔接面，没有磁场作用时熔接面有缺陷，如图3；磁场作用时得到的组织平均显微硬度为214HV，最大显微硬度为380HV；无磁场作用时对应的显微硬度分别为240HV和420HV。

图2 沉积在X60钢板上的316L不锈钢电极焊珠：（a）无磁场，（b）有磁场

图3 （a）有磁场沉积，末端无熔合缺陷（b）无磁场沉积，焊缝末端开裂

通过研究证明磁场辅助条件下，利用电弧增材制造技术将316L不锈钢熔覆在碳钢或者轻合金钢上形成防腐涂层的方法是可行的。在磁场辅助条件下可以使熔融金属温度和合金元素的分布更均匀，从而诱使晶粒细化，减少微偏析，提高材料抗腐蚀性能和寿命，降低成本。
参考文献：

    BA Pichardo-Álvarez、M. Salazar-Martínez、VH López-Morelos 等。 制造科学与工程[J]． 磁场在堆焊层中的应用以提高其在石油和天然气行业的性能，2022 年，144(9)：094501。