JMEPEG (2014) 23:4463–4471 ASM International

DOI: 10.1007/s11665-014-1244-9 1059-9495/$19.00

Cobalt-Free Laser Cladding on AISI Type 316L Stainless Steel for Improved Cavitation and Slurry Erosion Wear Behavior

C.P. Paul, B.K. Gandhi, P. Bhargava, D.K. Dwivedi, and L.M. Kukreja

(Submitted June 19, 2014; in revised form August 16, 2014; published online September 30, 2014)

Laser cladding of Colmonoy-5 (a nickel base alloy) and Metco-41C (an iron base alloy) on AISI type 316L stainless steel (SS316L) and their wear behaviors were investigated to establish Co-free clad layers for potential applications in nuclear industry. A 3.5 kW CO₂ laser-based system was used to optimize the laser cladding on SS316L substrate. The observed optimum parameters were: laser power of 1.6 kW, scan speed of 0.6 m/min, and powder feed rate of 8 g/min with 60% overlapping. The microstructure studies revealed that the clad layers primarily comprise very fine columnar dendritic structures, while clad-substrate interface exhibited planar and non-epitaxial mode of solidification due to high cooling rates. The cavitation and slurry erosion behaviors of laser clad layers were also compared to that of Stellite-6 for potential direct replacement. The cavitation erosion resistance was improved by a factor of 1.6, 3.7, and 4.1, while the slurry erosion resistances at an impingement angle of 30L were 1.5, 4.8, and 1.8 times better for laser clad surfaces of Colmonoy-5, Metco-41C, and Stellite-6, respectively, as compared to that of bare SS316L substrate. The study demonstrated that Metco-41C is a better choice as Co-free clad material for potential nuclear applications.

Keywords cavitation erosion, Co-free laser cladding, Colmonoy-5, Metco-41C, slurry erosion

1. Introduction

Among various techniques employed for improving the performance against wear and corrosion, laser cladding has been exceptional as it allows wide variation in materials from soft to very hard material including dissimilar materials. Moreover, the lower heat input and smaller grain structure due to rapid cooling enabled laser cladding to provide a superior solution to various industries involved in metallic coating, high-value components repair, prototyping, and low-volume manufacturing (Ref 1). Laser cladding utilizes a laser heat source to melt and deposit a thin layer of a desired metal on a moving substrate. The material to be deposited can be fed to the substrate by powder injection, or as pre-placed powder on the substrate, or by wire feeding. The powder injection is preferred due to flexibility in processing of any geometry and easy availability of the feed material in the form of powder. As described by Toyserkani et al., powder injection-based laser cladding has been used to form defect-free layers of metals/

C.P. Paul, P. Bhargava, and L.M. Kukreja, Laser Materials Processing Division, Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, PO: RRCAT, Indore 452 013 MP, India; and B.K. Gandhi and D.K. Dwivedi, Department of Mechanical and Industrial Engineering, Indian Institute of Technology, Roorkee 247667 Uttarakhand, India. Contact e-mails: paulcp@rrcat.gov.in and dicppaul@gmail.com.

alloys/metal matrix composites to protect from erosion, wear, oxidation, and heat with thicknesses ranging from 0.05 to 2 mm and widths as narrow as 0.4 mm (Ref 2). Currently, Co-based cladding/coating is being used to obtain the required wear resistance of primary heat transport components (main-ly—pumps and valves) of many nuclear reactors. However, Co is an undesirable element in a nuclear environment due to induced radioactivity. There are published literature (Ref 3-9) reporting evasion of Co-based cladding and deployment of Ni-based cladding using conventional processes. Since the most of the components of these reactors are made of variety of steels, the cladding of Fe-based alloy is the most suitable choice for these applications. There have been numerous studies addressing the abrasion wear of these claddings (Ref 10-17), a comprehensive study addressing the cavitation and slurry erosion behavior of laser clad samples of Ni-based alloy lsquo;lsquo;Colmonoy-5rsquo;rsquo; and Fe-based alloy lsquo;lsquo;Metco-41Crsquo;rsquo; is not available in literature. This paper presents a study on the development of laser cladding of Colmonoy-5 and Metco-41C on AISI type 316L stainless steel substrate and the performance evaluation of these clads against cavitation and slurry erosion. In the study, the process parameters for developing defect-free clad layers of Colmonoy-5 and Metco-41C-based alloys were experimentally identified. The cavitation and slurry erosion behavior of substrate and clad surfaces were studied using vibratory horn test rig and pot tester, respectively. The study of clad surface of the most commonly used Co-based alloy lsquo;lsquo;Stellite-6rsquo;rsquo; had been taken for comparison. It was observed that the cavitation and slurry erosion resistance of laser claddings of Metco-41C and Colmonoy-5 were higher than that of the substrate, whereas among these clad materials Metco-41C showed superior cavitation and slurry erosion resistance.

Journal of Materials Engineering and Performance Volume 23(12) December 2014—4463

2. Experimental Details

2.1 Laser Cladding Setup

The experiments were carried out using an indigenously developed CO₂ laser cladding setup at Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, Indore, India. The setup consisted of 3.5 kW continuous wave CO₂ laser system, integrated with a beam delivery system, coaxial powder feeding system, and a five axis workstation (Ref 18). Figure 1 presents the schematic arrangement of laser cladding setup used for the experiments. The CO₂ l

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AISI 316L不锈钢的无钴激光熔覆层改善气蚀和浆料冲蚀磨损

C.P.Paul,B.K.Gandhi,P.Bhargava,D.K.Dwivedi,and L.M.Kukreja

(Submitted June 19,2014;in revised form August 16,2014;published online September 30,2014)

本文研究了在AISI型316L不锈钢（SS316L）上的Colmonoy-5（一种镍基合金）和Metco-41C（一种铁基合金）的激光熔覆层及其磨损行为，以建立用于核工业的潜在应用的无钴熔覆层。一个3.5千瓦的CO₂激光系统被用来优化SS316L衬底上的激光熔覆。观察到的最佳参数是：1.6kW的激光功率，0.6m/min的扫描速度和8g/min的粉末进料速率，重叠60％。显微组织研究表明，由于高冷却速率，包层主要包括非常细的柱状树枝状结构，而包层-基底界面呈现平面和非外延固化模式。还将激光熔覆层的空化和浆料侵蚀行为与Stellite-6的潜在直接替代进行了比较。Colomonoy-5，Metco-41C等激光熔覆表面的抗空蚀性能提高1.6倍，3.7倍和4.1倍，而30L冲击角下的浆料侵蚀能力分别提高1.5倍，4.8倍和1.8倍。Colomonoy-5，Metco-41C 和Stellite-6分别与裸露的SS316L基材相比。该研究表明，对于潜在的核应用来说，Metco-41C是一种更好的无钴复合材料选择。

1.介绍

在各种用于提高抗磨损和腐蚀性能的技术中，激光熔覆技术是非常优秀的，因为它允许从软材料到非常硬材料（包括不同材料）的材料变化很大。此外，由于快速冷却，较低的热量输入和较小的晶粒结构使得激光熔覆能够为涉及金属涂层，高价值元件修复，原型制造和小批量制造的各个行业提供出色的解决方案（参考文献1）。

激光熔覆利用激光热源在移动的衬底上熔化并沉积所需金属的薄层。待沉积的材料可以通过粉末注射或者作为预先放置在基底上的粉末或者通过送丝来馈送到基底。粉末注射是优选的，因为处理任何几何形状的灵活性和粉末形式的进料材料的易获得性。如Toyserkani等人所述，基于粉末注射的激光熔覆已被用于形成无缺陷的金属层/合金/金属基复合材料，以防腐蚀，磨损，氧化和加热，厚度范围从0.05到2毫米，宽度只有0.4毫米（参考文献2）。

目前，正在使用基于钴的包层/涂层来获得许多核反应堆的主要热传输部件（主泵和阀门）的所需耐磨性。然而，由于放射性的诱导，钴在核环境中是不受欢迎的元素。已发表的文献（参考文献3-9）报告了使用传统工艺避开Co基覆层和部署Ni基覆层。由于这些反应堆的大部分组件都是由各种钢材制成的，因此铁基合金的覆层是这些应用的最佳选择。已经有许多研究解决了这些包层的磨损（参考文献10-17），这是一项综合研究，涉及Ni基合金“Colmonoy-5”和Fe基合金激光熔覆样品的气蚀和浆料侵蚀行为“Metco-41C”在文献中不可用。

本文介绍了AISI 316L不锈钢基体上Colmonoy-5和Metco-41C激光熔覆层的发展情况以及这些熔覆层对气蚀和浆体侵蚀的性能评估。在该研究中，用于开发Colmonoy-5和Metco-41C基合金的无缺陷包覆层的工艺参数通过实验确定。利用振动喇叭试验台和盆式试验机分别研究了基体和包层表面的空化和浆体侵蚀行为。对最常用的钴基合金“Stellite-6”的包覆表面进行了研究，以作比较。据观察，Metco-41C和Colmonoy-5的激光熔覆层的气蚀和浆料耐腐蚀性高于基材，而在这些熔覆材料Metco-41C中，其表现出优异的气蚀和浆料抗侵蚀性。

2.实验细节

2.1激光熔覆设置

该实验使用印度Indore的Raja Ramanna先进技术中心自行开发的CO₂激光熔覆装置进行。该装置包括3.5 kW连续波CO₂激光系统，集成了光束传输系统，同轴粉末供料系统和五轴工作站（参考文献18）。图1给出了用于实验的激光熔覆装置的示意性布置。CO₂激光束通过水冷反射光学系统转向光束，转移到5轴CNC工作站。使用曲率半径为600mm，倾角约为22L的曲面镜将激光束聚焦在激光工作站，并在激光熔覆的制造点输送直径约为1.2mm的散焦光束。使用氩气作为屏蔽和载气。本土开发的同轴粉末加料系统能够以2-30克/分钟的速度均匀地供应金属粉末，并且粉末流的大小约为2毫米。

2.2空蚀和泥浆侵蚀设置

图2（a）显示了振动角空穴侵蚀设置的示意图。它由三个核心元素组成，即电源，控制器，转换器和喇叭。电源将交流线路电压转换为20kHz电能。该高频电能被馈送到转换器（锆钛酸铅（Pb[Zr_xTi_1x]O₃，0pound;xpound;1）电致伸缩元件），其在受到交流电压时膨胀/收缩。转换器沿纵向振动，并将此运动传递给浸入溶液中的变幅杆，引起气蚀。溶液中的微小空穴的内爆导致介质中分子的剧烈搅动。可以施加通过喇叭传输的超声波振动

直接连接到一个坚固的工件上，如磨损试件，通过各种不同的尖端可以连接到喇叭。随着喇叭表面的负载或压力的增加，电源为任何给定的输出控制设置提供了更多的功率来保持振幅。当喇叭运行时，它受到最小压力，并且需要最小功率来保持振幅。隔音罩将超声波处理产生的机械噪音降至最低。坚固的橱柜内衬防水，消音材料。

图2（b）给出了用于比较不同包层材料的浆料侵蚀磨损的实验装置。如Desale等人所描述的，它由圆柱形罐组成有四个全长挡板，轴插入其底部固定螺旋桨（参考文献19）。每个挡板都是25毫米9 10毫米大小，并沿着圆柱体周边内的两个正交直径平面以较大尺寸放置。如示意图所示，使用两个轴承来支撑旋转轴，并且设置油封以防止水从罐底泄漏。轴通过皮带轮驱动以0.75kW的直流电机以不同的速度旋转。使用非接触式转速计来测量螺旋桨的速度。测试夹具分开安装180L以平衡动态力和最小的尾流干扰。开槽角板固定在臂上，以使测试夹具在0L-90L范围内（以15L为单位）与切向旋转方向成任意角度。夹具由经过热处理的高铬高碳钢制成。将尺寸为30mm 9 5mm 9 2mm的磨损试样胶粘在夹具槽内以与其平坦侵蚀表面齐平。在将磨损试样固定在夹具中时，确保磨损试样的顶部表面和夹具的表面应位于同一平面内。预计该装置将有助于将磨损试样定位在夹具的倾斜角度以便与悬浮的固体颗粒碰撞。测试夹具沿与螺旋桨旋转方向相反的方向旋转以最小化旋转运动效果。由于测试样本和夹持臂扫过的体积与总体积体积相比非常小，并且它们沿与螺旋桨旋转相反的方向旋转，因此假设测试样本的旋转不会导致大量干扰在锅内的流动条件下。

2.3材料

由于目前的研究旨在在AISI 316L不锈钢（SS-316L）上铺设合适的无Co层，并评估其抗气蚀和浆料侵蚀的性能，选择了两种无钴材料（Metco-41C和Colmonoy-5）。 Metco-41C是一种奥氏体镍铬不锈钢粉末。它已被广泛用于通过热喷涂来开发抗腐蚀和抗侵蚀表面。它含有钼以抵抗氯化物环境中的点蚀和缝隙腐蚀，并且还具有高抗冲击性和抗拉强度（参考文献20）。 Colmonoy-5是一种Ni-Cr-B-Si-C合金，具有优异的抗磨损和粘着磨损性，耐腐蚀和耐高温氧化。它广泛应用于火力发电厂，化学工业，核反应堆和食品加工工业（参考文献21）。 Stellite-6是各种工业应用中最常用的表面硬化材料之一（参考文献22）。表1和表2列出了材料的化学组成和物理性质，分别。如图3（a）和（b）所示，使用扫描电子显微镜（SEM）研究粉末的尺寸和形状。通过水雾化处理的Metco-41C粉末具有不规则的形状，而Colmonoy-5粉末具有不规则的块状形状。粉末颗粒的大小在45-106lm的范围内。这两种粉末材料的硬度高于基底材料的硬度，因此可能通过包层改善表面性能。

3.实验程序和数据分析

3.1激光熔覆实验

综合激光熔覆实验计划分两步进行（a）试验性实验和（b）最终实验。首先，进行了中试实验以研究各种处理参数对单个和多个单元的影响

重叠曲目。通过试验性实验评估了许多处理参数的效果，如激光功率，扫描速度，粉末进料速率和氩气流速。表3列出了用于实验的处理参数的范围。由于实际/实验的限制，其他参数如离开距离，激光束斑点直径和粉末粒度范围保持恒定。针对从中试实验结果中选择的处理参数进行最终实验。使用10mm厚的SS-316L钢板作为激光熔覆实验的基材。首先对基板进行喷砂处理并依次用丙酮和去离子水清洗以去除表面污染物。在开始包覆之前，粉末进料器和同轴喷嘴通过称量Colmonoy-5，Metco-41C和Stellite-6粉末在不同流速下在已知时间段内收集的粉末进行校准。由于Colmonoy-5容易开裂，缓慢冷却是获得无裂纹包层表面的先决条件。因此，SS-316L钢基材在包层过程中在673LK的高温下保持在砂浴上以减少沉积期间包层轨道的开裂（参考文献23）。选择673LK的温度是为了适应与激光熔覆相关的适当加热和冷却速率的要求，同时避免可能在773-1073LK的温度范围内发生的奥氏体钢衬底的敏化。包层后，将包层试样埋在同一个沙浴中，并在8 h内缓慢冷却。其他材料，即Metco-41C和Stellite-6，在室温下没有沙浴沉积。

3.2样品制备和显微分析

使用金刚石切割器（Make：Buehler#39;s Precision Diamond Saw，型号ISOMET 1000，USA）将单程包覆样品横切包覆轨道切割。使用树脂冷却安装包层样品的切割部分。安装的样品在研磨机和抛光机上进行抛光。研磨和抛光用金刚砂纸（粒度在180和1000之间）进行。准备好的样品最后用1lm大小的钻石膏用天鹅绒布抛光。然后用丙酮冲洗样本并在热空气中干燥。用组成为：Glysorol（3份），HCl（2-3份）和HNO 3（1份）的蚀刻剂对Colomnoy-5包覆样品进行40-50s的蚀刻，同时对Metco-41C包层样品进行电解蚀刻10％草酸水溶液，在2-6 V DC下进行10-15秒的微观结构研究。通过与成像软件Zeiss Axio Vision Release 4.1，Germany接口的倒置光学显微镜（Zeiss Axiovert 200 MAT）检查包层轨道的几何形状。为了测量稀释度，使用Axio Vision Release 4.1软件确定包层轨道的包层宽度，包层高度和熔体深度的几何构型。

使用能量色散X射线（EDAX）分析和扫描电子显微镜（SEM）分析来检查包层表面形态。沿着它们的横截面进行重叠包覆试样的EDAX分析。沿显微硬度测量点进行分析以评估界面处的化学组成。

3.3显微硬度测量

通过显微硬度测试仪在0.981N负载下测量重叠包覆轨道的显微硬度。在包层的抛光表面施加30s的载荷。维氏硬度测量的压痕是在距衬底材料部分到包层表面顶部50微米距离处进行的。

3.4空化侵蚀测试

根据ASTM G32标准（参考文献24），使用超声空化试验台（参见图2a）进行空蚀试验。振动频率和峰峰幅度分别为20kHz和50lm。在25plusmn;2LC的恒定温度下，在蒸馏水中对衬底SS-316L和激光熔渣（Stellite-6，Colmonoy-5和Metco-41C）进行空蚀试验。喇叭口和试样之间的距离保持为0.5mm。使用精确称量机（最少计数= 0.1mg）以30分钟的规则时间间隔测量样品的重量。材料损失用单位为米的平均侵蚀深度（MDE）表示。 MDE用公式1计算

公式1

其中表示重量损失（g），A表示受到气蚀的样品的面积（cm²），rho;是样品的密度（g/cm3）。

3.5泥浆侵蚀测试

浆料侵蚀试样是通过加工覆盖层和基体制备的。加工包覆层以除去波纹和半熔化的粉末颗粒，同时对基材进行机械加工以使样品的总厚度为2mm。由此，切割尺寸为30mmtimes;9mm的磨损试样。使用金刚砂纸（磨粒尺寸1000）对包层试样进行抛光以使所有磨损试样达到相同的条件。样品用自来水清洗，用丙酮冲洗，每次测试前后用热风机吹干。用电子天平测量每次测试后磨损试样的质量损失（最少计数0.1mg）。对20％重量浓度的固液混合物进行泥浆侵蚀测试。通过将固体颗粒在水中混合来制备固液混合物。将预定量的沙子首先倒入锅中，然后通过收紧丙烯酸盖将其关闭。然后通过盖子顶部的孔加入已知量的水，以完全填满锅。然后使螺旋桨轴以340rpm的悬浮速度以下泵模式旋转，预定该悬浮速度以实现锅中固体的几乎均匀分布（参考文献19）。试样以与螺旋桨相反的方向以404rpm旋转以获得3m/s的平均圆周速度。

通过非接触式转速计监测轴的速度。 对于每个磨损测试，在已知时间段内分别测量两个磨损样本中的每一个的质量损失，并且使用两个样本的平均质量损失值来使用公式2

公式2

其中体积固体浓度

公式3

E_W表示侵蚀磨损指数（g/g固体），W_L是平均质量损失（g），rho;s是固体颗粒的质量密度（g/cm³），A_SP是磨损试样的表面积（cm² ），C_W是固体重量浓度（分数），V_SP是磨损样品的周边速度（cm/s），T是实验的持续时间（s），alpha;是特定人和浆液的流动方向（°）。

4.结果和讨论

4.1工艺参数的优化

试验实验表明，有四个主要的处理参数来定义单个轨道的形状和大小。这些是激光功率，光斑直径，扫描速度和粉末进给速率。这些参数被组合成等式4和5中定义的两个有效参数：

公式4

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