舰船大功率柴油发动机由于服役环境恶劣，经常会出现腐蚀、磨损等损伤，影响发动机的正常工作^[1]。

以某型柴油发动机为例，由于服役时间较长，且工作环境恶劣，导致柴油机机体出现不同形式的腐蚀损伤。其中以柴油发动

机肩胛密封面腐蚀损伤最为突出，该部位腐蚀损伤非常普遍，每个缸体都有不同程度的腐蚀，腐蚀坑多且深，致使每个小修期都要对其进行修复。该处是柴油机机体与缸套之间的密封面，如发生腐蚀，就会导致水腔中的冷却水进入到气体腔中，影响发动机的正常工作。

针对该密封面腐蚀损伤修复有两种方法，一是采用堆焊再加工成形修复方法，该修复方法除了需要堆焊外，还需要一台大型卧式镗床，该方法的技术难点是如何控制焊接变形和第二道肩胛孔镗孔圆心确定。新确定的圆心既要保持与另外两肩胛孔的同轴度，又要使这条轴线与主轴承孔轴线和气缸体上平面相垂直。堆焊加镗床加工的方法虽能解决密封面腐蚀损伤的修复问题，但因堆焊产生的缸体变形而大幅增加了修复难度，提高了维修成本，降低了维修效率。二是采用微脉冲点焊修复方法，虽然该方法能修复密封面处的腐蚀损伤，但由于该技术自身的特点，导致其在实际应用中存在一定的局限性和不足。一方面，单点焊接修复效率低，修复一处密封面需要1~2天，而某舰船共有48个密封面，完成全部密封面的修复则需要2~3个月；另一方面，微脉冲点焊技术的输出电流和输出时间调节范围较小，导致焊接精度不高。同时，还因焊接时瞬时能量较低，使得焊材与基体结合强度不高，影响焊接效果^[2,3]。

类激光堆焊技术是一种高能脉冲精密焊接技术，它使用纯钨或活化钨作为非熔化电极，以氩、氦等惰性气体作为保护气体，采用断续高能电脉冲，在电极和工件间形成瞬时电弧，电弧能量集中，作用时间短，在实现冶金结合的同时，热影响区较小，可有效解决薄壁类零件焊接变形的问题^[4]。该技术修复效率高、堆焊成形好、焊接缺陷少、结合强度高，其焊接效果类似于激光焊，因此被称为类激光堆焊^[5,6]。文中采用类激光堆焊技术在柴油发动机机体材料3C钢上堆焊HS121镍基合金焊丝，对焊接修复层的耐腐蚀性、耐磨损性能和残余应力进行分析和研究。1 材料及方法 1.1 焊接材料

焊接母材为3C钢，焊接丝材为优选的镍基合金焊丝，其化学成分见表 1。

采用DM-DYH200A型多功能高能精密脉冲焊接设备，焊接电流130 A，脉冲频率60 Hz，占空比0.5，焊接速度12 m/min，送丝速度1.5 m/min，保护气体流量5~10 L/min。  1.3 试验方法

将试样沿截面进行线切割制作金相试样，通过超声清洗去除表面油污，先用水砂纸粗磨，再进行机械抛光，采用硝酸酒精溶液腐蚀后通过Olympus PMG3金相显微镜观察显微组织。

将3C钢与类激光焊修复层试样加工尺寸为10 mm×10 mm×5 mm片状，采用硅酮玻璃胶密封试样侧面及连接导线底面，试样工作面积为1 cm²。交流阻抗谱(EIS)测试使用德国ZAHNER IM6e型电化学工作站；采用工作电极、参比电极和辅助电极的三电极体系，即试样电极、饱和甘汞电极和铂电极；利用ZsimpWin软件拟合数据；试样先在3.5%NaCl水溶液中浸泡30 min，待电位稳定后开始测试，参数设定为：温度20 ℃，交流信号扰动幅值5 mV，频率10^-2~10⁵ Hz。

中性盐雾加速腐蚀试验参照GB/T10125-1997进行，将3C钢和堆焊修复层试样加工成尺寸为25 mm×25 mm×4 mm的腐蚀试样，测试截面尺寸为25 mm×25 mm经1 000 号水砂纸打磨，其他非测试面用胶布封装。腐蚀试样放置于腐蚀试验箱V型架上，测试面朝上，与水平方向成30°，且相互之间不能接触。盐溶液用化学纯氯化钠和蒸馏水配制，浓度(质量分数)为5%，温度为(35±2) ℃，溶液的pH值在6.5~7.2 之间。

对试样进行连续500 h连续盐雾试验，结束后将试样在自来水下冲洗5 min，再用适量蒸馏水进行冲洗，用气流干燥去掉水滴，通过扫描电镜观察试样状态。采用化学清洗法去除试样表面的腐蚀产物(用体积分数比为1∶1的盐酸溶液浸泡试样约2 min)后烘干，采用电子分析天平称重，计算试样质量损失及腐蚀速率。

摩擦磨损试验在球-盘式高频往复摩擦磨损试验机上进行。试验条件为：常温(20 °C)、法向载荷(5 N)、频率为(10 Hz)、时间(30 min)、行程(5 mm)等。采用OLS4000型激光三维形貌仪对磨痕三维轮廓进行分析，测量磨痕面积，计算3个试样的平均磨损体积作为磨损量，并结合扫描电镜进行磨痕形貌观察。

利用显微硬度仪测试HS121镍基合金类激光堆焊后试样表层硬度沿试样厚度方向的分布。测试间距0.2 mm，载荷300 g，保荷时间10 s。

采用X-350型X射线应力测定仪对堆焊层表面残余应力进行测试，测定条件：靶材为Cr Kα，衍射晶面(211)，X光管管压25 kV，X光管管流7 mA，准直器直径Φ 2 mm。

2 结果与讨论  2.1 微观组织形貌

图 1给出的是3C钢母材和HS121镍基合金类激光堆焊修复层横截面形貌，可以看出：与3C钢基体相比，HS121镍基合金堆焊修复层组织晶粒较小，且较均匀，未观察到明显的气孔、缩松等焊接缺陷，堆焊质量较好，这对于母材的抗磨损、耐腐蚀性能提高均具有有益作用。

图 1 3C钢和HS121镍基合金类激光堆焊修复层的截面形貌Fig. 1 Cross section morphologies of 3C steel and the HS121 Ni-based alloy coating by the LHPPCR

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3C钢母材和镍基合金类激光堆焊修复层在3.5%NaCl溶液中的极化曲线如图 2所示。3C钢母材和镍基合金类激光堆焊修复层试样的极化曲线形状差别较大，3C钢母材在腐蚀过程中没有明显的钝化特征且腐蚀较快；镍基合金类激光堆焊修复层在自腐蚀电位以上的阳极电流密度随阳极极化电位的升高而未线性增加，而是出现了一个较宽的“平台”区域。这与表面Cr、Ni元素的钝化膜有关。但此平台也并未完全呈水平状态，说明堆焊材料中的Cr、Ni元素的钝化膜并不连续，而是呈现一种堆垛的状态。在平台之后，施加电位继续增大，涂层发生了阳极溶解反应，随后增速降低，发生了钝化反应，直至形成明显的钝化区间(图 2箭头所示)。

运用Tafel极化曲线外推法，计算各个试样的腐蚀电流和开路电位，其中3C钢母材的腐蚀电流和开路电位分别为I_I=2.765×10^-5 A、E_corr(I)=-0.685 V，镍基合金类激光堆焊修复层的腐蚀电流和开路电位分别为I_II =1.324×10^-5 A、E_corr(II)=-0.35 V。这是因为镍基合金堆焊材料中Cr 和Ni 元素含量较高，容易促进金属的钝化，有效阻碍了吸附在试样表面的Cl-进入电极基体内部而参加活化反应，减慢了活化速度，从而提高了合金的自腐蚀电位。3C钢母材在自腐蚀电位以下处于活化状态，且没有钝化区出现，电极表面电流密度随阳极极化电位的升高而快速增加，致使阳极快速溶解。

图 2 3C钢和镍基合金修复层在3.5%NaCl溶液中的极化曲线Fig. 2 Polarization curves of 3C steel and the Ni-based alloy coating with the 3.5% NaCl liquid

图选项

盐雾腐蚀试验结束后，将试样取出，洗去表面的腐蚀产物，烘干，称重，比较腐蚀试验前后试样的质量变化，按公式(1)计算试样在腐蚀介质中的腐蚀速率。式中：v为腐蚀速率(g·h^-1·cm^-2)，m₀为腐蚀试验前的试样质量(g)，m₁为腐蚀试验后的试样质量(g)，S为试样的总面积(cm²)，t为腐蚀试验时间(h)。

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按照上式计算，得到的试验结果如表 2所示。由表可见，3C钢试样在腐蚀介质中的平均腐蚀速率为1.561 6×10^-7g·h^-1·cm^-2，而镍基合金类激光堆焊修复层试样的平均腐蚀速率为0.310 4×10^-7g·h^-1·cm^-2，腐蚀速率仅为母材的19.88%，可见修复后零件的耐腐蚀性能将大幅提高。

图 3和图 4为经过500 h的盐雾腐蚀试验后，3C钢及其镍基合金类激光堆焊修复层表面扫描电镜照片。从图中可以看出，3C钢表面腐蚀严重，属于全面腐蚀，腐蚀产物与基体的接合力很差，部分区域腐蚀产物剥落，裸露出存在腐蚀坑的基体。而通过类激光堆焊技术制备的镍基合金修复层试样仅有部分红色锈迹附着于修复层表面，没有出现严重的腐蚀，可以看到明显的原始加工刀痕。从前面的研究中可以看出，修复层的腐蚀速率仅为3C钢腐蚀速率的19.88%。这是由于在镍基合金修复层中含有Ni、Cr等元素，Cr可以在修复层表面形成致密的Cr₂O₃，阻挡基体与腐蚀气氛的接触。而Ni的存在也可增强对Cl-的抗腐蚀性。因此，通过类激光堆焊技术制备的镍基合金修复层，对含有Cl-的腐蚀环境具有很好的耐蚀效果。

图 3 3C钢腐蚀试样表面形貌Fig. 3 Polarization curves of 3C Surface morphologies of the corrosion 3C steel

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图 4 堆焊修复层腐蚀试样的表面形貌Fig. 4 Surface morphologies of the corrosion Ni-based alloy coating

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表 3为3C钢及其修复层平均磨损体积，从表中可以看出，镍基合金修复层磨痕的长、宽、深及都明显小于3C钢，磨损体积仅为3C钢的37.6%，说明镍基合金类激光堆焊修复层具有较好的耐磨损性能。

图 5分别为载荷5 N 条件下3C钢母材与镍基合金类激光堆焊修复层干摩擦后试样磨痕的三维形貌效果图。由图也可见，镍基合金堆焊修复层磨痕明显小于3C钢母材。

图 5 3C钢母材试样和镍基合类激光堆焊修复层的磨损表面形貌Fig. 5 Worn morphologies of 3C steel and Ni-based alloy coating by LHPPCR

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图 6为3C钢及其镍基合金类激光堆焊修复层摩擦磨损试样磨痕表面扫描电镜照片。从图中可以看出，类激光堆焊修复层磨痕均匀，相对较浅，局部可见少量粘着剥落现象。3C钢的磨痕则相对宽且深，呈现出典型的磨粒磨损特征，出现切削及犁沟形貌。通过磨痕对比，进一步说明了类激光堆焊修复层可有效提高基体的耐磨性能。

图 6 3C钢和HS121镍基合金摩擦磨损后的试样表面形貌Fig. 6 Worn morphologies of 3C the steel and the HS121 Ni-based alloy coating

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最大限度地降低或消除熔化焊接工艺中残余应力，可有效改善焊接结构的抗疲劳性能、抗应力腐蚀性能、屈服强度以及尺寸稳定性，成为焊接领域关注的重点问题^[7,8]。采用X射线应力测试技术，测试了类激光堆焊修复层和普通氩弧焊堆焊修复层试样表面的残余应力，测试结果如图 7所示。由图可见，普通氩弧焊堆焊修复层的残余应力值较大，3个测试点的平均值为213 MPa，而类激光堆焊修复层试样表面的残余应力值较小，最大值为55 MPa，最小值为15 MPa，3个测试点的平均值为35 MPa，仅为普通氩弧焊的16%，这有利于控制修复零件的变形和改善修复层抗疲劳性能。

图 7 修复层表面焊接残余应力分布Fig. 7 Residual stress distribution of the Ni-based alloy coating

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图 8为是镍基合金类激光堆焊修复层试样截面显微硬度分布。从图中可以看出，镍基合金类激光堆焊修复层的显微硬度明显高于3C钢母材，其显微硬度平均值为950 HV左右，而3C钢母材的显微硬度仅为450 HV，提高了近1倍。

图 8 镍基合金修复层截面显微硬度分布Fig. 8 Microhardness distribution of Ni-based alloy coating

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采用研制的自动控制类激光焊接修复系统和HS121镍基合金焊接材料，在舰船修理厂对某型猎潜艇柴油机气缸体肩胛密封面腐蚀损伤进行了焊接修复。图 9给出的是采用类激光焊接修复柴油机气缸体肩胛密封面前后的照片。该方法自动化程度高、操作简单、修复效果好、劳动强度低，深受大修厂工人欢迎，为老旧柴油发动机气缸体肩胛密封面腐蚀损伤修复提供了有效的技术手段。

图 9 类激光焊接修复前后的柴油机气缸体肩胛密封面Fig. 9 Cylinder scapular sealing surface of diesel engine before and after like-laser welding

图选项

(1) 镍基合金类激光堆焊修复层试样的耐腐蚀性能明显优于发动机机体材料3C钢，其自腐蚀电位值较基体3C钢电位正移，自腐蚀电流密度值约为3C钢的1/2，其腐蚀后的表面形貌比3C钢平整，几乎没有出现腐蚀坑，腐蚀速率仅为3C钢的19.88%。

(2) 镍基合金类激光堆焊修复层试样的耐磨性和显微硬度均优于3C钢基体，其相对耐磨性约为3C钢的2.66倍，显微硬度提高近1倍。

(3) 镍基合金类激光堆焊修复层表面残余应力明显低于普通氩弧焊堆焊修复层，只为其16%。