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激光熔覆修复加氢反应器的断裂韧性分布评估：基于球形压痕试验的研究

第一作者及机构
本研究的通讯作者为Xiaochao Liu（东南大学机械工程学院），合作者包括Tairui Zhang、Rutai Yue（东南大学）、Xin Ma、Zhiqiang Ge（江苏省特种设备安全监督检验研究院）以及Alexander Kren（白俄罗斯国家科学院应用物理研究所）。研究成果发表于期刊*Theoretical and Applied Fracture Mechanics*，2025年5月23日在线发表，卷139，文章编号105013。

学术背景

研究领域与动机
加氢反应器是石油炼化与化工领域的核心设备，长期在高温（300–500°C）、高压（10–30 MPa）及富氢环境下运行，易因氢脆、回火脆性等损伤累积导致失效。传统电弧焊修复会因热影响区（HAZ）宽、残余应力大等问题影响修复质量，而激光熔覆修复（Laser Cladding Repairing）凭借高能量密度、窄HAZ（0.1–0.5 mm）等优势，成为更优选择。然而，修复质量受工艺参数、材料老化等因素影响，亟需一种原位评估方法以保障修复后设备的可靠性。

科学问题
传统断裂韧性测试（如CT、SENB）需破坏性取样，无法实现局部区域（如熔覆区、界面）的精准评估。球形压痕试验（Spherical Indentation Tests, SITs）作为一种近无损方法，有望解决这一问题，但现有模型未考虑修复试样的韧脆转变特性和初始损伤，导致预测偏差。

研究目标
1. 验证SITs预测激光熔覆修复试样断裂韧性分布的可行性；
2. 对比不同断裂准则（临界应力-应变准则、损伤变量准则、能量释放率模型）的适用性；
3. 探究工艺参数和基体老化对断裂韧性分布的影响。

研究流程与方法

1. 实验材料与修复工艺

• 基体材料：锻造退火态2.25Cr1Mo钢（加氢反应器常用材料）；熔覆材料为CrMo合金粉末（粒径53–150 μm）。
  
• 正交实验设计：9组工艺参数（激光功率5–7 kW、送粉率20–40 g/min、扫描速度500–1500 mm/min），优化后确定最佳参数（5 kW, 30 g/min, 1000 mm/min）。
  
• 老化模拟：通过步冷试验（Step-Cooling Test，依据ASME BPVC标准）模拟长期服役后的材料老化，对比新旧基体修复效果。
  

2. 力学性能测试

• 常规测试：
  
  • 拉伸试验：获取屈服强度（Rp0.2）、抗拉强度（Rm）；
    
  • 断裂韧性测试：紧凑拉伸（CT）试样测定KIC，绘制J-R曲线。
    
• SITs测试：
  
  • 设备：自主研发便携式压痕仪PIIT-1000，钨 carbide球形压头（半径0.725 mm）；
    
  • 流程：8次循环加载-卸载，最大压深0.08 mm，采集载荷-位移曲线；
    
  • 数据处理：通过临界应力（800 MPa）、临界应变（12%）、损伤变量（Dc=0.2）等准则计算断裂韧性。
    

3. 微观结构分析

• 金相观察：分析熔覆区、界面、HAZ的显微组织（如马氏体、贝氏体含量）；
  
• SEM断口分析：对比不同区域的韧窝（Ductile Dimples）与解理（Cleavage）特征。
  

主要结果

1. 断裂准则对比

   • 临界应力-应变准则：最能反映修复试样的韧脆转变。例如：
     
     • 熔覆区中部（韧性主导）：断裂韧性由临界应变控制（KIC≈180 MPa·m^0.5）；
       
     • 界面区（脆性主导）：由临界应力控制（KIC≈20 MPa·m^0.5），因快速冷却形成硬化相。
       
   • 损伤变量与能量释放率模型：因忽略初始损伤和韧脆转变，预测值偏高（如界面区KIC被高估50%以上）。
     

2. 工艺参数影响

   • 最佳参数（SP-5）下熔覆区KIC最高（≈200 MPa·m^0.5），但界面仍为薄弱环节（KIC≈18 MPa·m^0.5）；
     
   • 扫描速度过高（1500 mm/min）导致界面裂纹（如SP-2）。
     

3. 老化效应

   • 老化基体修复后，熔覆区KIC变化不显著，但界面韧性提升（如SP-8的KIC提高2–3倍），因老化促进铁素体形成。
     

结论与价值

1. 科学价值

   • 提出SITs结合临界应力-应变准则，可精准表征修复试样的局部断裂韧性分布，弥补传统破坏性测试的不足；
     
   • 揭示激光熔覆修复中界面韧脆转变的微观机制（硬化相与初始损伤）。
     

2. 应用价值

   • 为加氢反应器修复质量的原位评估提供技术支撑，避免非保守性安全评估；
     
   • 指导工艺优化（如SP-8参数可优先提升界面性能）。
     

研究亮点

1. 方法创新：首次将SITs应用于激光熔覆修复试样的断裂韧性分布评估，并验证临界应力-应变准则的优越性；
   
2. 发现创新：明确界面为修复试样的最薄弱区域，且老化基体修复后界面韧性可能反升；
   
3. 工程意义：通过局部性能映射，为修复策略优化（如针对性强化界面）提供依据。
   

其他有价值内容

• 数据可用性：研究数据可通过请求获取，支持后续研究验证；
  
• 合作网络：跨国合作（中-白俄罗斯）结合了东南大学的工艺优化经验与白俄罗斯应用物理研究所的损伤机制分析优势。
  

（全文约2000字）