專利名稱：一種在鋼基體上制備耐海水腐蝕熔覆層的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于表面工程技術領域，特別是提供了一種在鋼基體上制備耐海水腐蝕熔覆層的方法，用于制備耐海水腐蝕熔覆層的粉末材料和利用激光熔覆法在碳鋼及合金鋼板基體上制備熔覆層。
背景技術：
海洋為一個嚴酷的綜合腐蝕環(huán)境，海水中氯離子含量高、導電性高，因此船舶在海水中腐蝕較嚴重。艦船材料的綜合腐蝕機理集海水沖擊、電化學腐蝕、鹽霧、強烈的日光曝曬、海生物腐蝕和附著生物污損等多種損害因素為一體，若不采取適當的防蝕措施，艦船必然會受到嚴重的腐蝕。由于現有防腐技術存在的局限性，腐蝕已成為艦船裝備損壞、失效的主要原因之一。目前，艦船材料防腐的主要手段為提高艦船用結構鋼的耐蝕等級、表面涂覆層防護、犧牲陽極保護和外加電流陰極保護等。根據國內外的研究結果，在現有合金材料體系中，鎳鉻鉬合金、鈦及鈦合金和非晶材料具有最優(yōu)異的耐海水腐蝕能力。Ni-Cr-Mo系列合金抗海水腐蝕能力強，固溶狀態(tài)下不產生晶間腐蝕、應力腐蝕和縫隙腐蝕。無論是在海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮汐區(qū)及全浸的海水狀態(tài)下，Ni-Cr-Mo系列合金都有極好的耐蝕性。在Ni-Cr-Mo系列合金中，Hastelloy C 系列在各種普通海水環(huán)境中抗腐蝕性能最為優(yōu)異。在Hastelloy C系列合金中，一般含有16-22% Cr及9-18% Mo。含碳量對Ni-Cr-Mo合金的耐蝕性能有較大的影響，富鉬的 M6C型碳化物的存在會降低合金中的鉬含量，這就要求該類合金中碳含量應小于0. 01 %。 Hastelloy C22合金為國外開發(fā)的最耐海水腐蝕合金之一，其組成為約22% CrU3% Mo、 3% ff,3% Fe、余量Ni。與其它Ni-Cr-Mo合金相比，C22具有更好抗點蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕開裂能力。C22合金鉻含量較高，這有助于合金形成更厚更穩(wěn)定的保護層，使其在氧化性環(huán)境中的抗腐蝕能力得到明顯提高，適用于濕氯氣、次氯酸鹽化物溶液和氧化性酸(硝酸)。由于Ni-Cr-Mo合金制造工藝復雜、價格非常昂貴，目前C22合金主要用于制造水翼、 螺栓、螺旋漿和海水熱交換器和復合鋼板等。鈦為一種優(yōu)良的耐蝕材料，具有優(yōu)異的耐海水腐蝕性、高比強度和低磁性等，無論是正常海水還是污染海水或是高速流動的海水，鈦幾乎完全不受腐蝕。但鈦及鈦合金結構件的制造工藝復雜、價格昂貴，這就限制了其大規(guī)模應用。如采用鈦-鋼復合板，需采用爆炸復合、軋制復合等工藝，由于鈦的耐蝕性對雜質含量非常敏感，鈦-鋼復合板對焊縫焊接工藝要求很高；此外，在使用過程中，鈦不可避免地要和其它金屬發(fā)生接觸；由于鈦的穩(wěn)定電位為正，與其它金屬偶接時，其它金屬常作為陽極而加速腐蝕，這就導致鈦-鋼復合板難以在艦船中廣泛應用。與提高結構材料耐蝕等級、陰極保護等防腐技術相比，表面涂覆層技術具有成本低、工藝簡單的優(yōu)勢。在潛艇外殼涂刷耐蝕涂料為國內外常用的傳統防腐技術，涂料大體分為3大類；第1類為傳統的油性漆和環(huán)氧浙青系防腐蝕涂料；第2類為以環(huán)氧樹脂、乙烯樹脂、氯化橡膠樹脂為主體的高性能防腐涂料；第3類為新的高性能防腐涂料，包括改性環(huán)氧樹脂防腐涂料、玻璃鱗片涂料和氟樹脂防腐涂料。這類涂層技術的特點是防腐壽命較短，涂
層可靠性較差。Zn-Al, Zn-Al-Mg, Zn-Ni等合金具有較好的耐海水腐蝕性，但采用電鍍法制備的 Zn-Al,Zn-Al-Mg,Zn-Ni等耐蝕鍍層的厚度僅為幾微米-幾十微米(一般70_80g/m2)，無法滿足艦船鋼板耐蝕性要求。如采用熱噴涂方法制備Ni-Cr-Mo合金涂層，則存在結合強度低(機械結合)、孔隙率高(1-10% )、涂層中存在有害相和涂層易剝落失效等缺點，導致涂層的耐蝕性能遠低于工業(yè)Ni-Cr-M0合金板材。因此，開發(fā)具備冶金結合的表面涂覆層技術和專用于耐海水腐蝕的Ni-Cr-Mo合金體系，對于大幅度延長艦船結構材料的耐蝕壽命具有十分迫切和重要的
眉、ο

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種一種在鋼基體上制備耐海水腐蝕熔覆層的方法，用于制備耐海水腐蝕熔覆層的粉末材料和利用激光熔覆法在碳鋼及合金鋼板基體上制備熔覆層，解決了 Ni-Cr-Mo系耐蝕熔覆層制備的難題。本發(fā)明的工藝為一、配制熔覆用混合粉末1、混合粉末原料組分本發(fā)明所提供的混合粉末，其特征在于，所述的粉末的成分重量百分數范圍如下Cr 粉(粒度 200-400 目，純度彡 99. 5 % ) 23_32wt. % ;Mo 粉(粒度 200-400 目，純度彡 99.5% ) :12-17wt. 粉(粒度 200-400 目，純度彡 99. 5% ) :l-4wt. % ;Nb 粉(粒度 200-400 目，純度彡 99. 5%) 0. 3-lwt. 粉(粒度 200-300 目，純度彡 99. 5%)余量。原料中各組分作用如下鎳作為基體元素，可溶入具有耐蝕特性的鉻、鉬等合金元素。鉻是提高鎳基熔覆層材料在氧化性腐蝕介質中耐腐蝕性和抗點蝕能力的基本元素，隨著鉻含量的提高，還可使熔覆層的抗沖蝕能力增強；本發(fā)明主要從提高耐蝕性的角度來制備Ni-Cr-Mo系合金熔覆層，而無需考慮鉻含量對其塑性成形力學性能的影響，因而將鉻含量提高到23wt. %以上， 這樣既降低了原材料成本，又提高了熔覆層的抗沖蝕能力。鉬的作用是增加合金的鈍化能力，使熔覆層材料的鈍態(tài)穩(wěn)定性和抗點蝕能力大大提高，顯著提高熔覆層材料的耐局部腐蝕和耐氯化物晶間腐蝕(SCC)的性能。鎢、鈮的作用是與熔覆層中的碳元素(主要是由基體擴散到熔覆層中的碳)形成碳化物，通過形成細小的WC、NbC等形式的碳化物而取代Cr 的碳化物，從而避免晶界Cr的碳化物形成帶來的Cr貧化，提高熔覆層材料的抗晶間腐蝕性能；熔覆層中細小的碳化物還可提高熔覆層的抗沖蝕性能。2、混合粉末的制備工藝(1)按步驟1所述的各種粉末比例，稱取所需的各種粉末原料；(2)將粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為100-150°C，干燥時間為2_3小時；(3)利用球磨機混合干燥后的粉末原料，形成混合粉末，混料時間為3-4小時；(4)將混合粉末用塑料袋密封存儲。二、熔覆層制備工藝制備熔覆層的設備主要由激光器、送粉器、熔覆工作臺等部分組成。為提高熔覆效率并降低稀釋率，選用波長為1064nm、光纖偶合的Nd:YAG燈泵浦固體激光器(》700W)或波長小于IOOOnm的高功率半導體激光器(功率彡2kff)作為熔覆用熱源。熔覆工藝為已有成熟技術，對于平板表面的熔覆，可采用與光纖相連的激光工作頭作水平勻速運動、工件固定方法制備熔覆層。激光工作頭固定在熔覆工作臺可作二維運動的支架上，該支架可控制激光工作頭作X軸向的勻速直線運動和1軸向的步進運動。當激光頭沿X軸正向從鋼板平面的一端直線運動到鋼板的另一端時，激光頭被控制沿y軸向作步進運動、同時沿χ軸向反向勻速直線運動；按上述運動控制程序重復運動，即可在整個鋼板平面上得到熔覆層。制備熔覆層的具體步驟如下1、熔覆混合粉末形成預熔覆層將碳鋼或艦船用合金鋼板固定在熔覆工作臺上，鋼板厚度> 3mm。將步驟一中所述的混合粉末裝入送粉器中，當使用700-2000W的Nd:YAG燈泵浦固體激光器進行脈沖激光熔覆時，采用預撒粉法熔覆；其具體參數為送粉量0. 5-3kg/h，激光器輸出功率700-2000W， 光斑直徑3-6mm，激光束掃描速度3-6mm/s，激光頭y軸向的步進長度為2_5mm。當使用 2-5kff的高功率半導體激光器進行連續(xù)激光熔覆時，采用同步送粉法進行熔覆，在鋼基體上形成未完全合金化的預熔覆層；其具體參數為送粉量24kg/h，輸出功率2-5kW/cm2，矩形光斑尺寸(2-3) X G_8)mm2，激光束掃描速度4-lOmm/s，激光頭y軸向的步進長度為3-7mm。 單層熔覆時，所形成預熔覆層厚度為300-1000 μ m。2、預熔覆層的重熔合金化在激光束對粉末作用過程中，由于激光熔覆的能量密度高，對混合粉末的熱作用時間較短，初次熔覆所形成的預熔覆層未完全合金化，存在元素偏聚、組分分布不均勻等缺陷。因此，需要對預熔覆層進行重熔合金化處理。當使用700-2000W的Nd:YAG燈泵浦固體激光器進行重熔時，其具體參數為激光器輸出功率700-2000W，光斑直徑3-6mm，激光束掃描速度3-6mm/s，激光頭y軸向的步進長度為2_5mm。當使用2_5kW的高功率半導體激光器進行重熔時，其具體參數為送粉量24kg/h，輸出功率2-5kW/cm2，矩形光斑尺寸 (2-3) X G-8)mm2，激光束掃描速度4-lOmm/s，激光頭y軸向的步進長度為3_7mm。3、多層熔覆1-5次重復步驟1、2，可制備多層熔覆的耐蝕層，耐蝕層厚度在600-2000 μ m。本發(fā)明的優(yōu)點為無需采用氣體霧化法或水霧化等工藝制備Ni-Cr-Mo合金化粉末，而通過機械混料法混合所需熔覆的粉末原料，利用高能量密度激光束熔化混合粉末，在鋼基體表面原位形成合金化的Ni-Cr-Mo耐蝕熔覆層，熔覆層與基體達到冶金結合、且稀釋率低。本發(fā)明的方法具有制備成本較低、熔覆層耐海水腐蝕壽命長、工藝較簡單等優(yōu)點，解決了 Ni-Cr-Mo系耐蝕熔覆層制備的難題。


圖1為利用激光熔覆法制備的耐蝕復合鋼板，預熔覆層區(qū)域1，重熔后熔覆層2。圖2為對預熔覆層斷面的能譜面掃描分析結果，從圖中可發(fā)現，預熔覆層存在明顯的元素偏聚現象，未完全熔化的鉻顆粒3。圖3為重熔后熔覆層斷面的掃描電鏡照片(二層熔覆)，熔覆層主要由細小的柱狀晶組成。圖4為重熔后熔覆層中部的高倍掃描電鏡照片(侵蝕后)。圖5為本發(fā)明實施例中所使用的Nd: YAG燈泵浦固體激光器照片。
具體實施例方式實施例一、熔覆用混合粉末1、混合粉末原料組分混合粉末的成分重量百分數如下Cr 粉(粒度-200+300 目，純度 99. 5% ) :28wt. % ；Mo 粉(粒度-200+300 目，純度 99. 6% ) 13. 5wt. 粉(粒度-200+300 目，純度 99. 5% ) :lwt. %;Nb 粉(粒度+200-300 目，純度 99. 5% ) 0. 5wt. % ；Ni 粉(粒度-200+300 目，純度 99. 6% )余量。2、混合粉末的制備工藝(1)按步驟1所述的各種粉末比例，稱取粉末原料所需的各種粉末；(2)將粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為120°C，干燥時間為3小時；(3)利用球磨機混合干燥后的粉末原料，形成混合粉末，混料時間為3小時；(4)將混合粉末用塑料袋密封存儲。二、熔覆層制備工藝制備熔覆層的設備主要由激光器、送粉器、熔覆工作臺等部分組成。選用波長為 1064nm、光纖偶合700W的Nd:YAG燈泵浦固體激光器作為熔覆用熱源。制備熔覆層的具體步驟如下
1、熔覆混合粉末形成預熔覆層選用幾何尺寸為250X300X 15mm3的45#鋼板作為待熔覆的基體材料，將45#鋼
板置于熔覆工作臺上，采用與光纖相連的激光工作頭作水平勻速運動、工件固定方法制備熔覆層。激光工作頭固定在熔覆工作臺可作二維運動的支架上，該支架可控制激光工作頭作X軸向的直線運動和y軸向的步進運動。將步驟1中所述的混合粉末裝入送粉器中，具體熔覆參數為送粉量OJkg/h，其具體參數為激光器輸出功率700W，光斑直徑3mm，激光束掃描速度4mm/s，激光頭y軸向的步進長度為2mm。所形成預熔覆層厚度約為400 μ m。2、預熔覆層的重熔合金化對于預熔覆層進行重熔的具體參數為激光器輸出功率700W，光斑直徑3mm，激光束掃描速度4mm/s，激光頭y軸向的步進長度為2mm。3、重復步驟1-2 —次，最終得到平均厚度約為900 μ m的重熔耐蝕熔覆層。表1為對按上述工藝制備的重熔熔覆層斷面不同區(qū)域進行能譜面掃描分析的結果，該表反映了熔覆層不同區(qū)域Ni、Cr、Mo、i^等元素的重量百分比(未檢測含量較低的W、 Nb元素)。從表中可發(fā)現，重熔熔覆層中含有從基體擴散來的！^元素，沿熔覆層斷面底部到頂部，Fe元素含量從11. 83wt. %逐漸降低至4. 07wt. %。能譜面掃描分析表明，重熔熔覆層元素分布均勻，未發(fā)現元素偏析區(qū)域。表 權利要求
1.一種在鋼基體上制備耐海水腐蝕熔覆層的方法，其特征在于，工藝步驟為(1)配制熔覆用混合粉末混合粉末原料組分中成分重量百分數范圍如下Cr 粉:23-32wt. % ；Mo 粉12_17wt. % ；W 粉l_4wt. % ；Nb 粉0. 3-lwt. % ；Ni 粉余量；混合粉末的制備工藝按上述比例，稱取粉末原料中所需的各種粉末；將粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為100-150°C，干燥時間為2-3小時；利用球磨機混合干燥后的粉末原料，形成混合粉末，混料時間為3-4小時；將混合粉末用塑料袋密封存儲；(2)熔覆層制備熔覆混合粉末形成預熔覆層將碳鋼或艦船用合金鋼板固定在熔覆工作臺上，鋼板厚度> 3mm ；將步驟(1)中所述的混合粉末裝入送粉器中，當使用700-2000W的Nd:YAG燈泵浦固體激光器進行脈沖激光熔覆時，采用預撒粉法熔覆；當使用2-5kW的高功率半導體激光器進行連續(xù)激光熔覆時，采用同步送粉法進行熔覆，在鋼基體上形成未完全合金化的預熔覆層；預熔覆層的重熔合金化當使用700-2000W的Nd:YAG燈泵浦固體激光器進行重熔時，其具體參數為激光器輸出功率700-2000W，光斑直徑3-6mm，激光束掃描速度3-6mm/s，激光頭y軸向的步進長度為 2-5mm ；當使用2_5kW的高功率半導體激光器進行重熔時，其具體參數為送粉量24kg/h， 輸出功率2-5kW/cm2，矩形光斑尺寸(2-3) X mm2，激光束掃描速度4-lOmm/s，激光頭y 軸向的步進長度為3-7mm;(3)多層熔覆1-5次重復步驟(1)、O)，制備多層熔覆的耐蝕層，耐蝕層厚度在600-2000 μ m。
2.根據權利要求1所述的在鋼基體上制備耐海水腐蝕熔覆層的方法，其特征在于，所述的預撒粉法熔覆的具體參數為送粉量0. 5-3kg/h，激光器輸出功率700-2000W，光斑直徑3-6mm，激光束掃描速度3-6mm/s，激光頭y軸向的步進長度為2_5mm ；
3.根據權利要求1所述的在鋼基體上制備耐海水腐蝕熔覆層的方法，其特征在于，所述的同步送粉法進行熔覆，其具體參數為送粉量24kg/h，輸出功率2-5kW/cm2，矩形光斑尺寸(2-3) X G_8)mm2，激光束掃描速度4-lOmm/s，激光頭y軸向的步進長度為3-7mm ；單層熔覆時，所形成預熔覆層厚度為300-1000 μ m。
全文摘要
一種在鋼基體上制備耐海水腐蝕熔覆層的方法，屬于表面工程技術領域。工藝為配制熔覆用混合粉末混合粉末原料組分中成分重量百分數為Cr粉23-32wt.％；Mo粉12-17wt.％；W粉1-4wt.％；Nb粉0.3-1wt.％；Ni粉余量；熔覆層制備包括熔覆混合粉末形成預熔覆層，熔覆混合粉末形成預熔覆層；多層熔覆。優(yōu)點在于，無需采用氣體霧化法或水霧化等工藝制備Ni-Cr-Mo合金化粉末，而通過機械混料法混合所需熔覆的粉末原料，利用高能量密度激光束熔化混合粉末，在鋼基體表面原位形成合金化的Ni-Cr-Mo耐蝕熔覆層，熔覆層與基體達到冶金結合、且稀釋率低。并具有制備成本較低、熔覆層耐海水腐蝕壽命長、工藝較簡單；解決了Ni-Cr-Mo系耐蝕熔覆層制備的難題。
文檔編號C23C24/10GK102181857SQ20111012203
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月12日 優(yōu)先權日2011年5月12日
發(fā)明者劉宗德, 王永田, 白樹林, 譚曉霞 申請人:華北電力大學