CN103866319B

CN103866319B - 锆合金表面制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法

Info

Publication number: CN103866319B
Application number: CN201410125454.1A
Authority: CN
Inventors: 李亚江; 刘坤
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: CN103866319A

Abstract

本发明公开了一种锆合金表面制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法，包括将待激光熔覆的锆合金基体表面打磨洗净的步骤；将镍基合金粉末与有机粘结剂充分混合，并调和成均匀膏状，预先均匀涂覆在待熔覆的锆合金基体表面的步骤；在进行激光熔覆前，先预通氩气的步骤；采用激光束对锆合金基体表面预置粉末区域进行单道辐射扫描熔覆的步骤，工艺参数：激光功率为2.0kW～3.8kW，束斑直径为5mm，扫描速度3mm/s～5mm/s，保护气体流量为8L/min～15L/min；所述激光熔覆过程连续进行，稀释率不大于10%。本发明采用激光原位熔覆工艺在锆合金表面原位制备了镍基耐热耐磨涂层，操作过程简便易行，无噪音环保无污染，能降低能耗和生产成本，耐磨涂层性能优异，能够满足使用要求。

Description

锆合金表面制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法

技术领域

本发明涉及一种锆合金表面制备镍基涂层的方法，特别是涉及一种用于锆合金表面原位制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法，属于焊接和熔覆技术领域。

背景技术

近年来，随着激光技术的发展，用于材料表面改性的激光熔覆方法日益受到人们的关注，尤其是对价格较贵的锆合金进行激光熔覆表面改性，更能满足人们对于经济性的要求。激光熔覆技术加热和冷却速度快，由热循环影响引起的工件变形小，且制备出的涂层与基体具有冶金结合特性，熔覆层结晶组织细密。锆合金表面激光熔覆原位制备镍基耐热耐磨涂层不仅能显著提高基体耐热耐磨性能，而且能降低制造成本，在化工、石油化学工业、原子能工业等领域具有很好的应用前景。

锆合金因具有较低的热中子吸收截面、良好的耐蚀性能等优点而成为核工业和化工工业中的重要结构材料，但锆合金表面耐热性和耐磨性差，并且价格较贵，限制了其潜能的充分发挥。针对锆合金表面改性，国内外学者对表面预镀膜和离子注入等方法都有研究，这些方法能够提高锆合金表面的耐腐蚀性，但实际操作中工艺繁琐，特别是因为预镀膜和离子注入膜较薄，对提高锆合金表面耐热性和耐磨性效果不明显。

中国发明专利（ZL201310421981.2）提出一种基于镍基自熔合金粉末的氩弧熔覆材料，是采用钨极氩弧进行表面熔覆实现对不锈钢材料的表面改性。但这项技术较激光熔覆技术效率较低，难以实现在锆合金表面制备耐热耐磨涂层。因此采用激光熔覆技术在锆合金表面制备镍基耐热耐磨涂层，对于提高锆合金表面性能、延长使用寿命、降低生产成本、提高生产效率具有重要意义。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种在锆合金表面原位制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法，该方法适用于锆合金表面激光熔覆原位制备镍基耐热耐磨涂层，获得的镍基耐热耐磨涂层呈均匀连续、平整致密的外观形貌，无裂纹，熔覆层显微组织细密，能够显著提高锆合金基体表面耐热和耐磨性能。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种锆合金表面原位制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法，其主要特点在于包括以下步骤：

（1）将待激光熔覆的锆合金基体表面采用砂纸打磨，或手动砂轮打磨，去除氧化皮和油污，用无水乙醇和丙酮将打磨后的基体表面清洗干净；

（2）将镍基合金粉末与有机粘结剂充分混合，并调和成均匀膏状，用毛刷预先均匀涂覆在待熔覆的锆合金基体表面，预置层厚度约为1mm，置于真空干燥箱烘干24h备用；批量件激光熔覆可采用同步送粉法直接在锆合金工件表面进行激光熔覆。

（3）在进行激光熔覆前，先预通2min氩气，保证锆合金基体表面形成良好的气体保护气氛；

（4）采用圆形或矩形激光束对锆合金基体表面预置粉末区域进行单道辐射扫描熔覆，采用纯氩气作保护气体；工艺参数如下：激光功率为2.0kW～3.8kW，束斑直径为5mm，扫描速度为3mm/s～5mm/s，保护气体流量为8L/min～15L/min；通过严格控制激光束能量，降低对锆合金基体的稀释作用，提高涂层致密度，保持激光熔覆层的优异性能；激光熔覆后用硅酸铝保温材料覆盖熔覆层区域，使之缓慢冷却。

上述的锆合金表面原位制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法中：所述激光熔覆过程连续进行，不得间断并要求熔覆过程稳定，稀释率不大于10%；激光熔覆后不再对工件进行热处理。

其中：上述步骤（1）中待熔覆的锆合金基体，其化学成分以质量百分比记为：Zr+Hf≥99.2%,Hf≤4.5%,Fe+Cr≤0.2%,C≤0.050%,N≤0.025%，H≤0.005%，O≤0.16%；退火状态下待熔覆锆合金的力学性能为：抗拉强度R_m≥380MPa，屈服强度R_p0.2≥205MPa，伸长率A₅₀≥16%。

其中：上述步骤（2）中有机粘结剂采用浓度为3%的聚乙烯醇粘结剂；预先涂覆时保证预置层厚度均匀。

其中：上述步骤（2）中镍基合金粉末为粒度100目至200目的Ni-Cr-Si-B系Ni60自熔合金粉末，其化学成分以质量百分比为：C0.5%～1.1%，Si3.5%～5.5%，B3.0%～4.5%，Cr15%～20%，Fe≤17%，O≤0.08%，Ni余量；松装密度为4.34g/cm³，振实密度为4.52g/cm³。

其中：上述步骤（2）中镍基合金粉末也可用粒度100目至200目的Ni-Cr-Si-B系Ni55自熔合金粉末，其化学成分以质量百分比为：C0.4%～0.9%，Si3.5%～5.0%，B2.5%～4.0%，Cr14%～17%，Cu2.0%～4.0%，Mo2.0%～4.0%，Fe≤17%，O≤0.08%，Ni余量。

其中：上述步骤（3）中选用纯氩气保护，Ar纯度为99.99%；保护气体流量优选为8～12L/min。

其中：上述步骤（4）中选用激光束光斑选用圆形光斑，扫描速度优选为3.5mm/s。

其中：上述步骤（4）中选用纯氩气保护，纯度为99.99%；保护气体流量优选为8～12L/min。

本发明针对锆合金表面耐热和耐磨性较差等不足，提出一种适用于锆合金表面原位制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法。本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）对锆合金基体进行表面改性，可延长工件使用寿命，节约成本，达到节能减排的目的。

（2）激光熔覆层与锆合金基体实现冶金结合，能量集中，对基体的热影响较小，基体变形小，熔覆效果良好，生产效率高，工艺过程稳定性好，质量可靠。

（3）选用镍基合金粉末作为熔覆层材料，能够实现熔覆层与锆合金基体的良好结合，熔覆层能显著提高锆合金基体表面的耐热和耐磨性，具有很好的应用前景。

本发明采用激光原位熔覆工艺在锆合金表面原位制备了镍基耐热耐磨涂层，操作过程简便易行，无噪音环保无污染，能降低能耗和生产成本，耐磨涂层性能优异，能够满足使用要求。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

厚度为10mm的R60702锆合金板材，其化学成分：Zr95.67%，Hf4.0%，Fe0.1%，Cr0.1%，C0.03%，O0.1%；供货状态为冷轧+去应力退火，合金粉末供应方式为预置式，光斑形状选为圆形，通过激光熔覆在锆合金表面原位制备镍基耐热耐磨涂层。

（1）激光熔覆设备及熔覆材料

激光熔覆设备采用德国Laserline公司生产的LDF4000-100高功率光纤耦合半导体激光器，熔覆材料选用粒度150目的自熔性Ni-Cr-Si-B系Ni60合金粉末。

（2）预先处理

采用砂纸打磨R60702锆合金基体表面，去除氧化皮和油污，用无水乙醇和丙酮将打磨后的锆合金基体表面清洗干净；将Ni60合金粉末与浓度为3%的聚乙烯醇粘结剂充分混合，并调和成均匀膏状，用毛刷预先均匀涂覆在待熔覆R60702锆合金基体表面，预置层厚度约为1mm，置于真空干燥箱烘干24h备用。

（3）熔覆工艺及参数

先预通2min氩气，对待熔覆锆合金基体表面形成保护气氛；采用激光束对R60702锆合金基体表面预置粉末区域进行单道辐射扫描熔化，采用纯氩气作保护气体；工艺参数如下：激光功率为3.8kW，束斑直径为5mm，扫描速度为3.5mm/s，保护气体流量为12L/min；通过严格控制激光束能量，降低对锆合金基体的稀释作用，提高涂层致密度，保持熔覆层的优异性能。熔覆后采用硅酸铝保温材料覆盖熔覆层区域，使之缓慢冷却。

所述自熔性Ni-Cr-Si-B系Ni60合金粉末，其化学成分以质量百分比为：C0.5%，Si5.5%，B3.0%，Cr15%，Fe17%，O0.08%，Ni余量；松装密度为4.34g/cm³，振实密度为4.52g/cm³。

获得的镍基耐热耐磨涂层呈均匀连续、平整致密的外观形貌，熔覆层显微组织细密，可显著提高锆合金基体表面的耐热耐磨性能，满足其使用要求。

实施例2：

选用厚度为15mm的R60702锆合金板材作为基体，其化学成分：Zr95.67%，Hf4.0%，Fe0.1%，Cr0.1%，C0.03%，O0.1%；粉末预置于锆合金基体表面，激光束选择为圆形光斑，通过激光熔覆在锆合金表面原位制备镍基耐热耐磨涂层。

（1）激光熔覆设备及熔覆材料

激光熔覆设备为德国Laserline公司生产的LDF4000-100高功率光纤耦合半导体激光器，熔覆材料采用粒度160目的自熔性Ni-Cr-Si-B系Ni55合金粉末。

（2）预先处理

采用手动砂轮片打磨R60702锆合金基体表面，去除氧化皮和油污，露出光洁的金属表面，用无水乙醇和丙酮将打磨后的基体表面清洗干净；将Ni55合金粉末与浓度为3%的聚乙烯醇粘结剂充分混合，并调和成均匀膏状，用毛刷预先均匀涂覆在待熔覆R60702锆合金基体表面，预置层厚度约为1mm，置于真空干燥箱烘干24h备用。

（3）熔覆工艺及参数

先预通2min氩气，对待熔覆锆合金基体表面形成保护气氛；采用激光束对R60702锆合金基体表面预置粉末区域进行单道辐射扫描熔化，采用纯氩气作保护气体；工艺参数如下：激光功率为3.0kW，束斑直径为5mm，扫描速度为3.0mm/s，保护气体流量为8L/min；通过控制激光束能量，降低对锆合金基体的稀释作用，提高熔覆层致密度。激光熔覆后采用硅酸铝保温材料覆盖熔覆层区域，保温缓冷。

所述自熔性Ni-Cr-Si-B系Ni55合金粉末，其化学成分以质量百分比记为：C0.4%，Si5.0%，B4.0%，Cr17%，Cu2.0%，Mo4.0%，Fe16%，O0.06%，Ni余量。

锆合金基体表面激光原位熔覆制备的镍基耐热耐磨涂层外观光滑，无裂纹，熔覆层与基体结合良好，可满足使用要求。

实施例3：

厚度为20mm的R60702锆合金板材，其化学成分：Zr95.67%，Hf4.0%，Fe0.1%，Cr0.1%，C0.03%，O0.1%；激光束光斑选为圆形，采用同步送粉激光熔覆方法在锆合金表面原位制备镍基耐热耐磨涂层。

（1）激光熔覆设备及熔覆材料

激光熔覆设备为德国Laserline公司生产的LDF4000-100高功率光纤耦合半导体激光器，熔覆材料采用粒度150目的自熔性Ni-Cr-Si-B系Ni60合金粉末。

（2）预先处理

采用手动砂轮片打磨R60702锆合金基体表面，去除氧化皮和油污，使之露出光洁的金属表面，用无水乙醇和丙酮将打磨后的基体表面清洗干净；将Ni60合金粉末侧向直接送入激光束中，粉末供料和熔覆同步完成。

（3）熔覆工艺及参数

先预通2min氩气，对待熔覆锆合金基体表面形成保护气氛；采用激光束对R60702锆合金基体表面区域进行单道辐射扫描熔化，采用纯氩气作保护气体，随着送粉喷嘴与激光束的同步移动形成熔覆层。激光熔覆工艺参数如下：激光功率为4.0kW，束斑直径为5mm，扫描速度为3.8mm/s，保护气体流量为14L/min。通过控制激光束能量，降低对锆合金基体的稀释作用，提高熔覆层致密度，保持熔覆层的优异性能。激光熔覆后采用硅酸脸保温材料覆盖熔覆区域，使之保温缓冷。

所述自熔性Ni-Cr-Si-B系Ni60合金粉末，其化学成分以质量百分比记为：C1.1%，Si3.5%，B4.5%，Cr20%，Fe14%，O0.06%，Ni余量；松装密度为4.34g/cm³，振实密度为4.52g/cm³。

上述三个实例R60702锆合金表面原位制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法中，激光熔覆过程连续进行，稀释率分别为6%、8%和8%，激光熔覆后不再进行热处理。获得的镍基耐热耐磨涂层呈均匀连续、平整致密的外观形貌，熔覆层显微组织细密，可显著提高锆合金基体表面耐热耐磨性能，满足其使用要求。

Claims

1.锆合金表面制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）将待激光熔覆的锆合金基体表面打磨，去除氧化皮和油污，将打磨后的基体表面清洗干净；

（2）将镍基合金粉末与有机粘结剂充分混合，并调和成均匀膏状，预先均匀涂覆在待熔覆的锆合金基体表面，预置层厚度为1mm，置于真空中烘干24h备用；

（3）在进行激光熔覆前，先预通氩气，保证锆合金基体表面形成良好的气体保护气氛；

（4）采用激光束对锆合金基体表面预置粉末区域进行单道辐射扫描熔覆，采用纯氩气作保护气体；工艺参数如下：激光功率为2.0kW～3.8kW，束斑直径为5mm，扫描速度3mm/s～5mm/s，保护气体流量为8L/min～15L/min；所述激光熔覆过程连续进行，稀释率不大于10%；

所述待熔覆的锆合金基体，其化学成分以质量百分比为：Zr+Hf≥99.2%,Hf≤4.5%,Fe+Cr≤0.2%,C≤0.050%,N≤0.025%，H≤0.005%，O≤0.16%；退火状态下待熔覆锆合金的力学性能为：抗拉强度R_m≥380MPa，屈服强度R_p0.2≥205MPa，伸长率A₅₀≥16%；

所述镍基合金粉末为，粒度100目至200目的Ni-Cr-Si-B系Ni60自熔合金粉末，其化学成分以质量百分比为：C0.5%～1.1%，Si3.5%～5.5%，B3.0%～4.5%，Cr15%～20%，Fe≤17%，O≤0.08%，Ni余量。

2.锆合金表面制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法，其特征是，包括以下步骤：

所述镍基合金粉末为，粒度100目至200目的Ni-Cr-Si-B系Ni55自熔合金粉末，其化学成分以质量百分比为：C0.4%～0.9%，Si3.5%～5.0%，B2.5%～4.0%，Cr14%～17%，Cu2.0%～4.0%，Mo2.0%～4.0%，Fe≤17%，O≤0.08%，Ni余量。

3.如权利要求1或2所述的锆合金表面制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法，其特征是，步骤（1）中选用R60702锆合金作为激光熔覆原位制备镍基耐热耐磨涂层的基体。

4.如权利要求1或2所述的锆合金表面制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法，其特征是，步骤（2）中有机粘结剂采用浓度为3%的聚乙烯醇粘结剂。

5.如权利要求1或2所述的锆合金表面制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法，其特征是，步骤（3）中选用氩气保护，保护气体流量为8～12L/min。

6.如权利要求1或2所述的锆合金表面制备镍基耐热耐磨涂层的激光熔覆方法，其特征是，步骤（4）中选用激光束光斑选用圆形光斑，扫描速度为3.5mm/s。