CN103962546B - 铜镍铬钼基合金粉末及其熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明铜镍铬钼基合金粉末及其激光熔覆方法涉及一种基体熔覆材料及其熔覆工艺。其目的在于提供一种能够提高基体耐腐蚀耐气蚀性能的铜镍铬钼基合金粉末及其激光熔覆方法。本发明铜镍铬钼基合金粉末以质量百分比计，所述合金粉末的组成为：NbC粉末：5%～8%，铜镍铬钼合金粉末：92%～95%；其中，铜镍铬钼合金粉末的组成为：Ni:20%-25%，Cr:20%-25%，Mo:13%-20%，W：2%-5%，余量为Cu。本发明激光熔覆方法包括配制铜镍铬钼基合金粉末和制备熔覆层两大步骤。

Description

铜镍铬钼基合金粉末及其熔覆方法

技术领域

本发明涉及一种基体防腐蚀保养技术，特别是涉及一种基体覆层材料及其激光熔覆工艺。

背景技术

船舶喷水推进器叶轮在使用过程中，会遭受海水及砂石、空泡的点腐蚀、应力腐蚀、多相流腐蚀等复杂严重的腐蚀，其材料多选用加工性能和耐蚀性能良好的奥氏体不锈钢或铁素体一奥氏体双相不锈钢。然而，奥氏体不锈钢由于硬度偏低(200～250HV)，导致其耐磨性能和抗复杂环境腐蚀性能较差。因此，采用合理的表面工程技术对船舶喷水推进器不锈钢叶轮进行强化处理，成为提高叶轮使用寿命的关键所在。

目前，船舶喷水推进器不锈钢叶轮的表面处理技术手段通常包括激光熔覆、等离子喷焊、堆焊、高速火焰喷涂(HVOF)、非金属涂层等诸多方法。由于激光光束的高能量密度所产生的近似绝热的快速升温过程，激光熔覆对基体的热影响和引起的变形较小，控制激光的输入能量，还可以将对基体的稀释作用限制在极低的程度(一般为2～13%)，从而又保持了原熔覆材料的优异性能。J.Hernandez和A.Vannes对马氏体不锈钢基体进行了司太立(Stellite6)合金的激光熔覆，试验得到的熔覆层与基体结合良好，没有气孔和裂纹，结合面两侧扩散区小于20μm，基体受热影响小，熔覆层金相组织均匀。在熔覆层中存在残余拉应力，其大小接近于材料弹性极限的水平。Kwok等研究了激光表面熔覆的Ni基涂层的抗气蚀性能，得到的Ni基涂层的抗气蚀性能明显高于抗气蚀性能优良的不锈钢。然而，激光熔覆处理存在设备昂贵、工艺复杂、激光光一热能量转化率低及成本太高等问题，限制了其大规模推广应用。

采用HVOF喷涂制备新型的WC/Co涂层是目前美国提高喷水推进器叶轮抗汽蚀的主要方法之一。其中WC为硬质相，Co为金属粘结相，有一定的韧性，其抗疲劳性能较好。印度主要从事高性能HVOF涂层的开发及材料渗氮工艺的研究，研究表明采用HVOF方法制备的WC/Co涂层比13Cr4Ni和12Cr钢表面渗氮处理的材料具有更高的抗气蚀性能。但HVOF同样存在成本高昂等问题，目前通常仅用于高端叶轮的表面处理中。

中国科学院金属研究所国旭明、郑玉贵等采用等离子堆焊制备Ni基涂层，堆焊合金显微组织由奥氏体基体、第二相以及共晶组织组成，奥氏体基体的国溶强化以及大尺寸硬质相有效抵御微射流的冲击，是Ni基等离子堆焊合金具有高抗气蚀能力的主要原因。然而，普通等离子堆焊由于对基体的稀释率大，堆焊层厚度不均匀，表面成型差等缺点，目前通常用于一般环境下使用的水轮机叶片等的耐气蚀涂层制备。

另外，高分子非金属涂层技术由于具有比金属涂层更优良的耐腐蚀性，在抗气蚀方面也有一定效果，近年来也逐步在喷水推进器叶轮防护方面得到初步应用。国内外常用的高分子涂层材料包括聚氨脂/聚服弹性体、环氧/聚氨醋聚合物、聚合物水泥砂浆、复合尼龙等。然而，非金属涂层与金属基体为机械结合，结合强度较低，使用过程中短期内涂层便脱落。

发展到目前，还出现了铜基合金材料制成的船舶叶轮，铜基合金叶轮由于有着：化学活性低，不易氧化，铜离子属于重金属离子有一定的毒理作用，在海水状态下藻类、贝类难以存活，附着少，清理方便等优点而被业界广泛采纳应用。然而在实际使用过程中发现铜基合金叶轮仍然会受海水的影响，局部存在被海水腐蚀或气蚀的斑迹。

由此可见，铜基合金叶轮防腐蚀、抗气蚀性能仍有待提升，尤其是从船舶叶轮表面处理技术的改善应该是一个突破点。研究具有良好抗气蚀、抗腐蚀及抗磨损性能的新型涂层材料及其制备技术，大幅提高喷水推进器叶轮使用寿命的需求亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高基体耐腐蚀抗气蚀性能的铜镍铬钼基合金粉末及其激光熔覆方法，且涂层材料成本相对合理，熔覆工艺简单。

本发明铜镍铬钼基合金粉末，以质量百分比计，所述合金粉末的组成为：NbC粉末：5%～8%，铜镍铬钼合金粉末：92%～95%；其中，铜镍铬钼合金粉末的组成为：Ni:20%-25%，Cr:20%-25%，Mo:13%-20%，W：2%-5%，余量为Cu。

本发明铜镍铬钼基合金粉末，其中所述NbC粉末的粒度介于-150目～+300目之间，纯度在99.5%以上。

本发明铜镍铬钼基合金粉末，其中所述铜镍铬钼合金粉末的粒度介于-140目～+325目之间。

本发明所述的铜镍铬钼基合金粉末的激光熔覆方法，包括如下步骤：

A.配制铜镍铬钼基合金粉末：

a按照权利要求1所述的激光熔覆用的铜镍铬钼基合金粉末的配比要求，分别称取NbC粉末原料和铜镍铬钼合金粉末原料；

b将称取的两种粉末原料放入干燥箱中干燥，所述干燥箱温度恒为200℃，持续干燥时间为2小时；

c将干燥过的原料装入混料设备进行混合，混料时间为5小时，最终混合成铜镍铬钼基合金粉末；

d将混和充分的铜镍铬钼基合金粉末装入密封容器储存备用；

B.制备熔覆层：

a清理待熔覆基体表面；

b将待熔覆基体固定在可作旋转运动的熔覆工作台上；

c数控机械臂控制激光器沿预设轨迹运动，送粉器同步向激光器的照射点推送合金粉末，激光熔化基体表面材料，将铜镍铬钼基合金粉末与基体表面材料熔合在所述基体上形成厚度为470μm～1160μm的熔覆层；其中，所述激光器功率介于1.2KW与2KW之间。本发明所述的铜镍铬钼基合金粉末的激光熔覆方法，其中所述混料设备为V型混料机。本发明所述的铜镍铬钼基合金粉末的激光熔覆方法，其中所述激光器为输出功率为半导体光纤输出激光器，占空比为100%，频率是5000Hz，激光器照射得到的圆形激光光斑直径为3mm。

本发明所述的铜镍铬钼基合金粉末的激光熔覆方法，其中所述熔覆层的平均厚度为500μm。

有益效果：

铜镍铬钼基合金粉末经熔覆后作为熔覆层中的连续相，对基体有着较强的黏着性能和防渗透性能，有效解决了熔覆层从基体脱落的问题；涂层中的NbC为原位合成，晶粒细小，与金属化合物结合良好，在铜镍铬钼基合金熔覆层中形成弥散分布的颗粒增强体，显著提高了基体的耐磨性能。

制作熔覆层过程中采用多道搭接和多层叠加的手段，可有效实现对基体表面的全覆盖，基体表面无孔隙率、耐气蚀性、耐腐蚀、耐磨损性能俱佳，大幅提高了基体的综合性能及使用寿命。

本发明所述基体用耐磨耐蚀复合涂层的制备方法成本低廉，可用于制备大面积冶金覆盖层。

下面结合附图对本发明铜镍铬钼基合金粉末及其激光熔覆方法作进一步说明。

附图说明

图1为本发明激光熔覆方法熔覆层厚度与基体硬度之间关系的曲线图；

图2为本发明激光熔覆方法激光熔覆后熔覆层与基体的冶金结合图。

具体实施方式

本发明铜镍铬钼基合金粉末所熔覆的基体为锰铝青铜(ZQAI12-8-3-2)材质基体，以质量百分比计，所述基体的组成为：Mn：11.5-14.0%，Al：7.0-8.5%，Fe：2.5-4.0%，Ni：1.8-2.5%，锌Zn：≤0.3%，余量为Cu。

一种铜镍铬钼基合金粉末，其特征是：以质量百分比计，铜镍铬钼基合金粉末的组成为：NbC粉末：5%～8%，铜镍铬钼合金粉末：92%～95%。其中，NbC粉末粒度介于-150目～+300目之间，纯度在99.5%以上；铜镍铬钼合金粉末的粒度介于-140目～+325目之间；以质量百分比计，铜镍铬钼合金粉末的组成为：Ni:20%-25%，Cr:20%-25%，Mo:13%-20%，W：2%-5%，余量为Cu。

Cr确定为20%-25%，Mo确定为13%-20%的原因如下：考虑到熔覆过程中基体铜元素向熔覆层扩散作用而导致Cr、Mo元素在熔覆层中含量的降低，而Cr、Mo在熔覆层的含量降低会降低熔覆层的抗腐蚀、抗气蚀性能，因而铜镍铬钼合金粉末中，Cr、Mo的总含量比理论上要高，其目的是为了保证熔覆层性能不被削弱。

铜镍铬钼合金粉末粒度介于-140目～+325目之间的原因如下：若粒度大于+325目则合金粉末很难附着并渗透进基体表面，若粒度小于-140目，则由于合金粉末颗粒过小，增加了熔覆过程的工艺难度。

NbC粉末的粒度介于-150目～+300目之间则是为了和铜镍铬钼合金粉末粒度保持一致，这样它们在熔覆时结合起来就相对容易，没有孔隙，保证了熔覆层的密闭性。

一种应用上述铜镍铬钼基合金粉末的激光熔覆方法，包括如下步骤：

A.配制铜镍铬钼基合金粉末：

a按照权利要求1所述的激光熔覆用的铜镍铬钼基合金粉末的配比要求，分别称取NbC粉末原料和铜镍铬钼合金粉末原料；

b将称取的两种粉末原料放入干燥箱中干燥，所述干燥箱温度恒为200℃，持续干燥时间为2小时；

c将干燥过的原料装入V型混料机进行混合，混料时间为5小时，最终混合成铜镍铬钼基合金粉末；

d将混和充分的铜镍铬钼基合金粉末装入密封容器储存备用；

B.制备熔覆层：

a清理待熔覆基体表面；

b将待熔覆基体固定在可作旋转运动的熔覆工作台上；

数控机械臂控制激光器沿预设轨迹运动，送粉器同步向激光器的照射点推送合金粉末，激光熔化基体表面材料，将所述铜镍铬钼基合金粉末与基体表面材料熔合在所述基体上形成厚度为470μm～1160μm的熔覆层；其中，所述激光器功率介于1.2KW与2KW之间。熔覆层与基体的冶金结合图见图2。

所述激光器为输出功率为半导体光纤输出激光器，占空比为100%，频率是5000Hz，激光器照射得到的圆形激光光斑直径为3mm。

由图1可知，熔覆层厚度确定为470μm～1160μm是为了满足对熔覆层硬度的要求，其中厚度为500μm效果最佳。

接下来选取并制备不同的试样，对本发明铜镍铬钼基合金粉末的耐腐蚀及抗气蚀性能进行测验，其中在选取并制作试样时，选取NbC粉末和铜镍铬钼合金粉末粒度均为+200目，以质量百分比计，合金粉末的组成为：NbC粉末：6%，铜镍铬钼合金粉末：94%，激光功率为1.5KW。

实施例一：

以质量百分比计，铜镍铬钼合金粉末的组成为：Ni:20%，Cr:20%，Mo:13%，W：2%，余量为Cu。以质量百分比计，所述基体的组成为：Mn：11.5%，Al：7.0%，Fe：2.5%，Ni：1.8%，锌Zn：0.3%，余量为Cu。

实施例二：

以质量百分比计，铜镍铬钼合金粉末的组成为：Ni:23%，Cr:23%，Mo:15%，W：3%，余量为Cu。以质量百分比计，所述基体的组成为：Mn：13.0%，Al：8.0%，Fe：3.0%，Ni：2.0%，锌Zn：0.3%，余量为Cu。

实施例三：

以质量百分比计，铜镍铬钼合金粉末的组成为：Ni:25%，Cr:25%，Mo:20%，W：5%，余量为Cu。以质量百分比计，所述基体的组成为：Mn：14.0%，Al：8.5%，Fe：4.0%，Ni：2.5%，锌Zn：0.3%，余量为Cu。

选取以上三个实施例中描述成分的基体，并运用上述激光熔覆方法分别在每个基体上熔覆对应材料的厚度为500μm熔覆层，最终形成试样。

接下来通过实验对上述制备的三个试验样本进行耐腐蚀性能测验，同时选取三个重量为15Kg，厚度为10mm的锰铝青铜(0ZQAI12-8-3-2)试样进行耐腐蚀性能的测验，进而对本发明的耐腐蚀性能作对比评价。

耐腐蚀性能测试实验过程及结果如下：腐蚀试验在浓度为1mol/L的HCl溶液和浓度为3.5%的NaCl溶液中进行，试样经过132小时地不间断浸泡。结果表明，锰铝青铜(ZQAI12-8-3-2)试样表面出现严重的锈蚀斑迹，而经本发明激光熔覆耐腐蚀层的试样表面上没有变化，具体腐蚀失重数据见表1：

表1试样腐蚀失重量（单位：mg）

从表1可以看出，本发明铜镍铬钼基合金粉末熔覆层可大幅提高基体的耐腐蚀性能。

接下来通过实验对上述制备的三个试验样本进行抗气蚀性能测验，同时选取三个重量为10Kg，厚度为10mm的锰铝青铜(ZQAI12-8-3-2)试样进行抗气蚀性能的测验，进而对本发明的抗气蚀性能作对比评价。

抗气蚀性能测试实验过程及结果如下：抗气蚀试验在浓度为1mol/L的HCl溶液和浓度为3.5%的NaCl溶液中进行，试样经过200小时不间断的进行每分钟600转旋转。结果表明，锰铝青铜(ZQAI12-8-3-2)试样表面出现严重的气蚀凹斑，而经本发明激光熔覆耐气蚀层的试样表面上没有变化，具体气蚀失重数据见表2：

表2试样气蚀失重量（单位：mg）

从表2可以看出，本发明铜镍铬钼基合金粉末熔覆层可大幅提高基体的抗气蚀性能。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种铜镍铬钼基合金粉末，其特征是：以质量百分比计，所述合金粉末的组成为：NbC粉末：5%～8%，铜镍铬钼合金粉末：92%～95%；其中，以质量百分比计，所述铜镍铬钼合金粉末的组成为：Ni:20%-25%，Cr:20%-25%，Mo:13%-20%，W：2%-5%，余量为Cu。

2.根据权利要求1所述的铜镍铬钼基合金粉末，其特征在于：所述NbC粉末的粒度介于-150目～+300目之间，纯度在99.5%以上。

3.根据权利要求1所述的铜镍铬钼基合金粉末，其特征在于：所述铜镍铬钼合金粉末的粒度介于-140目～+325目之间。

4.一种应用权利要求1所述的铜镍铬钼基合金粉末的激光熔覆方法，包括如下步骤：

A.配制铜镍铬钼基合金粉末：

a按照权利要求1所述的激光熔覆用的铜镍铬钼基合金粉末的配比要求，分别称取NbC粉末原料和铜镍铬钼合金粉末原料；

b将称取的两种粉末原料放入干燥箱中干燥，所述干燥箱温度恒为200℃，持续干燥时间为2小时；

c将干燥过的原料装入混料设备进行混合，混料时间为5小时，最终混合成铜镍铬钼基合金粉末；

d将混和充分的铜镍铬钼基合金粉末装入密封容器储存备用；

B.制备熔覆层：

a清理待熔覆基体表面；

b将待熔覆基体固定在可作旋转运动的熔覆工作台上；

c数控机械臂控制激光器沿预设轨迹运动，送粉器同步向激光器的照射点推送合金粉末，激光熔化基体表面材料，将所述铜镍铬钼基合金粉末与基体表面材料熔合在所述基体上形成厚度为470μm～1160μm的熔覆层；其中，所述激光器功率介于1.2KW与2KW之间。

5.根据权利要求4所述的一种激光熔覆方法，其特征在于：所述混料设备为V型混料机。

6.根据权利要求4所述的一种激光熔覆方法，其特征在于：所述激光器为半导体光纤输出激光器，占空比为100%，频率是5000Hz，激光器照射得到的圆形激光光斑直径为3mm。

7.根据权利要求4所述的一种激光熔覆方法，其特征在于：所述熔覆层的平均厚度为500μm。

8.根据权利要求4所述的一种激光熔覆方法，其特征在于：所述基体为船舶叶轮。