CN104099555B - 海洋平台用钢激光热喷涂铝涂层防海水腐蚀的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海洋平台，特指海洋平台用钢激光热喷涂铝涂层防海水腐蚀的装置和方法。将铝丝盘装入送丝系统，将送丝系统与激光头分别固定；加工时，激光束经过F7卡斯格林光学系统聚焦至一点，同时铝丝通过送丝滚轮和送丝铜导管被送至激光聚焦处，并被瞬间加热至液态，气体保护系统将气帘室中的氩气保护气通过喷嘴吹出，在将液态铝雾化的同时有效的隔绝铝合金高温涂层与空气接触，防止涂层的氧化；三坐标液压工作台带动工件在Z‑Y面做S型往复运动，在工件表面喷涂一层铝涂层，再次回到原点重复喷涂直至达到规定厚度；喷涂后涂层存孔隙，喷涂结束后将工件放入加热炉中进行热扩散，用沸水法封住涂层孔隙，制获得高耐蚀铝涂层。

Description

海洋平台用钢激光热喷涂铝涂层防海水腐蚀的装置和方法
技术领域
本发明涉及海洋平台，特指海洋平台用钢激光热喷涂铝涂层防海水腐蚀的装置和方法，为解决海洋平台用钢由于化学品污染、海水电解质腐蚀和浪花撞击、落潮和涨潮时干湿交替等因素造成的腐蚀问题，属于材料表面改性技术。
背景技术
海洋平台主要用于油气资源的开采，由于盐类和化学污染物会加快腐蚀速率，高温度的海水提供电解质，加快了腐蚀过程，必须采取有效的防腐技术保护海洋平台的正常运行；海洋平台长效防腐蚀一般采用表面涂层技术，要求达到20年以上防腐效果；为了尽可能避免海洋平台的腐蚀带来的不良后果，延长海洋平台的使用寿命，开发更加长效的防腐蚀技术具有非常重要的意义；本发明提出的激光热喷涂铝涂层是一种新型的海洋平台防腐蚀技术，它是利用激光作为热源将铝线材加热至熔融状态，以雾化的方式高速喷射到试样表面，以便形成喷涂层，适用于海洋平台的防腐涂层。
发明内容
本发明专利涉及的海洋平台用钢激光铝涂层系统如图1所示，用F7卡斯格林光学系统可以聚焦成直径为3-5mm的圆形激光束，对由送丝机构输送的铝丝进行加热熔化，在氩气保护下，在海洋平台用钢表面形成铝涂层。
所述的激光喷涂铝涂层装置，按照激光发射的方向依次包括激光系统、光学系统、送丝系统、气体保护系统和工作台；光学系统能够把激光系统发出的激光聚焦成圆形激光束，送丝系统包括丝盘、送丝滚轮和送丝铜导管，丝盘上的铝丝通过送丝滚轮送入送丝铜导管中，直至激光聚焦处，气体保护系统包括气帘室和喷嘴，在激光系统的激光头底端连接有气帘室，气帘室的底端连接有喷嘴，为同轴设置，激光头内设有激光束通道，气帘室、喷嘴的中间均设有与激光束通道相对应的气帘室通道和喷嘴通道；工作台上安装有工件，位于激光聚焦处的前方。
送丝系统的丝盘、送丝滚轮和送丝铜导管都是安装在一个水平的工作台面上，工作台上的工件距离激光聚焦处的距离或者说工作台或工件与气体保护装置最底端喷嘴的距离根据气体保护装置中喷嘴吹出的保护气的速度和铝液冷却速度决定；一般地，保护气流的速度在0.617-1.59g/s，冷却速度在103-106K/s，工件距离激光聚焦处或者说工作台或工件与气体保护装置最底端喷嘴的距离在10-15mm。
所述的光学系统为F7卡斯格林光学系统，能够把激光系统发出的激光聚焦成圆形激光束聚焦成3-5mm的圆形激光束。
激光加工的具体工艺参数为：激光功率4KW-5KW，光斑直径3-5mm。
整体激光加工系统如图2所示，包括输入/输出装置、数控装置、伺服系统(驱动控制装置)、机床电器控制装置、机床本体和激光器；其中机床本体和激光器即为图1激光喷涂系统示意图中所示，是整个加工系统中用于加工的部分；工作台位于机床本体上，激光系统包括激光器，激光器包括激光头，此部分为常规技术手段，本发明专利不再详细描述。
用来控制机床本体伺服系统和控制激光系统的开、关和激光照射时间（即喷涂时间）和激光加工的工艺参数的数控装置控制系统如图3所示；此部分属于常规技术手段，本发明专利不再详细描述。
在喷涂前对基体进行喷砂预处理除去表面铁锈和杂质，选用铝线材降低氧化率，铝线材6061为半硬态，直径为3 mm，纯度>99.5%。
根据不同的喷涂厚度要求和工件形状要求通过图3控制系统确定工作台（或工件）移动速度、距离以及喷涂时间，一般板状工件，其移动速率即相当于激光扫描速率，可以控制在50-60mm/s，移动距离即为工件加工方向的长度，一次喷涂时间即为工件长度/移动速率，该喷涂方法一次可在工件表面形成100-200μm厚的铝涂层；最后将表面喷铝的工件放入加热炉中进行热扩散，温度控制在430-450℃，经过热扩散和热喷涂后，用沸水法封住涂层孔隙。
本发明专利主要特征：
（1）激光快速凝固使铝涂层表面为微晶和非晶质材料，少量的孔隙用沸水封孔，涂层表面组织均为铝涂层，抗腐蚀能力得到提高。
（2）涂层与基体形成良好冶金结合方式，提高涂层抗冲蚀能力。
（3）激光热喷涂对基体的影响区小，不易产生残余应力，不影响涂层中颗粒间结合力，不易产生脱落，可以保持涂层的完整性。
附图说明
图1 激光喷涂系统示意图。
图2 激光加工系统图。
图3 数控装置控制系统图。
图4 铝涂层表面形貌。
(a) 激光喷涂后铝涂层表面形貌 (b) 沸水封孔后铝涂层表面形貌
图5 铝涂层界面形貌。
(c) 激光喷涂后铝涂层界面形貌 (d) 沸水封孔后铝涂层界面形貌
图6 海水腐蚀后表面形貌。
(a) 海水腐蚀前；(b) 海水腐蚀后。
具体实施方式
(1) 激光加工前预处理工件。选用海洋平台用钢作为加工工件，选择磨粒无油污、干燥清洁的刚玉砂对工件进行喷砂处理，保证工件表面干燥无灰尘，完成后将工件装夹在机床工作台上保持水平。
(2) 如图1所示，将铝丝盘装入送丝系统，将送丝系统与激光头分别固定；加工时，图1中激光束经过F7卡斯格林光学系统聚焦至一点，同时铝丝通过送丝滚轮和送丝铜导管被送至激光聚焦处，并被瞬间加热至液态，气体保护系统将气帘室中的氩气保护气通过喷嘴吹出，在将液态铝雾化的同时有效的隔绝铝合金高温涂层与空气接触，防止涂层的氧化；气体保护系统采用同轴吹气装置，随激光头做任意方向的运动。
(4) 根据需要喷涂的铝涂层厚度通过图3中PLC控制器设置初始激光参数，即激光功率4KW-5KW，光斑直径4-6mm，调整工作台或工件与气体保护装置最底端喷嘴的距离使得喷涂一次铝涂层的涂层宽度为45-55mm；通过图3中CAM编程系统设置机床工作台的运动参数，即工件移动速度50-60mm/s、移动距离，保证涂层的厚度与均匀；移动距离为移动方向上工件的长度，最高可达到145-155mm。
(5) 激光头在加工时位置保持不变，三坐标液压工作台带动工件在Z-Y面做S型往复运动，在工件表面喷涂一层铝涂层，再次回到原点重复喷涂直至达到规定厚度；喷涂后涂层存孔隙，喷涂结束后将工件放入加热炉中进行20min热扩散，热扩散温度控制在430-450℃，最后用沸水法封住涂层孔隙，制获得高耐蚀铝涂层。
(6) 本发明专利的喷涂铝涂层厚度100-500μm，工作效率10-12m2/h，利用本发明专利制备的涂层表面形貌如图4(a)所示，经沸水封孔20min后表面形貌如图4(b)所示，其组织为非晶质铝，抗腐蚀性能好。
(7) 利用本发明专利制备的涂层界面形貌如图5(c)所示，经沸水封孔20min后表面形貌如图5(d)所示，由于Al和Fe在铝涂层结合界面处形成FeAl化合物，其结合方式为冶金结合，抗海水冲蚀性能高。
(8) 本发明专利制备的铝涂层在海水中浸泡3200h后表面无明显的腐蚀现象，如图6（b）所示，抗海水腐蚀性能优良。

Claims (10)

1.海洋平台用钢激光热喷涂铝涂层防海水腐蚀的装置，其特征在于：按照激光发射的方向依次包括激光系统、光学系统、送丝系统、气体保护系统和工作台；光学系统能够把激光系统发出的激光聚焦成圆形激光束，送丝系统包括丝盘、送丝滚轮和送丝铜导管，丝盘上的铝丝通过送丝滚轮送入送丝铜导管中，直至激光聚焦处，气体保护系统包括气帘室和喷嘴，在激光系统的激光头底端连接有气帘室，气帘室的底端连接有喷嘴，为同轴设置，激光头内设有激光束通道，气帘室、喷嘴的中间均设有与激光束通道相对应的气帘室通道和喷嘴通道；工作台上安装有工件，位于激光聚焦处的前方。
2.如权利要求1所述的海洋平台用钢激光热喷涂铝涂层防海水腐蚀的装置，其特征在于：送丝系统的丝盘、送丝滚轮和送丝铜导管都是安装在一个水平的工作台面上，工作台上的工件距离激光聚焦处的距离或者说工作台或工件与气体保护装置最底端喷嘴的距离根据气体保护装置中喷嘴吹出的保护气的速度和铝液冷却速度决定。
3.如权利要求2所述的海洋平台用钢激光热喷涂铝涂层防海水腐蚀的装置，其特征在于：工件距离激光聚焦处或者说工作台或工件与气体保护装置最底端喷嘴的距离在10-15mm。
4.如权利要求1所述的海洋平台用钢激光热喷涂铝涂层防海水腐蚀的装置，其特征在于：所述的光学系统为F7卡斯格林光学系统，能够把激光系统发出的激光聚焦成圆形激光束聚焦成3-5mm的圆形激光束。
5.海洋平台用钢激光热喷涂铝涂层防海水腐蚀的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在喷涂前对工件进行喷砂预处理除去表面铁锈和杂质；
(2)将铝丝盘装入送丝系统，将送丝系统与激光头分别固定；加工时，激光束经过F7卡斯格林光学系统聚焦至一点，同时铝丝通过送丝滚轮和送丝铜导管被送至激光聚焦处，并被瞬间加热至液态，气体保护系统将气帘室中的氩气保护气通过喷嘴吹出，在将液态铝雾化的同时有效的隔绝铝合金高温涂层与空气接触，防止涂层的氧化；气体保护系统采用同轴吹气装置，随激光头做任意方向的运动；
(3)激光头在加工时位置保持不变，三坐标液压工作台带动工件在Z-Y面做S型往复运动，在工件表面喷涂一层铝涂层，再次回到原点重复喷涂直至达到规定厚度；喷涂后涂层存孔隙，喷涂结束后将工件放入加热炉中进行热扩散，热扩散温度控制在430-450℃，最后用沸水法封住涂层孔隙，制获得高耐蚀铝涂层。
6.如权利要求5所述的海洋平台用钢激光热喷涂铝涂层防海水腐蚀的方法，其特征在于：所述铝丝选用铝线材降低氧化率，铝线材6061为半硬态，直径为3mm，纯度>99.5％。
7.如权利要求5所述的海洋平台用钢激光热喷涂铝涂层防海水腐蚀的方法，其特征在于： 所述氩气保护气的流速在0.617-1.59g/s，冷却速度在103-106K/s。
8.如权利要求5所述的海洋平台用钢激光热喷涂铝涂层防海水腐蚀的方法，其特征在于：所述激光加工的具体工艺参数为：激光功率4kW-5kW，光斑直径3-5mm。
9.如权利要求5所述的海洋平台用钢激光热喷涂铝涂层防海水腐蚀的方法，其特征在于：所述工件为板状工件，其移动速率即相当于激光扫描速率，控制在50-60mm/s，移动距离即为工件加工方向的长度，达到145-155mm；一次喷涂时间即为工件长度/移动速率，该喷涂方法一次可在工件表面形成100-200μm厚、宽度为45-55mm的铝涂层。
10.如权利要求5所述的海洋平台用钢激光热喷涂铝涂层防海水腐蚀的方法，其特征在于：所述热扩散的时间为20min；所述规定厚度为100-500μm。
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