CN106399897A - 一种激光热喷涂制备非晶铝涂层的方法与装置 - Google Patents

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王文昌
宋仁国
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C23C4/08—Metallic material containing only metal elements

Abstract

本发明涉及海洋平台用S355钢表面改性处理技术领域，特指S355钢表面激光热喷涂非晶铝涂层的方法与装置。在喷涂前对S355钢进行喷砂预处理，根据不同的喷涂厚度要求和S355钢形状要求，确定工作台移动速度、距离以及喷涂时间，移动速度为15‑25mm/s，移动距离即为S355钢加工方向的长度，一次喷涂时间即为S355钢长度/移动速率，该喷涂方法一次可在S355钢表面形成100μm厚的非晶铝涂层，200μm厚的非晶铝涂层需要喷涂2次；将喷涂非晶铝涂层的S355钢放入真空炉中，进行350±5℃的热扩散保温2h后，随炉冷却，即得到所需的非晶铝涂层。

Description

一种激光热喷涂制备非晶铝涂层的方法与装置
技术领域
本发明专利涉及海洋平台用S355钢表面改性处理技术领域，特指S355钢表面激光热喷涂非晶铝涂层的方法与装置，可以解决S355钢长效防腐蚀和使用寿命的问题，提高海洋平台抗腐蚀能力和非晶铝涂层抗脱落性能，属于材料表面改性领域。
背景技术
传统的热喷涂铝涂层与S355钢是机械结合方式，在长期的高温、高压环境下，涂层与S355钢结合强度下降，会产生脱落现象；本发明专利通过激光热喷涂工艺在S355钢基材表面制备一层非晶铝涂层，经过在300-350℃真空炉中保温2h处理，随炉冷却后涂层组织致密性得到提高，起到了封孔作用，涂层与S355钢形成冶金结合方式，改善了非晶铝涂层防腐蚀性能。
发明内容
本发明专利涉及的S355钢激光喷涂非晶铝涂层装置如图1所示，按照激光发射的方向依次包括激光系统、光学系统、送粉系统、气体保护系统和工作台。用F7卡斯格林光学系统能够把激光系统发出的激光聚焦成直径为3-5mm的圆形激光束；送粉系统包括全水冷送粉头，全水冷送粉头前段位于激光聚焦处，激光对全水冷送粉头送出200目的纯铝粉颗粒进行加热熔化；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，气帘室、喷嘴与激光系统的激光头为同轴设置，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；S355钢安装在工作台上，位于激光聚焦处的下方；铝粉在氩气保护下，在S355钢表面形成一层厚度为200μm涂层。
工作台上的S355钢距离激光聚焦处的距离根据气体保护装置中喷嘴吹出的氩气保护气体速度和铝涂层冷却速度决定；氩气流速度为0.617-1.59g/s，铝涂层冷却速度为在103-106K/s，S355钢试样距离激光聚焦处或者说S355钢试样与气体保护装置最底端喷嘴的距离在10-15mm；激光喷涂工艺参数：激光功率为1800W，光斑直径为3.5mm，全水冷送粉头内径为Ф3mm，保护气嘴内径为Ф8mm。
在喷涂前对S355钢进行喷砂预处理，根据不同的喷涂厚度要求和S355钢形状要求，确定工作台移动速度、距离以及喷涂时间，移动速度为15-25mm/s，移动距离即为S355钢加工方向的长度，一次喷涂时间即为S355钢长度/移动速率，该喷涂方法一次可在S355钢表面形成100μm厚的非晶铝涂层，200μm厚的非晶铝涂层需要喷涂2次；将喷涂非晶铝涂层的S355钢放入真空炉中，进行350±5℃的热扩散保温2h后，随炉冷却，即得到所需的非晶铝涂层。
本发明专利主要特征：
(1)经过350±5℃的热扩散保温2h后，非晶铝涂层与S355钢形成良好冶金结合方式，组织结构更加致密，起到了封孔作用，涂层的防腐蚀性能得到提高。
(2)激光热喷涂对S355钢的影响区小，不易产生残余应力，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非晶铝涂层表面与截面形貌；(a)表面形貌，(b)截面形貌。
图3非晶铝涂层XRD物相分析图。
图4 Al和Fe元素的界面扩散图；(a)Al元素扩散，(b)Fe元素扩散。
具体实施方式
(1)使用180#-1000#砂纸对基材表面进行打磨，用无水乙醇清洗，丙酮脱脂，以去掉试样表面油脂和杂物，确保基材表面清洁度达到Sa3级。
(2)使用粒径为1mm铸铁砂为磨粒，压缩空气压力＞0.8MPa，喷砂距离为200mm，喷砂角度为20°，使精糙度到达Rz60μm。
(3)如图1所示，将200目的纯铝粉颗粒装入全水冷送粉头，将水冷送粉头与激光系统激光头分别固定；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，同时铝粉颗粒送至激光聚焦处，并被瞬间加热至熔融态，气体保护系统将气帘室中的氩气保护气通过喷嘴吹出，在熔融态铝粉雾化同时，有效地隔绝铝涂层与空气接触，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)根据喷涂的非晶铝涂层厚度要求，设置激光参数，即激光功率为1800W，光斑直径3.5mm，调整S355钢试样与气体保护装置最底端喷嘴的距离，使得喷涂一次非晶铝涂层的涂层宽度为45-55mm；S355钢试样移动速度为15-25mm/s，保证涂层的厚度与均匀。
(5)激光头在加工时位置保持不变，在S355钢表面喷涂一层非晶铝涂层，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S355钢放入真空炉中进行2h热扩散保温后随炉冷却，热扩散温度控制在350±5℃。
(6)本发明专利制备的非晶铝涂层表面形貌如图2(a)所示，喷涂非晶铝涂层厚度为200μm，如图2(b)所示。
(7)本发明专利制备的非晶铝涂层物相分析如图3所示，在2θ＝20-30o时出现了非晶铝，因此其物相是由铝和非晶铝组成，抗腐蚀性能好。
(8)经过350±5℃的热扩散后，涂层界面形貌如图4所示，Al和Fe在界面结合处发生了一定的扩散，形成冶金结合方式，提高了非晶铝涂层抗腐蚀和脱落性能。

Claims (5)

1.一种激光热喷涂制备非晶铝涂层的装置，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、送粉系统、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直径为3-5mm的圆形激光束；送粉系统包括全水冷送粉头，全水冷送粉头前段位于激光聚焦处，激光对全水冷送粉头送出的纯铝粉颗粒进行加热熔化；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，气帘室、喷嘴与激光系统的激光头为同轴设置，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；S355钢安装在工作台上，位于激光聚焦处的下方。
2.如权利要求1所述的一种激光热喷涂制备非晶铝涂层的装置，其特征在于：所述光学系统为F7卡斯格林光学系统；纯铝粉颗粒为200目。
3.如权利要求1所述的一种激光热喷涂制备非晶铝涂层的装置，其特征在于：工作台上的S355钢距离激光聚焦处的距离根据气体保护装置中喷嘴吹出的氩气保护气体速度和铝涂层冷却速度决定；氩气流速度为0.617-1.59g/s，铝涂层冷却速度为在103-106K/s，S355钢试样距离激光聚焦处或者说S355钢试样与气体保护装置最底端喷嘴的距离在10-15mm；全水冷送粉头内径为Ф3mm，保护气嘴内径为Ф8mm。
4.采用如权利要求1所述装置进行激光热喷涂制备非晶铝涂层的方法，其特征在于：在喷涂前对S355钢进行喷砂预处理，根据不同的喷涂厚度要求和S355钢形状要求，确定工作台移动速度、距离以及喷涂时间，移动速度为15-25mm/s，移动距离即为S355钢加工方向的长度，一次喷涂时间即为S355钢长度/移动速率，该喷涂方法一次可在S355钢表面形成100μm厚的非晶铝涂层，200μm厚的非晶铝涂层需要喷涂2次；将喷涂非晶铝涂层的S355钢放入真空炉中，进行350±5℃的热扩散保温2h后，随炉冷却，即得到所需的非晶铝涂层。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)使用180#-1000#砂纸对S355钢试样表面进行打磨，用无水乙醇清洗，丙酮脱脂，以去掉试样表面油脂和杂物，确保试样表面清洁度达到Sa3级；
(2)使用粒径为1mm铸铁砂为磨粒，压缩空气压力＞0.8MPa，喷砂距离为200mm，喷砂角度为20°，使精糙度到达Rz60μm；
(3)将200目的纯铝粉颗粒装入全水冷送粉头，将水冷送粉头与激光系统激光头分别固定；加工时，激光束经过F7卡斯格林光学系统聚焦至一点，同时铝粉颗粒送至激光聚焦处，并被瞬间加热至熔融态，气体保护系统将气帘室中的氩气保护气通过喷嘴吹出，在熔融态铝粉雾化同时，有效地隔绝铝涂层与空气接触，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)根据喷涂的非晶铝涂层厚度要求，设置激光参数，即激光功率为1800W，光斑直径3.5mm，调整S355钢试样与气体保护装置最底端喷嘴的距离，使得喷涂一次非晶铝涂层的涂层宽度为45-55mm；S355钢试样移动速度为15-25mm/s，保证涂层的厚度与均匀；
(5)激光头在加工时位置保持不变，在S355钢表面喷涂一层非晶铝涂层，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S355钢放入真空炉中进行2h热扩散保温后随炉冷却，热扩散温度控制在350±5℃。
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