CN108326287B - 耐腐蚀激光熔覆粉末及其熔覆方法和用途 - Google Patents

耐腐蚀激光熔覆粉末及其熔覆方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及耐腐蚀激光熔覆粉末及其熔覆方法和用途，其中激光熔覆粉末包括以下质量分数的粉末组分：镍：9～15％；铬：20～30％；钼：3～5％；硼：0.5～1％；硅：0.5～1％；碳：0.1～0.15％；钨：0.7～1.3％；钛：0.5～1.6％；氮：0.2～1.1％：铁：余量。本发明的激光熔覆粉末，在基体表面形成耐腐蚀合金涂层，能提高普通钢铁的耐腐蚀性能，特别是对高氯离子环境的耐腐蚀性能，拓展了普通钢铁的应用领域，降低了经济成本。

Description

耐腐蚀激光熔覆粉末及其熔覆方法和用途
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，特别涉及耐腐蚀激光熔覆粉末及其使用方法和用途。
背景技术
随着人类对海洋开发利用的逐步深入以及规模的不断扩大，各种海上基础设施大量兴建，紧固件的需求量日益增加。然而由于高氯化物与高湿热的苛刻环境，要求产品必须有较高的耐腐蚀性能，否则将影响海洋设施的使用安全。
目前，在海上、海岛或近海岸工程项目中工程中应用较多的耐海水腐蚀金属材料包括钛合金、蒙耐尔合金、白铜合金与高性能不锈钢合金等，此类金属材料一般价格比较昂贵，大批量应用引起的工程造价居高不下，而使用普通低碳钢的话，则必须进行表面改性，目前改性技术主要包括热喷涂表面改性技术、等离子体表面改性技术与激光表面改性技术三种。热喷涂工艺涂层存在空洞、气孔等冶金缺陷，同时在使用过程中易发生脱落，应用范围较窄。等离子体表面改性技术生成的膜层较薄，技术复杂，花费昂贵，不适合大型如耐腐蚀材料的表面改性应用。激光表面熔覆技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法，具有工艺简单、涂层厚度可控、生产成本低等特点，是提高材料使用性能的比较合理的途径。
熔覆粉末材料和熔覆工艺是激光熔覆修复技术的重要组成部分，传统热喷涂材料无法适应海洋高氯离子的腐蚀环境，也极易在涂层中产生较大的组织应力和热应力进而导致开裂现象。
发明内容
本发明的目的是为解决以上问题，本发明提供一种耐腐蚀激光熔覆粉末及其使用方法和用途。本发明的技术方案是通过以下实现的。而激光熔覆涂层具有组织细小、无孔洞、涂层与基材呈冶金结合、结合强度高等特点。
根据本发明的一个方面，提供激光熔覆粉末，包括以下质量分数的粉末组分：
镍：9～15％；铬：20～30％；钼：3～5％；硼：0.5～1％；硅：0.5～1％；碳：0.1～0.15％；钨：0.7～1.3％；钛：0.5～1.6％；氮：0.2～1.1％：铁：余量。
其中，包括以下质量分数的组分：
镍：14.6～15％；铬：20～23％；钼：3～3.5％；硼：0.5～1％；硅：0.5～1％；碳：0.12～0.15％；钨：0.7～0.9％；钛：1.2～1.6％；氮：0.6～1.1％：铁：余量。
其中，各组分粉末的粒径均位于160～225目之间。
根据本发明的另一方面，提供该激光熔覆粉末的熔覆方法，包括以下步骤：
(1)对激光熔覆粉末和作为基体的低碳钢材料进行预热处理。
(2)采用同步送粉的方式利用激光将激光熔覆粉末熔覆在低碳钢材料的表面，其中激光功率为1650w～1800w，且低碳钢材料的运动方向与粉末气流的运动方向的夹角为45～60度。
(3)对熔覆完成后的低碳钢材料进行后热处理。
其中，步骤(2)包括：送粉流量0.8～1kg/h，扫描速度为1～1.2cm/min，送粉喷嘴在低碳钢材料表面投射的送粉区域与光斑的比例为2:3，熔覆厚度为3～6mm。
其中，步骤(1)包括：将激光熔覆粉末加热至100℃，保温；将低碳钢材料；加热至500～600℃,保温。
其中，步骤(3)包括：将熔覆后的低碳钢材料置于400℃的环境中保温1～2小时，然后置于空气中逐渐冷却。
根据本发明的第三方面，提供该激光熔覆粉末在防止低碳钢材料被高氯离子环境腐蚀方面的应用。
其中，高氯离子环境为海水。
本发明中，镍元素保证了熔覆层与普通中低钢铁材料的润湿性，固定含量的镍元素，可以使熔覆层与低碳钢基体合金结合良好，并且提高熔覆层的耐腐蚀性能。
铬元素保证了熔覆层的耐腐蚀性能，合金化元素铬在熔覆层形成过程中被固溶或者合金化溶入到涂层中间，并且在空气中极其容易被钝化，在涂层表面形成一层钝化层，提高涂层的耐腐蚀性。
合金化钼元素在熔覆层形成过程中被固溶或者合金化溶入到涂层中间，可以进一步强化元素铬形成的钝化层，提高熔覆层的抗海水腐蚀能力。
硼元素提高合金粉末熔化熔覆过程中的造渣功能，使得合金在熔化过程产生的各类杂质，与硼形成化合物，进一步强化低碳钢基体与熔覆层的附着力，密度较小的硼化合物在激光熔覆过程一般浮于金属溶液之上，最大程度以废渣形式排出。
硅元素提高熔覆过程中金属溶液的流动性，使得熔覆层合金元素分布比较均匀。
碳元素保证合金熔覆层具备足够的硬度，在合金熔化过程中，碳元素容易与铁元素形成合金化合物，提高了熔覆层具备一定的硬度。
钨元素提高合金粉末形成的涂层的耐腐蚀性能，钨粉、碳粉、铬铁粉在激光熔覆过程中，充分反应，产生新的硬质相(CrFe)7C3和Fe4W2C、FeW3C6等，这些新相的形成导致涂层中的物相组织变得更加细小，分布更加均匀，Cr2O3氧化膜变得更加致密，不易被割裂。形成的Cr2O3氧化膜具有隔离高氯离子腐蚀液的功能，从而提高耐腐蚀性。当钨：铬：碳：铁含量分别位于本发明配方的配比范围内时，涂层的腐蚀电流最小，熔覆层的耐腐蚀性能最好，钨碳粉的比例过大，会有更多的新相产生，引发裂纹萌生，导致涂层失去防护作用，基体被腐蚀。
钛和氮粉在高温下熔覆，形成稳定性极高的，致密的氧化膜和氮化膜，该氧化膜和氮化膜与低碳钢材料结合紧密牢固，耐高氯离子腐蚀能力强。
由于基体材料为普通低碳钢，铁元素作为基体元素，在熔覆粉末中含量较高，能够避免涂层在熔覆过程中产生较大的组织应力和热应力，进而导致开裂现象。
本发明的耐腐蚀激光熔覆粉末及其使用方法和用途具有以下有益效果：
1.本发明通过激光熔覆的方法，在基体表面形成耐腐蚀合金涂层，能提高普通钢铁的耐腐蚀性能，特别是对高氯离子环境的耐腐蚀性能，拓展了普通钢铁的应用领域，降低了经济成本。
2.本发明的熔覆方法，涂层与基体的结合强度高，在使用过程中不易发生脱落，所形成的涂层中无裂纹孔洞产生，熔覆层不开裂。
具体实施方式
下面将更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然说明书中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
激光熔覆粉末X1，包括以下质量分数的粉末组分：
镍：9％；铬：24％；钼：3％；硼：0.8％；硅：0.9％；碳：0.15％；钨：1.3％；钛：1.3％；氮：0.4％：铁：余量。各组份粉末的粒径为160目。
激光熔覆粉末X1的熔覆方法，包括以下步骤：
(1)将激光熔覆粉末加热至100℃，保温；将Q235碳素结构钢零部件加热至500℃,保温。
(2)采用同步送粉的方式利用激光将激光熔覆粉末熔覆在Q235碳素结构钢零部件的表面，其中激光功率为1650w，且低碳钢材料的运动方向与粉末气流的运动方向的夹角为45度，送粉流量0.8kg/h，扫描速度为1.2cm/min，送粉喷嘴在低碳钢材料表面投射的送粉区域与光斑的比例为2:3，熔覆厚度为3mm。
(3)将熔覆后的Q235碳素结构钢零部件置于400℃的环境中保温1小时，然后置于空气中逐渐冷却。
金相组织检测：在高倍干物镜下可以观测到，形成的涂层组织成均匀、细小的枝状晶结构，晶柱的平均长度为6～11μm，涂层无裂纹孔，熔覆层与Q235碳素结构钢零部件表面结合良好。
实施例2
激光熔覆粉末X2，包括以下质量分数的粉末组分：
镍：15％；铬：20％；钼：5％；硼：1％；硅：1％；碳：0.1％；钨：0.7％；钛：1.6％；氮：1.1％：铁：余量。各组份粉末的粒径为180目。
激光熔覆粉末X2的熔覆方法，包括以下步骤：
(1)将激光熔覆粉末加热至110℃，保温；将Q195碳素结构钢零部件加热至550℃，保温。
(2)采用同步送粉的方式利用激光将激光熔覆粉末熔覆在Q195碳素结构钢零部件的表面，其中激光功率为1800w，且低碳钢材料的运动方向与粉末气流的运动方向的夹角为50度，送粉流量1.0kg/h，扫描速度为1.1cm/min，送粉喷嘴在低碳钢材料表面投射的送粉区域与光斑的比例为2:3，熔覆厚度为5mm。
(3)将熔覆后的Q195碳素结构钢零部件置于400℃的环境中保温1.5小时，然后置于空气中逐渐冷却。
金相组织检测：在高倍干物镜下可以观测到，形成的涂层组织成均匀、细小的胞状晶结构，涂层无裂纹孔，熔覆层与Q195碳素结构钢零部件表面结合良好。
实施例3
激光熔覆粉末X3，包括以下质量分数的粉末组分：
镍：11％；铬：30％；钼：4％；硼：0.5％；硅：0.5％；碳：0.12％；钨：1.2％；钛：0.5％；氮：0.2％：铁：余量。各组份粉末的粒径为225目。
激光熔覆粉末X3的熔覆方法，包括以下步骤：
(1)将激光熔覆粉末加热至120℃，保温；将Q255碳素结构钢零部件加热至600℃，保温。
(2)采用同步送粉的方式利用激光将激光熔覆粉末熔覆在Q255碳素结构钢零部件的表面，其中激光功率为1800w，且低碳钢材料的运动方向与粉末气流的运动方向的夹角为60度，送粉流量1.95kg/h，扫描速度为1cm/min，送粉喷嘴在低碳钢材料表面投射的送粉区域与光斑的比例为2:3，熔覆厚度为6mm。
(3)将熔覆后的Q255碳素结构钢零部件置于400℃的环境中保温2小时，然后置于空气中逐渐冷却。
金相组织检测：在高倍干物镜下可以观测到，形成的涂层组织成均匀、细小的柱状晶结构，晶柱的平均长度为8～13μm，涂层无裂纹孔，熔覆层与Q255碳素结构钢零部件表面结合良好。
实验例
室温时，使用浓度为3.5wt％NaCl溶液模拟海水条件，对实施例1～3的的Q235碳素结构钢零部件、Q195碳素结构钢零部件、Q255碳素结构钢零部件和06Cr17Ni12Mo2(316)奥氏体不锈钢零部件进行电化学测试，或极化曲线，经线性拟合得到如下表表1.1所示的腐蚀动力学参数。
表1.1线性拟合后的自腐蚀电位和电流密度
钢材料部件 自腐蚀电位(V) 电流密度(A/cm<sup>2</sup>)
Q235碳素结构钢零部件 -0.300 1.0450
Q195碳素结构钢零部件 -0.313 0.9760
Q255碳素结构钢零部件 -0.309 0.8895
316奥氏体不锈钢零部件 -0.312 0.9143
材料的耐腐蚀能力是通过自腐蚀电位和腐蚀电流来表征的，热力学上，材料的自腐蚀电位值越大，说明越不易被腐蚀，腐蚀动力学上，材料的腐蚀电流密度越小，说明腐蚀速率越低。通过表1.1对比可知，本发明产生的激光熔覆材料，耐高氯离子腐蚀性能良好，接近06Cr17Ni12Mo2(316)不锈钢合金。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种激光熔覆粉末的熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对激光熔覆粉末和作为基体的低碳钢材料进行预热处理；
(2)采用同步送粉的方式利用激光将激光熔覆粉末熔覆在低碳钢材料的表面，其中激光功率为1650w～1800w，且低碳钢材料的运动方向与粉末气流的运动方向的夹角为45～60度；
(3)对熔覆完成后的低碳钢材料进行后热处理；
其中，所述步骤(2)包括：送粉流量0.8～1kg/h，扫描速度为1～1.2cm/min，送粉喷嘴在低碳钢材料表面投射的送粉区域与光斑的比例为2:3，熔覆厚度为3～6mm；
所述步骤(1)包括：将激光熔覆粉末加热至100～120℃，保温；将低碳钢材料加热至500～600℃,保温；
所述步骤(3)包括：将熔覆后的低碳钢材料置于400℃的环境中保温1～2小时，然后置于空气中逐渐冷却；
其中所述激光熔覆粉末，包括以下质量分数的粉末组分：镍：9～15％；铬：20～30％；钼：3～5％；硼：0.5～1％；硅：0.5～1％；碳：0.1～0.15％；钨：0.7～1.3％；钛：0.5～1.6％；氮：0.2～1.1％：铁：余量；所述激光熔覆粉末能够防止低碳钢材料被海水环境腐蚀。
2.如权利要求1所述的激光熔覆粉末的熔覆方法，其特征在于，包括以下质量分数的组分：
镍：14.6～15％；铬：20～23％；钼：3～3.5％；硼：0.5～1％；硅：0.5～1％；碳：0.12～0.15％；钨：0.7～0.9％；钛：1.2～1.6％；氮：0.6～1.1％：铁：余量。
3.如权利要求1所述的激光熔覆粉末的熔覆方法，其特征在于，
各组分粉末的粒径均位于160～225目之间。
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