CN110318051A - 一种激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海工装备活塞杆涂层及制备工艺 - Google Patents

一种激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海工装备活塞杆涂层及制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海工装备活塞杆涂层及制备工艺，以质量百分比计，所述的涂层按质量百分比计的组份如下：Cr：15～19％、Mn：1～2％、Mo：5～8％、W：1～2％、B：11～16％、C：2～5％、Si：1～3％、陶瓷粉末：8～10％、稀土氧化物粉末：0.5～2％、Fe：余量。以该涂层为熔覆材料，采用激光熔覆可获得一种激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海工装备活塞杆涂层，该涂层具有优异的耐磨、耐腐蚀性能，并且涂层表面硬度高，与基体材料结合力强，能够承载较大载荷，有效解决了现有涂层易剥落、腐蚀、磨损环境下服役等问题。本发明的生产成本低，制备方法工艺可靠，性能稳定，适合在淡水、海洋装备设施上大规模应用。

Description

一种激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海 工装备活塞杆涂层及制备工艺
技术领域
本发明涉及海工装备活塞杆涂层，尤其涉及一种激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海工装备活塞杆涂层及制备工艺。
背景技术
启闭机活塞杆长期服役于潮湿的环境中，启闭机中的活塞杆不仅要承受吸附于活塞杆表面的砂粒等杂物的磨损，还要承受潮湿环境和各种污染环境的腐蚀，严重影响活塞杆的性能并会缩短其使用寿命，严重影响活塞杆运行的可靠性和稳定性。活塞杆运行的安全可靠性和稳定性至关重要，严重影响着人民财产和生命安全。因此，有必要研究开发一种可提高启闭机活塞杆的耐磨损性能耐腐蚀性涂层。
目前主要通过在活塞杆表面镀铬和等离子喷涂制备Cr2O3基或 Al2O3基涂层的方式来提高活塞杆的抗腐蚀、抗磨损性能、抗高温特性和使用寿命。但通过以上方法制备的涂层未封孔前孔隙率一般在 2-5％，结合强度一般在35Mpa左右，抗腐蚀和抗磨损性能较差。
涂层上的孔隙是腐蚀通道，涂层上孔隙多少直接关系到了涂层的抗腐蚀性能，越少则抗腐蚀性能越好。现在用海工装备活塞杆涂层的封孔剂，无论是有机的才是无机材料作为封孔剂，由于海水冲刷、海沙磨损等导致这些在实际工程使用寿命很短，比如浙江某沿海大闸上用的活塞杆涂层封孔2年多就出现问题，导致涂层腐蚀膨胀或剥落，进而由导致启闭设备卡死，无法运行，存在严重安全隐患。
现有海工装备活塞杆寿命也比较短，一旦出现问题就会导致机组大修或造成安全事故，因此如何制备可以使用更长时间的活塞杆涂层是亟需要解决的关键技术问题。现有涂层按照能源行业标准，耐中性盐雾试验标准是2000h，符合该标准的涂层在淡水环境下一般可以使用10年以上，但是在海洋工况下，一般使用寿命也就2年左右，本发明通过大量试验研究制备获得耐中性盐雾时间超过4000h，以制备出长寿命耐腐蚀耐磨损活塞杆。
针对以上问题，本发明旨在开发一种稀土改性铁基陶瓷复合涂层及其制备方法，实现涂层的环保性、高效性和实用性的结合。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海工装备活塞杆涂层及制备工艺。
本发明所采用的技术方案如下：
一种稀土改性铁基陶瓷复合涂层，由Fe基粉末、稀土氧化物粉末、陶瓷粉末组成；所述的Fe基粉末为Fe、Cr、Mn、Mo、W、B、 C、Si的混合粉末，所述的稀土氧化物粉末为La2O3或CeO2粉末，所述的陶瓷粉末为Al2O3或Cr2O3粉末；所述的涂层按质量百分比计的组份如下：Cr：15～19％、Mn：1～2％、Mo：5～8％、W：1～2％、B：11～16％、 C：2～5％、Si：1～3％、陶瓷粉末：8～10％、稀土氧化物粉末：0.5～2％、Fe：余量。
上述技术方案中，进一步地，所述的Fe基粉末的粒径为 50-180μm；所述的稀土氧化物粉末的粒径为50～110μm；所述的陶瓷粉末的粒径为56～135μm。
进一步地，以上述的配方为原料，采用激光熔覆而成。
本发明还提供了一种稀土改性铁基陶瓷复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
1)按配方称取各组份；
2)将步骤(1)中的所有组份球磨混合20-30小时，获得均匀的复合粉末；
3)将复合粉末平铺，放在保温箱内烘干，保温温度为100～120℃，烘干时间为2～4小时；
4)用丙酮或酒精将基材表面清洗干净，并放于保温箱内50～60℃烘干；然后将基体加热至100～120℃；
5)在基材表面对复合粉末进行激光熔覆，获得稀土改性铁基陶瓷复合涂层。
更进一步地，步骤5)中激光熔覆的条件为：激光功率：1.0-3.0KW，熔覆速度8-12mm/s，搭接宽度2.2-2.8mm，送粉率：0.8-1.2r/min。
进一步地，所述的步骤5)中获得的稀土改性铁基陶瓷复合涂层的厚度为1～3mm。
本发明还提供一种海工装备活塞杆，所述的活塞杆是以Q355钢或2205不锈钢为基材，在活塞杆基材表面具有上述的稀土改性铁基陶瓷复合涂层，所述的涂层是采用激光熔覆制得，所述的活塞杆为一种激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀的海工装备活塞杆。
本发明获得的稀土改性铁基陶瓷复合涂层的厚度为1～3mm，未见涂层的孔隙；涂层的显微硬度900～1100HV；涂层与基体为冶金结合；根据标准《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》(GB/T10125-2012)，本发明的涂层耐铜加速乙酸盐雾试验(CASS)650h未见明显腐蚀行为(其耐腐蚀性相当于耐中性盐雾试验(NSS)5000h未见明显腐蚀行为)。
本发明的一种激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海工装备活塞杆涂层与现有涂层相比，可明显降低涂层的孔隙率，具有优异的耐磨、耐腐蚀性能，涂层表面硬度高，与基体材料结合力强，能够承载较大载荷，耐腐蚀性能好，可有效解决现有涂层易剥落、易磨损、不耐高温、易腐蚀等问题。本发明的生产成本低，制备方法工艺可靠，性能稳定，不仅适合在淡水环境下启闭机活塞杆，还适合海洋平台、洋流发电、船舶等海洋设施上大规模应用。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明实施例中采用的激光熔覆设备为LDF 4000-100VGP半导体激光熔覆设备，激光功率：1.0-3.0KW，熔覆速度8-12mm/s，搭接宽度2.2-2.8mm，送粉率：0.8-1.2r/min。
本发明实施例中的一种激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海工装备活塞杆涂层，其成分组成为Cr：15～19％、Mn： 1～2％、Mo：5～8％、W：1～2％、B：11～16％、C：2～5％、Si：1～3％、 Al2O3(或Cr2O3)：8～10％、La2O3(或CeO2)：0.5～2％、Fe：余量。粉末粒径为50-180μm。所述的Fe基粉末的粒径为50-180μm；所述的稀土氧化物粉末的粒径为50～110μm；所述的陶瓷粉末的粒径为 56～135μm。
本发明实施例中喷涂基体采用Q355钢或2205不锈钢。
实施例1
激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海工装备活塞杆涂层组成：Cr：16.5％、Mn：1.5％、Mo：7％、W：1.5％、B： 13.5％、C：3％、Si：2％、Al2O3:8.5％、La2O3：0.5％、Fe：余量。
将上述粉末球磨混合20小时，获得均匀的复合粉末。
将复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为100℃，烘干时间为1小时。
用丙酮将2205不锈钢喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内 40℃烘干，除去其表面油渍污物。
将2205不锈钢采用电磁感应同步加热至100℃。
在基材表面对复合粉末进行激光熔覆，激光功率：1.5KW，熔覆速度8mm/s，搭接宽度2.2mm，送粉率：0.8r/min。
本实施例所制得涂层的厚度为1.2mm，未见孔隙；涂层的平均显微硬度为907HV；耐铜加速乙酸盐雾试验(CASS)590h未见明显腐蚀行为，其耐腐蚀性相当于耐中性盐雾试验(NSS)4720h未见明显腐蚀行为。
实施例2
激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海工装备活塞杆涂层组成：Cr：16.5％、Mn：1.5％、Mo：7％、W：1.5％、B： 13.5％、C：3％、Si：2％、Cr2O3:8.5％、La2O3：0.5％、Fe：余量。
将上述粉末球磨混合30小时，获得均匀的复合粉末。
将复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为100℃，烘干时间为1小时。
用丙酮将Q355钢喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内40℃烘干，除去其表面油渍污物。
将Q355钢采用电磁感应同步加热至100℃。
在基材表面对复合粉末进行激光熔覆，激光功率：2.0KW，熔覆速度10mm/s，搭接宽度2.5mm，送粉率：1.0r/min。
本例所得涂层的厚度为1.6mm，未见孔隙；涂层的平均显微硬度为972HV；耐铜加速乙酸盐雾试验(CASS)650h未见明显腐蚀行为 (其耐腐蚀性相当于耐中性盐雾试验(NSS)5000h未见明显腐蚀行为)。
实施例3
激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海工装备活塞杆涂层组成：Cr：18.5％、Mn：2％、Mo：6％、W：2％、B：11.5％、 C：4％、Si：1.5％、Al2O3:9.5％、CeO2：1％、Fe：余量。
将上述粉末球磨混合23小时，获得均匀的复合粉末。
将复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为100℃，烘干时间为1小时。
用丙酮将2205不锈钢喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内 40℃烘干，除去其表面油渍污物。
将2205不锈钢采用电磁感应同步加热至100℃。
在基材表面对复合粉末进行激光熔覆，激光功率：2.5KW，熔覆速度10mm/s，搭接宽度2.8mm，送粉率：1.2r/min。
该涂层厚度为2.3mm，未见孔隙；涂层的平均显微硬度为 1082HV0.2；耐铜加速乙酸盐雾试验(CASS)650h未见明显腐蚀行为 (其耐腐蚀性相当于耐中性盐雾试验(NSS)5000h未见明显腐蚀行为)。
实施例4
激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海工装备活塞杆涂层组成：Cr：18.5％、Mn：2％、Mo：6％、W：2％、B：11.5％、 C：4％、Si：1.5％、Cr2O3:9.5％、CeO2：1％、Fe：余量。
将上述粉末球磨混合25小时，获得均匀的复合粉末。
将复合粉末平铺，放在保温箱内进行烘干，保温温度为100℃，烘干时间为1小时。
用丙酮将Q355钢喷涂基材表面清洗干净，并放于保温箱内40℃烘干，除去其表面油渍污物。将Q355钢采用电磁感应同步加热至 100℃。
在基材表面对复合粉末进行激光熔覆，激光功率：3.0KW，熔覆速度12mm/s，搭接宽度2.5mm,送粉率：1.2r/min。
该涂层厚度为2.2mm，未见孔隙；涂层的平均显微硬度为 1063HV0.2；耐铜加速乙酸盐雾试验(CASS)610h未见明显腐蚀行为 (其耐腐蚀性相当于耐中性盐雾试验(NSS)4810h未见明显腐蚀行为)。

Claims (7)

1.一种稀土改性铁基陶瓷复合涂层，其特征在于，由Fe基粉末、稀土氧化物粉末、陶瓷粉末组成；所述的Fe基粉末为Fe、Cr、Mn、Mo、W、B、C、Si的混合粉末，所述的稀土氧化物粉末为La2O3或CeO2粉末，所述的陶瓷粉末为Al2O3或Cr2O3粉末；所述的涂层按质量百分比计的组份如下：Cr：15～19％、Mn：1～2％、Mo：5～8％、W：1～2％、B：11～16％、C：2～5％、Si：1～3％、陶瓷粉末：8～10％、稀土氧化物粉末：0.5～2％、Fe：余量。
2.根据权利要求1所述的稀土改性铁基陶瓷复合涂层，其特征在于，所述的Fe基粉末的粒径为50-180μm；所述的稀土氧化物粉末的粒径为50～110μm；所述的陶瓷粉末的粒径为56～135μm。
3.一种如权利要求1或2所述的稀土改性铁基陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，采用激光熔覆而成。
4.一种如权利要求3所述的稀土改性铁基陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按配方称取各组份；
2)将步骤(1)中的所有组份球磨混合20-30小时，获得均匀的复合粉末；
3)将复合粉末平铺，放在保温箱内烘干，保温温度为100～120℃，烘干时间为2～4小时；
4)用丙酮或酒精将基材表面清洗干净，并放于保温箱内50～60℃烘干；然后将基体加热至100～120℃；
5)在基材表面对复合粉末进行激光熔覆，获得稀土改性铁基陶瓷复合涂层。
5.根据权利要求4所述的稀土改性铁基陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤5)中激光熔覆的条件为：激光功率：1.0-3.0KW，熔覆速度8-12mm/s，搭接宽度2.2-2.8mm，送粉率：0.8-1.2r/min。
6.根据权利要求4所述的稀土改性铁基陶瓷复合涂层制备方法，其特征在于，所述的步骤5)中获得的稀土改性铁基陶瓷复合涂层的厚度为1～3mm。
7.一种海工装备活塞杆，其特征在于，所述的活塞杆是以Q355钢或2205不锈钢为基材，在活塞杆基材表面具有如权利要求1所述的稀土改性铁基陶瓷复合涂层，所述的涂层是采用激光熔覆制得，所述的活塞杆为一种激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀的海工装备活塞杆。
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