CN111074265A - 一种激光熔覆抗空蚀涂层及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光熔覆抗空蚀涂层及制备方法，属于合金涂层技术领域。所述抗空蚀涂层为通过激光熔覆在工件表面的形状记忆合金涂层。该形状记忆合金涂层能够基于其超弹性和形状记忆效应等循环特性，吸收空泡冲击产生的大部分能量和脉冲应力而产生超弹性变形及发生马氏体相变，外力卸载后形状记忆合金涂层发生弹性恢复和马氏体逆相变使其应变恢复，可缓冲耗散空泡冲击产生的大部分能量而避免自身损伤，达到延长空蚀孕育期、遏制空蚀裂纹萌生与扩展以提高抗空蚀性能的目的。激光熔覆的工艺流程简单，并可根据需要选择性局部细微处制备涂层，有效降低成本。本发明的激光熔覆钛镍涂层及制备方法可用于舰船螺旋桨制件及修复中，具有良好的经济性和应用前景。

Description

一种激光熔覆抗空蚀涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及一种激光熔覆抗空蚀涂层及制备方法，属于合金涂层技术领域。
背景技术
镍铝青铜由于具有良好的综合力学性能及耐蚀性，是目前舰船螺旋桨的首选材料。但螺旋桨在高速运行过程中会受到海水的空泡腐蚀，长期服役会导致镍铝青铜表面产生疲劳损伤，造成舰船动力推进失效，其潜在危险巨大。近等原子比钛镍合金能够通过应力诱发马氏体相变及马氏体再取向吸收大部分空泡溃灭产生的冲击能量，具有优异的抗空蚀性能，但由于原料价格过高，限制其广泛应用。鉴于疲劳裂纹仅是出现在表面，采用先进的表面技术在螺旋桨表面制备高质量的钛镍合金涂层是提高螺旋桨疲劳性能并节约大量成本的有效途径。
传统制备螺旋桨涂层的方法主要是焊接和喷涂，焊接方式可以将涂层与基体间形成冶金结合，但过大的热影响区导致螺旋桨基体受损甚至发生变形。喷涂的主要缺点是涂层与基体间的结合强度不够，导致螺旋桨运行时涂层容易剥离而影响工作。激光熔覆技术是目前螺旋桨涂层制备的首选方法，制备的钛镍合金涂层具有熔覆区与基体呈冶金结合且稀释率低、熔覆区形状不受限制等独特优势。
发明内容
为了解决目前舰船螺旋桨抗空蚀能力不足的问题，本发明提供一种激光熔覆抗空蚀涂层及其制备方法，制备一层形状记忆合金抗空蚀涂层，提高抗空蚀性能，且该形状记忆合金抗空蚀涂层与基体冶金结合良好。激光熔覆的制备方法工艺流程简单易操作，可以进行批量生产或部件局部细微处修复。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种激光熔覆的抗空蚀涂层，其特征在于：所述涂层是通过激光熔覆形成在工件表面的形状记忆合金涂层。
进一步地，所述形状记忆合金涂层镍钛记忆合金、铜基记忆合金、铁基记忆合金中的一种。
进一步地，所述形状记忆合金涂层为钛镍记忆合金涂层，钛镍组分的质量百分比为：Ti：42％～56％，Ni：44％～58％。
进一步地，所述钛镍组分的质量百分比为：Ti：Ni＝51％：49％。
所述激光熔覆的抗空蚀涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将形状记忆合金的组分原料在真空球磨机中进行研磨和混合；
(2)利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式将步骤(1)中的混合粉料在工件表面进行激光熔覆即得。
进一步地，步骤(1)中的研磨时间为15～35min，将混合粉末的粒度研磨至200～350目，形状为球形或近球形。
进一步地，氩气保护，氩气流量15L/min。
进一步地，步骤(2)中所述激光熔覆的工艺参数如下：
激光功率为800～2000W，光斑直径2～6mm，扫描速度5～10mm/s，搭接率50％，送粉速度6～14g/min。
本发明所述的激光熔覆抗空蚀涂层是通过激光熔覆形成在工件表面的形状记忆合金涂层，例如镍钛记忆合金、铜基记忆合金或铁基记忆合金。所述形状记忆合金涂层能够基于其超弹性和形状记忆效应等循环特性，吸收空泡冲击产生的大部分能量和脉冲应力而产生超弹性变形及发生马氏体相变，外力卸载后形状记忆合金涂层发生弹性恢复和马氏体逆相变使其应变恢复，可缓冲耗散空泡冲击产生的大部分能量而避免自身损伤，达到延长空蚀孕育期、遏制空蚀裂纹萌生与扩展以提高抗空蚀性能的目的。
通过激光熔覆的方式将记忆合金粉末熔覆在镍铝青铜表面，该形状记忆合金抗空蚀涂层与基体冶金结合良好，形状记忆合金涂层在基材上分布更均匀晶粒细小、结构致密，具有良好的硬度、耐磨和抗空蚀性。
附图说明
图1为本发明所述实施例5制备试样超声空蚀360min的SEM形貌图。
图2为本发明所述实施例5制备试样超声空蚀360min的三维形貌图。
图3为本发明所述实施例10制备试样超声空蚀360min的SEM形貌图。
图4为本发明所述实施例10制备试样超声空蚀360min的三维形貌图。
图5为镍铝青铜基板试样超声空蚀360min的SEM形貌图。
图6为镍铝青铜基板试样超声空蚀360min的三维形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明所述的激光熔覆的抗空蚀涂层是通过激光熔覆形成在工件表面的形状记忆合金涂层，例如镍钛记忆合金、铜基记忆合金、铁基记忆合金。其中，钛镍记忆合金涂层，钛镍组分的质量百分比为：Ti：42％～56％，Ni：44％～58％。
激光熔覆时，首先将形状记忆合金的组分原料在真空球磨机中进行研磨和混合；再利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式将混合粉料在工件表面进行激光熔覆即得。激光熔覆的工艺参数为：激光功率为800～2000W，光斑直径2～6mm，扫描速度5～10mm/s，搭接率50％，送粉速度6～14g/min。
本发明以镍铝青铜材质为工件，以镍钛形状记忆合金涂层、为例具体说明本发明的具体实施方式及抗空蚀的效果。
实施例1
将钛粉和镍粉以质量百分比为Ti：Ni＝44％：56％的比例称取，放入真空球磨机中进行研磨和混合，研磨时间20min使粉末粒度为300目。利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，氩气流量15L/min，采取同轴送粉的方式将获得的粉料进行激光熔覆。激光功率为1200W，光斑直径3mm，扫描速度6mm/s，搭接率50％，送粉速度8g/min。在镍铝青铜表面获得Ti：Ni＝44％：56％的形状记忆合金涂层。
实施例2
将钛粉和镍粉以质量百分比为Ti：Ni＝44％：56％的比例称取，放入真空球磨机中进行研磨和混合，时间为20min，粉末粒度为300目，利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，氩气流量15L/min，采取同轴送粉的方式将获得的粉料进行激光熔覆。激光功率为1400W，光斑直径4mm，扫描速度8mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min。在镍铝青铜表面获得Ti：Ni＝44％：56％的形状记忆合金涂层。
实施例3
将钛粉和镍粉以质量百分比为Ti：Ni＝44％：56％的比例称取，放入真空球磨机中进行研磨和混合，时间为20min，粉末粒度为300目，利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，氩气流量15L/min，采取同轴送粉的方式将获得的粉料进行激光熔覆。激光功率为1600W，光斑直径5mm，扫描速度10mm/s，搭接率50％，送粉速度12g/min。在镍铝青铜表面获得Ti：Ni＝44％：56％的形状记忆合金涂层。
实施例4
将钛粉和镍粉以质量百分比为Ti：Ni＝51％：49％的比例称取，放入真空球磨机中进行研磨和混合，时间为20min，粉末粒度为300目，利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，氩气流量15L/min，采取同轴送粉的方式将获得的粉料进行激光熔覆。激光功率为1200W，光斑直径3mm，扫描速度6mm/s，搭接率50％，送粉速度8g/min。在镍铝青铜表面获得Ti：Ni＝51％：49％的形状记忆合金涂层。
实施例5
将钛粉和镍粉以质量百分比为Ti：Ni＝51％：49％的比例称取，放入真空球磨机中进行研磨和混合，时间为20min，粉末粒度为300目，利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，氩气流量15L/min，采取同轴送粉的方式将获得的粉料进行激光熔覆。激光功率为1400W，光斑直径4mm，扫描速度8mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min。在镍铝青铜表面获得Ti：Ni＝51％：49％的形状记忆合金涂层。
实施例6
将钛粉和镍粉以质量百分比为Ti：Ni＝51％：49％的比例称取，放入真空球磨机中进行研磨和混合，时间为20min，粉末粒度为300目，利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，氩气流量15L/min，采取同轴送粉的方式将获得的粉料进行激光熔覆。激光功率为1600W，光斑直径5mm，扫描速度10mm/s，搭接率50％，送粉速度12g/min。在镍铝青铜表面获得Ti：Ni＝51％：49％的形状记忆合金涂层。
实施例7
将钛粉和镍粉以质量百分比为Ti：Ni＝55％：45％的比例称取，放入真空球磨机中进行研磨和混合，时间为20min，粉末粒度为300目，利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，氩气流量15L/min，采取同轴送粉的方式将获得的粉料进行激光熔覆。激光功率为1200W，光斑直径3mm，扫描速度6mm/s，搭接率50％，送粉速度8g/min。在镍铝青铜表面获得Ti：Ni＝55％：45％的形状记忆合金涂层。
实施例8
将钛粉和镍粉以质量百分比为Ti：Ni＝55％：45％的比例称取，放入真空球磨机中进行研磨和混合，时间为20min，粉末粒度为300目，利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，氩气流量15L/min，采取同轴送粉的方式将获得的粉料进行激光熔覆。激光功率为1400W，光斑直径4mm，扫描速度8mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min。在镍铝青铜表面获得Ti：Ni＝55％：45％的形状记忆合金涂层。
实施例9
将钛粉和镍粉以质量百分比为Ti：Ni＝55％：45％的比例称取，放入真空球磨机中进行研磨和混合，时间为20min，粉末粒度为300目，利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，氩气流量15L/min，采取同轴送粉的方式将获得的粉料进行激光熔覆。激光功率为1600W，光斑直径5mm，扫描速度10mm/s，搭接率50％，送粉速度12g/min。在镍铝青铜表面获得Ti：Ni＝55％：45％的形状记忆合金涂层。
实施例10
将C、Si、Mn、Ti、Ni、Cr、Fe粉按照0.04％、0.35％、1.42％、0.51％、8.27％、18.69％、70.72％的质量百分比称取，放入真空球磨机中进行研磨和混合，时间为20min，粉末粒度为300目，利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，氩气流量15L/min，采取同轴送粉的方式将获得的粉料进行激光熔覆。激光功率为1400W，光斑直径4mm，扫描速度8mm/s，搭接率50％，送粉速度10g/min。在镍铝青铜表面获得304不锈钢涂层。
将本发明实施例1～10所获得的形状记忆合金涂层及镍铝青铜基板进行能性能测试，在空蚀试验机上进行空蚀试验，图1、图2为本发明所述实施例5制备试样超声空蚀360min的SEM形貌图和三维形貌图。图3、图4为本发明所述实施例10制备试样超声空蚀360min的SEM形貌图、三维形貌图。图5、图6为镍铝青铜基板试样超声空蚀360min的SEM形貌图、三维形貌图。从测试结果可以看出实施例5的样品表面依然完整光滑，没有明显的空蚀。实施例10制备试样的有部分空蚀，镍铝青铜基板空蚀严重。
通过公式(1)和(2)计算出抗空蚀阻抗，测试结果如下表1所示。
平均空蚀深度(MDER,μm/h)＝△W/(10ρA△t) (1)
空蚀阻抗(Rc,h/μm)＝(MDER)-1 (2)
式中，△W为失重量，单位为mg；A为空蚀区域面积，单位为cm2；△t为空蚀时间，单位为h；ρ为材料密度，单位为g·cm-3。
表1实施例1～10所获得产品和镍铝青铜基板的抗空蚀阻抗值
Figure BDA0002325055620000051
实验结果显示，利用本发明对镍铝青铜表面进行激光熔覆制备304不锈钢涂层，镍铝青铜表面的抗空蚀性能没有明显提高；利用本发明对镍铝青铜表面进行激光熔覆制备钛镍合金涂层，镍铝青铜表面的抗空蚀性能明显提高。其中，实施例5的抗空蚀阻抗值最高，激光熔覆层抗空蚀性能最好。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种激光熔覆的抗空蚀涂层，其特征在于：所述涂层是通过激光熔覆形成在工件表面的形状记忆合金涂层。
2.根据权利要求1所述的抗空蚀涂层，其特征在于，所述形状记忆合金涂层镍钛记忆合金、铜基记忆合金、铁基记忆合金中的一种。
3.根据权利要求1所述的抗空蚀涂层，其特征在于，所述形状记忆合金涂层为钛镍记忆合金涂层，钛镍组分的质量百分比为：Ti：42％～56％，Ni：44％～58％。
4.根据权利要求3所述的抗空蚀涂层，其特征在于，所述钛镍组分的质量百分比为：Ti：Ni＝51％：49％。
5.权利要求1所述激光熔覆的抗空蚀涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将形状记忆合金的组分原料在真空球磨机中进行研磨和混合；
(2)利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式将步骤(1)中的混合粉料在工件表面进行激光熔覆即得。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的研磨时间为15～35min，将混合粉末的粒度研磨至200～350目，形状为球形或近球形。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：氩气保护，氩气流量15L/min。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述激光熔覆的工艺参数如下：
激光功率为800～2000W，光斑直径2～6mm，扫描速度5～10mm/s，搭接率50％，送粉速度6～14g/min。
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