CN111621778B - 一种制备海洋风电塔筒防腐涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋风电塔筒表面防腐蚀涂层的制备方法，具体是利用高速激光熔覆技术来制备海洋风电塔筒防腐蚀涂层。所述的方法为利用超高速激光熔覆设备在不送粉的条件下，先对筒体表面进行激光清洗，然后以合理配置粉末粒径配比的合金粉末做为熔覆材料，进行超高速激光熔覆。本发明克服了传统海洋风电塔筒防腐涂层制造过程复杂、工艺繁琐、涂料保护与基体结合力弱、涂层寿命短、容易破环等缺点。同时该方法生产率高、节约生产成本且生产过程易于实现自动化、智能化。

Description

一种制备海洋风电塔筒防腐涂层的方法

技术领域

本发明属于激光增材制备领域，涉及激光熔覆制备大型筒状类零件防腐涂层，尤其涉及一种利用超高速激光熔覆技术制备海洋风电塔筒防腐涂层的方法。

技术背景

材料的腐蚀发生在国民的各个领域，它不仅造成巨大的经济损失而且严重影响构件的安全性能。我国将在南海等海域建立多个大型海洋风电场，而海洋风电塔筒是海洋风电装备的关键零件，提高它的防腐性能，有巨大的经济意义和工程意义。

海上风电塔筒一般使用Q345D钢材。海洋风电作为大型海上钢结构，长期处于高温、高湿、盐雾等更为严酷腐蚀环境，钢构件防腐措施应从严要求，表面防腐防护的寿命要求是至少15年以上，其目标是达到与陆地风力发电机组相同的20年寿命，20年内腐蚀深度不超过0.5mm。另外，不同部位的钢结构将面临不同的环境条件，大气区、飞溅区等应分别采取针对性的防腐控制。

现在已有的风电塔筒的保护方式存在着很多的问题，涂料保护的方式由于涂料保护的涂层与基体的结合是机械物理结合，涂层受到海洋大气环境的腐蚀容易出现失光、变色、粉化、鼓包、开裂和溶胀等问题，若部分涂层出现缺陷等问题，整个涂层就失去了保护效果，需要全部铲除重新涂覆。热喷涂金属保护，其涂层金属与基体主要为机械结合、物理结合，涂层金属与基体的结合强度差，此外涂层的致密度小、空隙率较大，因此保护效果并不理想。电化学保护通过牺牲阳极来保护阴极金属构件，腐蚀余量通过增加金属构件的原始厚度来确保腐蚀对于整体构件机械性能的影响，这两种保护方式造成材料的浪费以及对海洋生态的污染。传统的海洋风电塔筒防腐涂层制备过程主要包括筒状构件表面预处理和涂层涂料涂覆。其中表面预处理一般采用刮刀或砂轮机打磨，之后用清洁剂刷洗，最后用真空吸尘器或者压缩空气清理表面灰尘和残渣。涂层涂料涂覆根据不同的使用环境，不同的施工条件，选择不同的涂料品种，选择合适涂覆层数。其整个制备过程复杂，工艺繁琐。

发明内容

为了解决传统的海洋风电塔筒防腐涂层制备过程复杂、工艺繁琐、涂层容易失效等问题，本发明的目的在于提供了一种新的海洋风电塔筒防腐涂层制备方法。

本发明的另一个目的在于提供一种工艺简单的海洋风电塔筒防腐涂层制备方法。

本发明的另一个目的在于提供一种防腐性能好的海洋风电塔筒防腐涂层的制备方法。

本发明的另一个目的在于提供一种工艺稳定的海洋风电塔筒防腐涂层制备方法。

本发明的上述目的通过以下的技术手段实现：

本发明提供了一种制备海洋风电塔筒表面涂层的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)激光清洗；

2)以合金粉末作为熔覆材料进行超高速激光熔覆。

本发明首次在海洋风电塔筒涂层制备领域，采用了激光清洗和超高速激光熔覆。超高速激光熔覆目前还处于应用开发阶段领域，只使用在一些较小的金属构件上。在大构件上使用需要克服，熔覆工艺难以稳定进行，熔覆层开裂，熔覆层薄厚不均匀等问题。本发明首次将该熔覆方法应用到海洋风电塔筒这种大型钢构件，通过粉末粒度调整解决大构件熔覆层薄厚不均匀，熔覆层开裂性能较差等问题。同时使用耐腐蚀粉末配方大大提高熔覆层耐腐蚀性能。

在一些实施方式中，涂层的制备可以先于卷板，即先制备涂层再卷板。

进一步地，在一些实施方式中，先制备涂层再卷板包含以下步骤：将板材固定在机床上，高速激光熔覆头在往复式机构带动下移动进行熔覆，待加工完成后，使用卷板机卷成筒装并焊接成筒体构件。

在另一些实施方式中，涂层的制备可以后于卷板，即先卷板再制备涂层。

进一步地，在一些实施方式中，先卷板再制备涂层包含以下步骤：使用卷板机将钢板卷成筒状，待焊接完毕后，打磨平整焊缝，固定筒体构件，使筒体做回旋运动，熔覆头固定在筒体上方一定距离并与筒体轴线垂直，从而实现筒体表面熔覆层制备。

作为一种优选的实施方式，先卷板再制备涂层，此种情况下，相较于上一种先熔覆在卷板不必处理焊缝区腐蚀问题，较前一种方法工序相对减少。

本发明的技术方案在熔覆前对材料表面进行预先处理-激光清洗。

在一个实施方式中，激光清洗为利用超高速激光熔覆设备的激光头，在不送粉的条件下，采用适当的工艺对筒体表面进行激光清洗，确保筒体表面洁净。也即激光清洗和超高速激光熔覆均采用激光熔覆头，清洗与熔覆中间不换头，效率高。

现有技术中，激光清洗是采用脉冲或者连续激光辐照表面层的情况下，发生在激光与材料之间的区域的、无接触的相互作用，该作用使材料的表层发生蒸发而去除。在其他工件的涂层制备领域，如同时涉及激光清洗和激光熔覆，一般是采用清洗头进行激光，再用熔覆头进行熔覆，此种方式一方面需要两个激光头，另一方面，更换部件降低了工作效率。

在一些实施方式中，步骤1)中，所述激光清洗工艺为：光斑直径2-10mm，激光功率为200-1000W，清洗速度为75-300m/min。

在一些实施方式中，步骤1)中，所述激光清洗工艺为：光斑直径3-8mm，激光功率为400-800W，清洗速度为100-250m/min。

在一些实施方式中，步骤1)中，所述激光清洗工艺为：光斑直径4-6mm，激光功率为500-600W，清洗速度为150-225m/min。

在一些实施方式中，步骤2)中，激光熔覆工艺为：激光光斑与粉斑在待熔覆基体表面以上0.5-2.0mm的位置重合，激光光斑直径1-3.5mm，熔覆速率20-50m/min，激光功率1300-2150W，送粉速率8-30g/min；熔覆层厚度为0.2-0.6mm。

在一些实施方式中，步骤2)，中激光熔覆工艺为：激光光斑与粉斑在待熔覆基体表面以上0.6-1.8mm的位置重合，激光光斑直径1.2-3.2mm，熔覆速率30-45m/min，激光功率1400-1950W，送粉速率10-25g/min；熔覆层厚度为0.25-0.55mm。

在一些实施方式中，步骤2)，激光熔覆工艺为：激光光斑与粉斑在待熔覆基体表面以上0.8-1.5mm的位置重合，激光光斑直径1.4-2.8mm，熔覆速率35-40m/min，激光功率1600-1900W，送粉速率15-23g/min；熔覆层厚度为0.35-0.5mm。

在一些实施方式中，熔覆的稀释率小于3％，冶金结合好。

在一些实施方式中，所述合金粉末粒度范围为15-55μm。

在一些实施方式中，所述粉末粒度段配比为：15-25μm占比10％-30％，26-35μm占比20％-50％，36-45μm占比30％-60％，46-55μm占比10％-30％。

在一些实施方式中，所述粉末粒度段配比为：15-25μm占比10％-20％，26-35μm占比25％-45％，36-45μm占比40％-55％，46-55μm占比10％-15％。

在一些实施方式中，所述合金粉末球形度≥95％。高球形度粉末流动性强，送粉稳定，熔覆层均匀。

在一些实施方式中，所述合金粉末在使用前先在100-180℃的温度下在真空干燥炉进行预处理，并且保温2-5h，以保持合金粉末的干燥度。

在一些实施方式中，所述合金粉末选自钴基合金、镍基合金、铜合金的一种或几种。

在一些实施方式中，所述钴基合金选自CoCrW、CoCrMo、CoCrNi和CoCrMoW中的一种或者多种。

在一些实施方式中，所述镍基合金选自Ni60、Ni800、Ni800H、Ni 625、Ni690和Ni601中的一种或几种。

在一些实施方式中，所述铜合金选自铝黄铜、镍黄铜、铝青铜、铍青铜和白铜中的一种或几种。

在一些实施方式中，所述合金粉末选自Ni60粉末。

在一些实施方式中，所述合金粉末选自CoCrMo合金粉末

上述合金粉末在高温、高湿、高盐下均具有耐腐蚀作用，能够更好的适应于海洋环境。然而，在合金粉末选择时，不仅需要考虑其耐腐蚀度，还有很多的因素要考虑，如粒度配比，球形度，粉末流动性等等，以及合金粉末在熔覆过程中是否送粉均匀，熔覆工艺是否稳定等等，这些均会影响熔覆层的质量。而在海洋风电塔筒涂层制备领域，尚未有相关的研究和报道可参考，因此这是对于本发明来说极具难度和挑战的。

最终，经过多次研究，本发明最终得到的粒度配比，可以使粉末熔化吸收的能量稳定，有利于对热输入的精确控制，以减少对基体的稀释率，同时可防止出现粉末未熔化等缺陷产生，确保熔覆层质量。

上述的一个技术方案具有以下的优点：

1.现有的海洋风电塔筒的保护方式如防腐涂料保护的涂层与基体的结合是机械物理结合，涂层受到海洋大气环境的腐蚀容易出现失光、变色、粉化、鼓包、开裂和溶胀等问题，若部分涂层出现缺陷等问题，整个涂层就失去了保护效果，需要全部铲除重新涂覆并且整个制备过程复杂，工艺繁琐。本发明采用高速激光熔覆技术制备海洋风电塔筒的防腐涂层，涂层与风电塔筒基体表面为冶金结合，显著区别于现有风电塔筒与涂层的机械结合或者物理结合。冶金结合中，涂层与基体金属的界面间原子相互扩散而形成的结合，具有良好的工艺性能，能够进行各种冷、热压力加工成型，可以进行焊接和机械加工，因此，既可以制备涂层后再卷板，也可以卷板后再制备涂层，更关键的是，高速激光熔覆形成的冶金结合大大提高了涂层的结合强度，涂层不易脱落。

2.在另一个技术方案中，通过精确控制合金粉末不同粒度段的粉末含量配比，实现精准控制粉末合金的高性能，确保粉末了流动性，以及送粉稳定性，提高熔覆层工艺的稳定性，以及涂层的防腐性能。

3.在另一个技术方案中，通过精确控制不送粉时超高速激光熔覆设备激光能量、光斑大小等参数，可以实现采用与熔覆头相同的激光头对筒体高质量、高效率清洗，极大地增加了工作效率。

4.在另一个技术方案中，通过精确控制熔覆时粉斑和激光光斑的重合点位置，以及其他参数，实现对海洋风电塔筒防腐层的超高速率、高质量熔覆。

5.相对与传统的制造工艺，本方法使用高速激光熔覆、激光清洗等方式简化了制造过程，减少了工艺复杂性，减少了人工成本，更易实现制造过程的自动化、智能化。制作机械化程度明显提高，减少了人为因素对工艺过程的影响，很大程度的确保了工艺稳定性，同时保证了不同批次产品性能。

附图说明

图1.先熔覆再卷板实施方式示意图。

图2.先卷板再熔覆实施方式示意图。

图3实施例1中镍60(Ni60)熔覆层组织形貌。

图4对比例1中制备得到的熔覆层组织形貌。

图5实施例2中的钴基超高速激光熔覆层：(a)熔覆层宏观形貌；(b)熔覆层与基体结合处；(c)熔覆层中部组织形貌。

图6实施例2中熔覆层到基体的显微硬度曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。此处所说的具体实例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

表1 Ni60元素含量表

表2 Co基合金元素含量表

实施例1

如图1所示：本实施例提供了一种用于制备海洋风电塔筒防腐涂层的一种方法，该方法为：

(1)根据实际需求采用镍60(Ni60)粉末，粉末元素含量如表一所示。粉末的粒度范围为15-55μm，粉末球形度为97％，粉末粒度段配比为：15-25μm占比10％，26-35μm占比30％，36-45μm占比50％，46-55μm占比10％。在150℃温度下在真空干燥炉进干燥并保温3h。

(2)将牌号为Q345级板材基体放置在机床上固定，超高速激光熔覆头在板材上方且竖直向下，调整超高速激光熔覆头到合适位置。

(3)利用超高速激光熔覆设备在不送粉的条件下采用适当的工艺对板材表面进行激光清洗，激光清洗工艺为：光斑直径3mm，激光功率为600W，清洗速度200m/min，搭接率为25％。激光清洗后板材表面平滑光亮、无缺陷。

(4)将超高速激光熔覆设备的粉斑与激光光斑的重合位置调整到距离清洗后的板材表面垂直高度为1.2mm处位置，准备进行熔覆。

(5)熔覆工艺为：激光光斑直径为1mm，筒体表面线速度即高速激光熔覆速率为40m/min，熔道搭接率为30％，激光功率为1850W，送粉速率为22g/min。

(6)将步骤(1)所得的金属粉末熔覆到(3)中所得的板材表面，得到熔覆层厚度为0.5mm，稀释率小于2.5％。

(7)将熔覆后的板材利用卷板机卷成筒状，利用焊接技术将其焊接并打磨平整焊缝，最后在焊缝处继续熔覆一层，确保焊缝处性能。

熔覆层组织均匀，未出现裂纹、空洞、未熔合粉末颗粒、气孔等缺陷，组织细小致密，组织照片如图3所示。

对比例1

如图2所示：本实施例提供了一种超高速激光熔覆制备海洋风电塔筒防腐涂层方法，包括以下工艺步骤：首先将板材卷制并焊接成筒体构件，将焊缝部位打磨平滑，,然后平稳固定在机床，在不送粉时利用超高速激光熔覆设备进行激光清洗，清洗完成后，使用同轴送粉的超高速激光熔覆方法在筒体表面熔覆钴基防腐涂层，再利用机械精抛，使加工后的零件尺寸以及表面粗糙度达到规定值。其具体工艺步骤为：

(1)钴基粉末(CoCrMo)的粉末元素含量如表(2)所示。粉末粒径为15—55μm，粒径段配比为15-25μm占比20％，26-35μm占比10％，36-45μm占比25％，46-55μm占比45％。140℃温度下在真空干燥炉中干燥并保温3h。

(2)将牌号为Q345级板材卷制并焊接为筒状构件，随后将焊缝部位打磨平整并安放在机床回转设备上，确保筒体安装可靠、运转平稳。

(3)利用超高速激光熔覆设备在不送粉的条件下进行激光清洗，激光清洗工艺为：光斑直径6mm，激光功率为650W，筒体表面线速度200m/min，筒体单转给进量3.5mm。激光清洗后筒体表面平滑光亮、无缺陷。

(4)将超高速激光熔覆设备的粉斑与激光光斑的重合位置调整到距离清洗后的筒体表面垂直高度为1.2mm处位置，准备进行熔覆。

(5)将步骤(1)所得的金属粉末熔覆到步骤(3)中所得的筒体构件表面。超高速激光熔覆工艺为：激光光斑直径为1.2mm，筒体表面线速度即超高速激光熔覆速率为40m/min，筒体单转给进量为0.2mm，激光功率为1750W，送粉速率为20g/min，得到熔覆层厚度为0.4mm，稀释率小于2.5％。

实验结果如图4所示，粉末送粉不均匀，使得熔覆层厚度不均匀。同时熔覆层出现裂纹等缺陷，此外，裂纹中可明显看到未熔化的粉末颗粒。为不合格熔覆层。

实施例2

如图2所示：本实施例提供了一种超高速激光熔覆制备海洋风电塔筒防腐涂层方法，包括以下工艺步骤：首先将板材卷制并焊接成筒体构件，将焊缝部位打磨平滑，,然后平稳固定在机床，在不送粉时利用超高速激光熔覆设备进行激光清洗，清洗完成后，使用同轴送粉的超高速激光熔覆方法在筒体表面熔覆钴基防腐涂层，再利用机械精抛，使加工后的零件尺寸以及表面粗糙度达到规定值。其具体工艺步骤为：

(1)钴基粉末(CoCrMo)的粉末元素含量如表(2)所示。粒径段配比优化后：15-25μm占比10％，26-35μm占比25％，36-45μm占比50％，46-55μm占比15％，140℃温度下在真空干燥炉中干燥并保温3h。

(2)将牌号为Q345级板材卷制并焊接为筒状构件，随后将焊缝部位打磨平整并安放在机床回转设备上，确保筒体安装可靠、运转平稳。

(3)利用超高速激光熔覆设备在不送粉的条件下进行激光清洗，激光清洗工艺为：光斑直径6mm，激光功率为650W，筒体表面线速度200m/min，筒体单转给进量3.5mm。激光清洗后筒体表面平滑光亮、无缺陷。

(4)将超高速激光熔覆设备的粉斑与激光光斑的重合位置调整到距离清洗后的筒体表面垂直高度为1.2mm处位置，准备进行熔覆。

(5)将步骤(1)所得的金属粉末熔覆到步骤(3)中所得的筒体构件表面。超高速激光熔覆工艺为：激光光斑直径为1.2mm，筒体表面线速度即超高速激光熔覆速率为40m/min，筒体单转给进量为0.2mm，激光功率为1750W，送粉速率为20g/min，得到熔覆层厚度为0.4mm，稀释率小于2.5％。

图5为扫描电镜下的宏观形貌以及组织形貌，整个熔覆层的厚度大约为0.3mm，熔覆层致密、无气孔、无裂纹，熔覆层和基体的结合良好。高速激光熔覆的熔覆层组织非常细小，融合线附近为细小的长条的树枝晶和少量的胞状晶，而熔覆层中心部位以及熔覆层顶部为大量细小的胞状晶。图6为熔覆层到基体的硬度变化分布图，基体部位的硬度大约为250HV,热影响区的硬度大约为420HV,熔合线附近熔覆层的硬度值变动幅度较大，大约为560HV，熔覆层中部以及熔覆层顶端硬度变化不大，其硬度值大约为510HV。

与对比例1对比，在优化粉末粒径配比后，送粉过程稳定，制备了成型良好，与基体结合良好的熔覆层。从电镜照片及熔覆层硬度分布情况可以看到，熔覆层的优越的性能。合理的制备工艺下，粉末完全熔化、熔覆层未有未熔粉末夹杂产生。同时热输入控制较好，熔覆层组织细小，未出现大热输入下的粗大的树枝晶。熔覆层与基体金属结合较好，未出现结合区裂纹等缺陷。粉末粒径配比合理，送粉过程稳定，熔覆层薄厚均匀，未出现粉末粒径配比不适，导致送粉不均匀，而出现的熔覆层薄厚不均匀现象，同时粉末粒径分布范围合适，熔覆层未出现大颗粒粉末未熔缺陷。同时由于工艺及粉末粒径配比合适，粉末熔覆层晶粒细小，细晶强化现象明显，使得熔覆层硬度增加，增大熔覆层的耐磨损性能。

Claims (16)

1.一种制备海洋风电塔筒涂层的方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)激光清洗，所述激光清洗的光斑直径为2–10mm，激光功率为200–1000W，清洗速度为75–300m/min；以及

2)以合金粉末作为熔覆材料进行超高速激光熔覆，所述激光熔覆的激光光斑与粉斑在待熔覆基体表面以上0.5–2.0mm的位置重合，激光光斑直径1–3.5mm，熔覆速率20–50m/min，激光功率1300–2150W，送粉速率8–30g/min；熔覆层厚度为0.2–0.6mm；

其中，所述激光清洗和所述激光熔覆采用同一激光熔覆头，且所述合金粉末粒度范围为15–55μm，所述合金粉末的粒度段配比为15–25μm占比10％–30％、26–35μm占比20％–50％、36–45μm占比30％–60％、46–55μm占比10％–30％。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述激光清洗的光斑直径为3–8mm，激光功率为400–800W，清洗速度为100–250m/min。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述激光清洗的光斑直径为4–6mm，激光功率为500–600W，清洗速度为150–225m/min。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述激光熔覆的激光光斑与粉斑在待熔覆基体表面以上0.6–1.8mm的位置重合，激光光斑直径1.2–3.2mm，熔覆速率30–45m/min，激光功率1400–1950W，送粉速率10–25g/min；熔覆层厚度为0.25–0.55mm。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述激光熔覆的激光光斑与粉斑在待熔覆基体表面以上0.8–1.5mm的位置重合，激光光斑直径1.4–2.8mm，熔覆速率35–40m/min，激光功率1600–1900W，送粉速率15–23g/min；熔覆层厚度为0.35–0.5mm。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述合金粉末的粒度段配比为：15–25μm占比10％–20％，26–35μm占比25％–45％，36–45μm占比40％–55％，46–55μm占比10％–15％。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述合金粉末的球形度≥95％。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述合金粉末选自钴基合金、镍基合金、铜合金的一种或几种。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述合金粉末选自CoCrW、CoCrMo、CoCrNi和CoCrMoW中的一种或者多种。

10.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述合金粉末选自Ni60、Ni800、Ni800H、Ni625、Ni690和Ni601中的一种或几种。

11.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述合金粉末选自铝黄铜、镍黄铜、铝青铜、铍青铜和白铜中的一种或几种。

12.根据权利要求1所述方法，其特征在于，先卷板再制备涂层；或者先制备涂层再卷板。

13.根据权利要求12所述方法，其特征在于，所述先卷板再制备涂层包含以下步骤：将钢板卷成筒状，焊接，打磨平整焊缝，固定筒体构件，使筒体做回旋运动，熔覆头固定在筒体上方并与筒体轴线垂直，从而实现筒体表面熔覆层制备。

14.根据权利要求12所述方法，其特征在于，所述先制备涂层再卷体包含以下步骤：将板材固定在机床上，高速激光熔覆头在往复式机构带动下移动进行熔覆，待加工完成后，卷成筒状并焊接成筒体构件。

15.权利要求1–14任一所述方法制备的涂层。

16.权利要求1–14任一所述方法或者权利要求15所述涂层，在海洋风电塔筒防腐中的应用。

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