CN111793795A - 一种基于加工硬化塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法 - Google Patents

一种基于加工硬化塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于加工硬化的塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法，包括：(1)去除金属基体表面氧化膜，再清洗除去表面油污和残余杂质，在空气中干燥后，将基体固定在工作台上；(2)将粉末放入真空干燥箱中烘干；烘干后冷却至室温放入送粉器内；(3)在冷喷涂面板中设置好载气种类、载气压力、预热温度、送粉转速；(4)在激光控制面板中设置好激光功率；(5)启动机械手臂，输入喷涂涂层搭接率和扫描速度；调整机械手臂，使得冷喷涂喷嘴垂直于基材表面；调整激光头角度使得激光光斑与喷涂粉斑重合；(6)启动设备，在基体进行超音速激光沉积实验；(7)加工完成后，对金属基体表面涂层进行后处理，使得涂层表面平整化。

Description

一种基于加工硬化塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法
技术领域
本发明属于材料表面改性领域，具体涉及一种基于加工硬化塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法。
背景技术
作为将气流动能转换为有用功的核心部件，汽轮机叶片在整个汽轮机系统中占据十分重要的作用。但在汽轮机的长期服役过程中，汽轮机叶片尤其是低压末级叶片长期处在潮湿的蒸汽环境，在液体流动时，由于压力骤降，液体出现汽化现象，气泡在压力作用下溃灭所产生的冲击波和微射流对叶片不断冲击作用，破化表面材料，使得在进汽边顶部及出汽边根部发生汽蚀损伤。汽蚀是一种隐性危险很大的液体动力破坏现象，可能会严重剥蚀大型机组零部件。因此，汽蚀已经成为了影响水利机械机组运行效率和安全可靠性首要待解决的问题。
目前，针对叶片汽蚀问题，应用较多的防护措施是在末级叶片进气侧边缘末端区域钎焊司太立合金片，但该方法存在钎焊质量不稳定、焊层与叶型吻合不好、合金片和基体结合不牢(非冶金结合)易脱落等问题。近年来，表面改性技术也被用于强化汽轮机叶片，如利用激光熔覆、堆焊等技术在金属表面镀覆一层防护涂层，但由于这些技术存在大量热输入，制备的涂层有氧化、相变、热致残余应力、晶粒长大、高稀释率等不良问题，因此制备的涂层的汽蚀抵抗力仍然不是很高。因此，发明一种能制备优异抗汽蚀性能涂层制备技术，对提高水利零部件的抗汽蚀性能方面具有非常重要的工程应用价值和创新意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种基于加工硬化塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法。
本发明使用超音速激光沉积技术在金属基体表面沉积钴基合金涂层。在冷喷涂设备中钴基粉末颗粒被预热和加速，同时，激光辐照同步对喷涂颗粒和沉积区域的进一步加热软化作用，使得喷涂颗粒在高速撞击沉积区域时在极高的应力和应变下通过“绝热剪切失稳”引起的剧烈塑性变形实现有效沉积。制备的涂层致密无裂纹，且在颗粒剧烈塑性变形过程中，晶粒发生滑移，位错密度增加和位错缠结，材料产生了加工硬化现象，涂层具有较高的显微硬度。此外，由于喷涂颗粒不熔化沉积，涂层不会有氧化、相变、晶粒长大、开裂等热致不良影响，和原始粉末的物相组成保持一致，且涂层中晶粒尺寸小于颗粒尺寸。该方法制备的钴基涂层具有优异的抗汽蚀性能。
为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种基于加工硬化的塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)对金属基体表面进行喷砂处理，去除表面氧化膜，再用无水乙醇超声波清洗除去表面油污和残余杂质，在空气中干燥后，将基体固定在工作台上；
(2)将粉末放入真空干燥箱中烘干，以增加粉末流动性；烘干后冷却至室温放入送粉器内；
(3)在冷喷涂面板中设置好载气种类、载气压力、预热温度、送粉转速等；
(4)在激光控制面板中设置好激光功率；
(5)启动机械手臂，输入喷涂涂层搭接率和扫描速度；调整机械手臂，使得冷喷涂喷嘴垂直于基材表面，并有一段喷涂距离；调整激光头角度使得激光光斑与喷涂粉斑重合。
(6)启动设备，在基体进行超音速激光沉积实验；
(7)加工完成后，对金属基体表面涂层进行后处理，使得涂层表面平整化。
进一步，步骤(1)中金属基体为汽轮机叶片常用材料，进一步优选，所述叶片材料为0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)沉淀硬化不锈钢、2Cr13低碳马氏体不锈钢。
进一步，步骤(2)中粉末为钴基合金粉末的一种，进一步优选，所述钴基粉末为Stellite 6。
进一步，步骤(2)中钴基粉末粒径范围为5-53μm，粉末形状是球形或不规则形状；
进一步，步骤(3)中喷涂的载气是氮气或氦气，载气压力范围为3-5MPa，预热温度范围为600-800℃，送粉转速范围为1-10r/min；
进一步，步骤(4)中激光功率范围为600-1200W；
进一步，步骤(5)中搭接率为40-60％，扫描速度为5-20mm/s，喷涂距离为30mm,喷涂粉斑为6mm，光斑与粉斑重合，激光头中线与喷嘴中线成30°；
进一步，步骤(7)中后处理可为砂纸打磨、磨床车削等。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：超音速激光沉积过程中，沉积粉末只是软化而不熔化，可以从根源上有效避免氧化、分解、相变、晶粒长大等不良热致影响。颗粒的不熔化，使得涂层中的晶粒小于颗粒尺寸，有利于涂层抗汽蚀性能的提高。此外，由于激光辐照的进一步加热软化，降低了颗粒沉积需要的临界速度，提高了钴基合金等硬度较高的材料的有效沉积效率，并且，沉积颗粒软化充分，塑性变形程度提高，显著提高了涂层的致密性。另外，颗粒塑性变形剧烈，位错增加和缠结，产生了加工硬化现象，涂层具有很高的显微硬度。因此，所发明的基于加工硬化塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层在模拟海水环境中表现出非常优异的抗汽蚀性能。
附图说明
图1是实施例1的超音速激光沉积Stellite 6涂层形貌；
图2是实施例1的超音速激光沉积Stellite 6涂层的显微硬度；
图3a是实施例2的激光熔覆Stellite 6涂层EBSD图；
图3b是实施例2的超音速激光沉积Stellite 6涂层EBSD图；
图4是实施例3的不同汽蚀时间下Stellite 6涂层表面宏观形貌；
图5a是实施例3的超音速激光沉积和激光熔覆Stellite 6涂层的汽蚀累计失重量曲线；
图5b是实施例3的超音速激光沉积和激光熔覆Stellite 6涂层的汽蚀速率曲线。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
以汽轮机常用材料17-4PH沉淀硬化不锈钢为基板。先对基体的表面进行喷砂处理提高表面粗糙度并除去表面氧化物，用无水乙醇超声清洗除去表面油污和杂质，于空气中干燥。将处理后的基板固定在工作台上；将粒径在15～30μm的钴基粉末Stellite 6合金粉末放入120℃烘箱内烘2h，冷却至室温后放入送粉器。设置喷涂载气为氮气，载气压力为4MPa，送粉率1.5rpm，粉末预热温度为700℃、喷涂距离为30mm，扫描速度为5mm/s。激光功率为1000W，搭接率为50％，进行超音速激光沉积实验，得到的Stellite 6涂层形貌如图1所示。由于颗粒剧烈塑性变形，材料位错密度增加和缠结，产生加工硬化现象，超音速激光沉积Stellite 6涂层的显微硬度如图2所示，其显微硬度平均值达到650.2HV0.2。
实施例2
在17-4PH沉淀硬化不锈钢上分别进行Stellite 6粉末的超音速激光沉积实验和激光熔覆实验。超音速激光沉积实验：先对基体的表面进行喷砂处理提高表面粗糙度并除去表面氧化物，用无水乙醇超声清洗除去表面油污和杂质，于空气中干燥。将处理后的基板固定在工作台上；将粒径在15～30μm的Stellite 6合金粉末放入120℃烘箱内烘2h，冷却至室温后放入送粉器。设置喷涂载气为氮气，载气压力为4MPa，送粉率1.5rpm，粉末预热温度为700℃、喷涂距离为30mm，扫描速度为5mm/s。激光功率为1000W，搭接率为50％，进行超音速激光沉积实验，。激光熔覆实验：实验前先用砂轮机将基体材料的氧化层去除，再使用无水乙醇对基体进行清洗；将粒径在40～160μm的Stellite 6合金粉末放入120℃烘箱内烘2h，冷却至室温后放入送粉器；设置激光功率为1600W，扫描速度为7mm/s，送粉速度为13g/min，光斑直径为4mm，搭接率为50％；进行激光熔覆实验。两种工艺得到的Stellite 6涂层的EBSD如图3a、3b所示。由图可知，超音速激光沉积涂层的晶粒比激光熔覆的晶粒小很多，有利于抗汽蚀性能的提高。
实施例3
均在17-4PH沉淀硬化不锈钢上进行Stellite 6粉末的超音速激光沉积实验和激光熔覆实验。超音速激光沉积实验：先对基体的表面进行喷砂处理提高表面粗糙度并除去表面氧化物，用无水乙醇超声清洗除去表面油污和杂质，于空气中干燥。将处理后的基板固定在工作台上；将粒径在15～30μm的Stellite 6合金粉末放入120℃烘箱内烘2h，冷却至室温后放入送粉器。设置喷涂载气为氮气，载气压力为4MPa，送粉率1.5rpm，粉末预热温度为700℃、喷涂距离为30mm，扫描速度为5mm/s。激光功率分别为1000W、1100W，搭接率为50％，进行超音速激光沉积实验。激光熔覆实验：实验前先用砂轮机将基体材料的氧化层去除，再使用无水乙醇对基体进行清洗；将粒径在40～160μm的Stellite 6合金粉末放入120℃烘箱内烘2h，冷却至室温后放入送粉器；设置激光功率为1600W，扫描速度为7mm/s，送粉速度为13g/min，光斑直径为4mm，搭接率为50％；进行激光熔覆实验。利用超声波振动汽蚀设备对两种涂层进行抗汽蚀性能测试，汽蚀试验参数为功率750W，振动频率为20kHz，峰振幅为50μm，浸没距离为20mm，温度为25±2℃，介质溶液为3.5％的氯化钠溶液；测试时间为14h汽蚀装置每运行2h取出试样，此时汽蚀时间记为1h。用酒精清洗并吹干，用精度0.001mg的电子秤称重三次取平均值，记录失重量后继续试验。不同汽蚀时间瞎不同涂层表面宏观形貌如图4所示，汽蚀累计失重曲线和汽蚀速率曲线如图5a、5b所示。由图4和图5a、5b可知，超音速激光沉积Stellite 6涂层的抗汽蚀性能远远优于激光熔覆涂层的。
实施例4-19
采用实施例1～3之一的试验方法，修改试验参数进行试验，取得相似的试验结果，由于颗粒剧烈塑性变形，材料位错密度增加和缠结，产生加工硬化现象，超音速激光沉积Stellite 6涂层的显微硬度平均值达到650.2HV0.2。超音速激光沉积涂层的晶粒比激光熔覆的晶粒小很多，有利于抗汽蚀性能的提高。超音速激光沉积Stellite 6涂层的抗汽蚀性能远远优于激光熔覆涂层的。
以下实施例载气种类选用氮气、氦气取得的结果相同。
Figure BDA0002554625630000051
Figure BDA0002554625630000061
本发明在冷喷涂基础上耦合激光加热的作用，降低了沉积颗粒的临界速度，提高了喷涂颗粒和沉积区域软化程度，使得大部分的喷涂颗粒发生剧烈塑性变形实现有效沉积。由于喷涂颗粒不熔化沉积，涂层不会有氧化、相变等热致不良影响，完全保留了原始粉末的物相，且形成的晶粒小于颗粒尺寸。在颗粒剧烈塑性变形过程中，晶粒发生滑移，位错密度增加和缠结，材料产生加工硬化现象，涂层具有较高的显微硬度。兼具上述优点，该方法制备的钴基涂层具有优异的抗汽蚀性能。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种基于加工硬化的塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)对金属基体表面进行喷砂处理，去除表面氧化膜，再用无水乙醇超声波清洗除去表面油污和残余杂质，在空气中干燥后，将基体固定在工作台上；
(2)将粉末放入真空干燥箱中烘干，以增加粉末流动性；烘干后冷却至室温放入送粉器内；
(3)在冷喷涂面板中设置好载气种类、载气压力、预热温度、送粉转速等；
(4)在激光控制面板中设置好激光功率；
(5)启动机械手臂，输入喷涂涂层搭接率和扫描速度；调整机械手臂，使得冷喷涂喷嘴垂直于基材表面，并有一段喷涂距离；调整激光头角度使得激光光斑与喷涂粉斑重合；
(6)启动设备，在基体进行超音速激光沉积实验；
(7)加工完成后，对金属基体表面涂层进行后处理，使得涂层表面平整化。
2.如权利要求1所述的一种基于加工硬化的塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法，其特征在于：步骤(1)中金属基体为汽轮机叶片常用材料，进一步优选，所述叶片材料为0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)沉淀硬化不锈钢、2Cr13低碳马氏体不锈钢。
3.如权利要求1所述的一种基于加工硬化的塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中粉末为钴基合金粉末的一种，进一步优选，所述钴基粉末为Stellite 6。
4.如权利要求1所述的一种基于加工硬化的塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中钴基粉末粒径范围为5-53μm，粉末形状是球形或不规则形状。
5.如权利要求1所述的一种基于加工硬化的塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法，其特征在于：步骤(3)中喷涂的载气是氮气或氦气，载气压力范围为3-5MPa，预热温度范围为600-800℃，送粉转速范围为1-10r/min。
6.如权利要求1所述的一种基于加工硬化的塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法，其特征在于：步骤(4)中激光功率范围为600-1200W。
7.如权利要求1所述的一种基于加工硬化的塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法，其特征在于：步骤(5)中搭接率为40-60％，扫描速度为5-20mm/s，喷涂距离为30mm,喷涂粉斑为6mm，光斑与粉斑重合，激光头中线与喷嘴中线成30°。
8.如权利要求1所述的一种基于加工硬化的塑性沉积的钴基抗汽蚀涂层的制备方法，其特征在于：步骤(7)中后处理可为砂纸打磨、磨床车削。
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