CN111876634A - 一种用于紧固件防腐的粉末合金材料及激光熔覆层的制备方法 - Google Patents

一种用于紧固件防腐的粉末合金材料及激光熔覆层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于紧固件设计制造与维护技术领域，尤其涉及一种用于在海洋腐蚀环境下服役紧固件防腐的粉末合金材料及激光熔覆层的制备方法。本发明的粉末合金材料，其包括以下重量百分数的元素：Cr:20‑24wt.％；Mo:10‑15wt.％；Co:10‑20wt.％；Nb:1‑3wt.％；W:3‑5wt.％；Si:0.5‑2wt.％；Ni:余量。本发明有效解决了紧固件在海洋环境下因腐蚀而生锈锁死甚至断裂的问题，可以显著改善紧固件的耐海洋环境腐蚀、抗氢脆性能，提高紧固件的安全性，并延长其使用寿命。

Description

一种用于紧固件防腐的粉末合金材料及激光熔覆层的制备 方法
技术领域
本发明属于紧固件设计制造与维护技术领域，尤其涉及一种用于在海洋腐蚀环境下服役紧固件防腐的粉末合金材料及激光熔覆层的制备方法。
背景技术
紧固件在机械构件中起到联接、定位和密封等作用。随着各类机械、设备、建筑工程的不断大型化,以及功率、转速的不断提高,紧固件零件的工作条件更加恶劣,工作应力明显提高,因此,对紧固件的要求日益增加。
随着科学技术的发展，海洋资源的开发成为了人们关注的焦点。开发利用海洋资源需要相应的海洋装备，如舰船、海洋钻井平台、风电设备、港口设备等，这些装备都需要大量紧固件，如螺栓、螺柱、螺钉、螺母、铆钉、垫圈、销等。海洋环境普遍具有高温、高湿、高盐雾和高日照的特点，紧固件需承受较大的周期性应力以及潮湿盐雾的腐蚀作用，极易发生化学腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀和海生物腐蚀等多种类型的腐蚀。这就要求紧固件不仅具有高的强度、冲击韧性和低温韧性，还需要具备优良的耐腐蚀性能来应对恶劣的海洋腐蚀环境。
海洋平台是当今资源勘探、钻井和采油等作业的大型海上钢结构平台，而紧固件是构成海洋平台的常用零件。海洋平台长期处于海洋环境中，紧固件边角缝隙较多，易积存腐蚀性介质，故紧固件通常是腐蚀最先发生的区域。一些紧固件长期处于盐雾、潮气和海水中，其在丰富的电解质中极易发生剧烈的电化学腐蚀，其腐蚀速度远大于陆地环境下的螺栓。因此，紧固件经常产生腐蚀失效、锁死等问题。由于紧固件结构复杂，其锈层一般很难除净。常用防腐涂层在紧固件的一些特殊部位很容易发生鼓泡、剥落等问题。紧固件的腐蚀不仅会导致海洋平台的维修成本增高，还会威胁海洋平台的整体安全。
船舶的钢结构、船体、管路、舾装件、动力装置需要采用各种尺寸的紧固件，紧固件的腐蚀也是船舶中的共性问题。紧固件主要采用高强钢和不锈钢材料，它们在高盐、高湿或干湿交替的海洋环境下工作，极易发生不同程度的腐蚀现象。
根据有关资料，我国海疆辽阔，南北跨越温热两大气候带不同的地区，海洋环境也有所不同。在海洋环境下大气中含有大量的Cl-离子，具有较高的导电率，易在金属表面形成微电池和宏观电池，增加腐蚀的活性，破坏金属表面的钝化膜，促使孔蚀和缝隙腐蚀的发生。
海洋装备上的许多部件配置了阴极保护装置，这使得靠近阴极保护装置的螺栓在海水环境中很容易产生阴极析氢，导致紧固件极易发生氢脆失效。氢脆断裂是高强度螺栓一种常见的失效形式，氢脆能导致裂纹的快速扩展，常常导致材料的瞬间脆性断裂，因此高强螺栓必须具备良好的抗氢脆能力。
紧固件的腐蚀防护一直是腐蚀防护研究的难点，这是因为海洋环境工作下的紧固件对腐蚀防护存在诸多的限制和严格的要求。因此，选择可靠、稳定的紧固件腐蚀防护技术，具有十分重要的应用价值。现有的紧固件腐蚀防护技术有粉末渗锌技术、达克罗涂层技术、电镀技术、氟碳涂层技术等，这些技术均可达到一定的腐蚀防护效果，但仍有一定的局限性。粉末渗锌层的耐蚀寿命有限，如果零件在热处理阶段使用了中低温回火工艺，就不适合采用粉末渗锌技术进行处理；达克罗涂层具有硬度低、耐磨性较差的缺点，一次装配对达克罗涂层耐蚀性的影响不大，但二次装配会使涂层的耐蚀性明显降低，这是由于二次装配会对涂层造成较大的损伤，严重影响了涂层的耐蚀性；此外，现有的达克罗涂层技术一般采用含有毒六价铬的配方，对环境污染较大；电镀法不仅会产生污染环境的废水，而且存在氢脆的隐患；氟碳涂层技术的不足之处在于涂层的耐磨性和结合强度较低，这会导致紧固件耐腐蚀性在装配和使用过程中大幅降低。
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种用于在紧固件表面制备耐海洋环境腐蚀激光熔覆层的粉末合金材料及熔覆层的制备方法。
用于解决技术问题的方法
针对上述问题，本发明提出了一种用于紧固件防腐的粉末合金材料及激光熔覆层的制备方法。
根据本发明的一个实施方案，提供一种用于紧固件耐海洋环境腐蚀激光熔覆层的粉末合金材料，其包括以下重量百分数的元素：Cr:20-24wt.％；Mo:10-15wt.％；Co:10-20wt.％；Nb:1-3wt.％；W:3-5wt.％；Si:0.5-2wt.％；Ni:余量；粉末中杂质含量要求为：S：≤0.030wt％；P：≤0.035wt％。
在一个优选的实施方案中，所述各元素的纯度均≥99.9％。
根据本发明的第二方面，提供一种紧固件表面耐海洋环境腐蚀激光熔覆层的制备方法，其包括以下步骤：
1)熔炼粉末合金材料，将权利要求1所述的各元素进行熔炼，温度为1500℃-1700℃，将熔化的材料保温30-50分钟，得到合金溶液；
2)将步骤1)所得合金溶液置于坩埚中，进行雾化制粉，得到合金粉末；
3)将步骤2)所得合金粉末进行筛分，得到粒度400-200目的粉末合金材料；
4)对紧固件毛坯进行表面处理；
5)将步骤3)所得粉末合金材料放入储粉容器中，并将步骤4)所得的处理过的紧固件毛坯固定在熔覆工作台上进行激光熔覆；
6)重复步骤5)多次，制备总厚度为1000-4000μm的熔覆层。
在一个优选的实施方案中，步骤1)中所述熔炼在真空中频感应炉中进行，所述保温条件是1500℃-1700℃。
在一个优选的实施方案中，步骤2)中所述雾化使用气雾化设备进行，雾化介质为氮气，合金溶液流动速率为0.8kg/min-1kg/min。
在一个优选的实施方案中，其中，步骤5)中所述激光熔覆采用激光头静止、紧固件作相对转动方式进行。
在一个优选的实施方案中，激光熔覆时，激光光斑与工件相对运动速度10-30cm/s；
在一个优选的实施方案中，步骤6)后对所得具有耐蚀熔覆层的螺栓毛坯进行机加工，使其达到所需精度的设计尺寸。
在一个优选的实施方案中，对机加工后的紧固件进行热处理。
本发明的有益效果
本发明有效解决了螺杆与其紧固螺母之间腐蚀严重的问题，可以显著提高紧固件、连接结构件的安全性，并延长紧固件的使用寿命。
从以下示例性实施方案的描述中，本发明的进一步特征将变得显而易见。
附图说明
图1是螺栓结构示意图。1为螺栓头，2为光滑部，3为螺纹部，4为螺纹部长度，5为螺纹小径，6为螺纹大径。
图2是待激光熔覆的螺栓毛坯示意图，7为预留的激光熔覆段，8为待进行激光熔覆段直径。
图3是激光熔覆层的螺栓毛坯示意图，9为耐蚀熔覆层的厚度。
图4是双头螺柱结构示意图，10为螺纹大径，11为螺纹小径，12、13为螺纹部长度，14为光滑部。
图5是待激光熔覆的双头螺柱毛坯示意图，图中的标记为：15为待进行激光熔覆段直径，16和17为预留的激光熔覆段。
图6是具有激光熔覆层的双头螺柱毛坯示意图，图中的标记为：18为耐蚀熔覆层。
图7是熔覆层断面，19为熔覆层，20为基体。
具体实施方式
以下对本公开的一个实施方式具体地说明，但本公开并非限定于此。
本发明的具体技术方案如下：
一、粉末合金材料成分与制备
一种用于紧固件表面制备耐腐蚀激光熔覆层的粉末合金材料，其成分如下：
1、合金粉末组分
粉末合金材料中各元素重量百分数如下：
Cr:20-24wt.％；Mo:10-15wt.％；Co:10-20wt.％；Nb:1-3wt.％；W:3-5wt.％；Si:0.5-2wt.％；Ni:余量。
2、合金粉末制备方法
(1)合金的熔炼
将所需的各种元素按以下重量百分数进行配比：Cr:20-24wt.％；Mo:10-15wt.％；Co:10-20wt.％；Nb:1-3wt.％；W:3-5wt.％；Si:0.5-2wt.％；Ni:余量。
按上述配比称量好各种元素，将其置于真空中频感应炉中熔炼；熔炼温度为1500℃-1700℃，将熔化的合金在1500℃-1700℃温度下保温30-50分钟。
(2)雾化制粉
氮气保护的雾化制粉为成熟的技术。将上述步骤(1)制备的合金溶液倒入一个气雾化设备所用的坩埚中，利用气雾化装置进行雾化制粉，得到合金粉末。
上述合金粉末的制备方法，所需雾化介质为氮气，合金溶液流动速率为0.8kg/min-1kg/min。
(3)筛分得成品粉末
将步骤(2)制备的粉末进行筛分，得到用于激光熔覆的粉末，其粒度在400-200目范围。
二、熔覆层制备工艺
熔覆层的制备为已有成熟技术。为提高熔覆效率，可选用功率2-6kW的高功率光纤激光器作为熔覆用热源。
制备熔覆层的具体步骤如下：
1)制备紧固件毛坯。利用车床将紧固件螺纹部进行切削打磨，激光熔覆段的长度在1.05-1.1倍得螺纹部长度范围，螺纹部毛坯直径在0.9-0.95倍的螺纹小径范围。
2)对紧固件毛坯进行表面除锈、除油处理后，将其固定在熔覆工作台上。
3)将“一、粉末成分与制备”中所制备的耐蚀合金粉末装入气动送粉器的储粉容器中，采用激光头静止、紧固件作相对运动、搭接熔覆的方法制备熔覆层。熔覆主要参数为：送粉量1-2kg/h，激光束功率密度1-4kw/mm2，激光光斑与工件相对运动速度10-30cm/s；单次熔覆时，相邻两道预熔覆层的搭接区宽度为0.5-1.2mm，所形成单层熔覆层厚度为500-1000μm。
在相同区域重复“二、熔覆层制备工艺”中的步骤(3)多次，可制备总厚度为500-4000μm的熔覆层。
三、耐蚀紧固件的加工与热处理
(1)对步骤二所述具有耐蚀熔覆层的紧固件毛坯进行机加工，使其达到所需精度的设计尺寸。
(2)对于8.8级以上的高强螺栓，为使其力学性能达到设计要求，需要参照按国家标准对螺栓进行热处理。
所述粉末合金材料中，各组分作用如下：
镍作为镍基合金中含量最高的基体元素，具有诸多优点：镍达到熔点之前一直保持面心立方结构，这就给韧脆转变提供了自由度；在电化序上，镍比铁惰性而比铜活泼。在还原性环境中，镍比铁要耐腐蚀，但没有铜耐腐蚀。
铬是提高镍基合金熔覆层抗氧化性和耐腐蚀性的基本元素之一，可以有效提高合金钝化膜的再生能力或修复能力，提升熔覆层的抗氧化性、耐点蚀性能。
钼的加入能显著提高镍基合金熔覆层对还原性酸的抗腐蚀性、提高含氯化物水溶液环境下的抗点蚀及间隙腐蚀的性能，并提高熔覆层的高温强度。
钴的加入既可以提高熔覆层的强度，又可以抑制贫铬区的产生。铌是强烈的碳化物形成元素，激光熔覆过程中，基体中所含的部分碳元素会扩散至熔覆层中，铌和碳结合形成碳化铌，碳化铌的生成既可提高熔覆层的强度，又能减轻晶界处因碳析出导致的晶界贫铬，从而提高熔覆层的耐蚀性。钨的加入用于提高熔覆层的强度、硬度和耐磨性。硅具有还原剂和脱氧剂的作用，硅还可和钼、钨、铬反应生成硅化物，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用。
实施例1：制备耐蚀防锈死M36海洋平台塔架连接螺栓
一、粉末成分与制备
(1)合金的熔炼(成分1)
1.将所需的各种元素按以下重量百分数进行配比：Cr:20wt.％；Mo:15wt.％；Co:10wt.％；Nb:1wt.％；W:3wt.％；Si:0.5wt.％；Ni:余量。
按上述配比称量好各种元素，将其置于真空中频感应炉中熔炼；熔炼温度为1500℃，将熔化的合金在1500℃温度下保温40分钟。
(2)雾化制粉
氮气保护的雾化制粉为成熟的技术。将上述步骤(1)制备的合金溶液倒入一个气雾化设备所用的坩埚中，利用气雾化装置进行雾化制粉，得到合金粉末。
上述合金粉末的制备方法，所需雾化介质为氮气，合金溶液流动速率为0.8kg/min。
(3)筛分得成品粉末
将步骤(2)制备的粉末进行筛分，得到用于激光熔覆的粉末，其粒度在400-200目范围。
二、熔覆层制备工艺
选用功率3kW的光纤激光器作为熔覆用热源,制备熔覆层的具体步骤如下：
(1)制备螺栓毛坯(尺寸1)。如图1所示，本发明所述的螺栓由螺栓头、光滑部和耐蚀螺纹部组成，螺栓毛坯材料牌号为：42CrMo。制备所得螺栓的耐蚀螺纹部1的长度为97mm、螺纹大径3的尺寸为36mm、螺纹小径2的尺寸为32.5mm。激光熔覆之前制备螺栓毛坯试样，如图2所示，预留的激光熔覆段4的长度106.7mm；待进行激光熔覆段5的尺寸30.8mm。
(2)对螺栓毛坯进行表面除锈、除油处理后，将其固定在熔覆工作台上。
(3)将“一、粉末成分与制备”所制备的耐蚀合金粉末装入气动送粉器的储粉容器中。采用激光头静止、螺栓毛坯作相对螺旋运动、搭接熔覆的方法制备熔覆层。熔覆主要参数为：送粉量1kg/h，采用3kW光纤激光器进行熔覆，激光束焦点光斑1.2mm，激光光斑与工件相对运动速度13cm/s；单次熔覆时，相邻两道预熔覆层的搭接区宽度为0.6mm，所形成单层熔覆层平均厚度为800μm。
在相同区域重复“二、熔覆层制备工艺”中的步骤(3)3次，制备出总厚度约为3200μm的耐蚀熔覆层。
三、耐蚀螺栓的加工与热处理
(1)对实施“步骤二”后所得的具有耐蚀熔覆层的螺栓毛坯进行机加工，使其达到所需精度的设计尺寸。
(2)按《金属热处理标准应用手册》、《GB/T3077-2015合金结构钢》和《GB/T16924-2008钢件的淬火与回火》对螺栓进行热处理。
四、耐蚀螺母的选择
选择镍基合金材料的螺母搭配耐蚀螺栓一起使用，可以达到更好的耐蚀效果，显著防止螺纹部和螺母锈蚀锁死。
实施例2：制备耐蚀防锈死双头螺柱
一、粉末成分与制备
(1)合金的熔炼
1.将所需的各种元素按以下重量百分数进行配比：Cr:24wt.％；Mo:10wt.％；Co:15wt.％；Nb:2wt.％；W:5wt.％；Si:1.5wt.％；Ni:余量。
按上述配比称量好各种元素，将其置于真空中频感应炉中熔炼；熔炼温度为1600℃，将熔化的合金在1600℃温度下保温30分钟。
(2)雾化制粉
氮气保护的雾化制粉为成熟的技术。将上述步骤(1)制备的合金溶液倒入一个气雾化设备所用的坩埚中，利用气雾化装置进行雾化制粉，得到合金粉末。
上述合金粉末的制备方法，所需雾化介质为氮气，合金溶液流动速率为0.9kg/min。
(3)筛分得成品粉末
将步骤(2)制备的粉末进行筛分，得到用于激光熔覆的粉末，其粒度在400-200目范围。
二、熔覆层制备工艺
选用功率4kW的光纤激光器作为熔覆用热源,制备熔覆层的具体步骤如下：
(1)制备双头螺柱毛坯(尺寸2)。如图4所示，本发明所述的双头螺柱由光滑部和耐蚀螺纹部组成，双头螺柱毛坯材料牌号为：M12。制备所得双头螺柱的耐蚀螺纹部的长度2为15mm，长度3为32mm，螺纹大径1为12mm、螺纹小径2为(有效直径)10.647mm。激光熔覆之前制备双头螺柱毛坯试样，如图2所示，预留的激光熔覆段6和7的长度分别为16.5mm和33.6mm；待进行激光熔覆段5的尺寸为9.58mm。
(2)对双头螺柱毛坯进行表面除锈、除油处理后，将其固定在圆管类部件激光熔覆台上。
(3)将“一、粉末成分与制备”所制备的耐蚀合金粉末装入气动送粉器的储粉容器中。采用激光头静止、双头螺柱毛坯作相对转动、搭接熔覆的方法制备熔覆层。熔覆主要参数为：送粉量1.2kg/h，激光束光斑1.6mm，激光光斑与工件相对运动速度12cm/s；单次熔覆时，相邻两道预熔覆层的搭接区宽度为1mm，所形成单层熔覆层平均厚度为1000μm。
在相同区域重复“二、熔覆层制备工艺”中的步骤(3)1次，制备出总厚度约为2000μm的耐蚀熔覆层。
三、双头螺柱的加工
对步骤二所述具有耐蚀熔覆层的螺栓毛坯进行机加工，使其达到所需精度的设计尺寸。
四、耐蚀螺母的选择
选择镍基合金材料的螺母搭配耐蚀双头螺柱一起使用，可以达到更好的耐蚀效果，显著防止螺纹部和螺母锈蚀锁死。牌号如：GH1139、GH16、GH4710、GH35A等。
工业实用性
有效解决了紧固件在海洋环境下因腐蚀而生锈锁死甚至断裂的问题，可以显著改善紧固件的耐海洋环境腐蚀、抗氢脆性能，提高紧固件的安全性，并延长其使用寿命，可适合在海洋环境中使用。
此实施例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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于紧固件耐海洋环境腐蚀激光熔覆层的粉末合金材料，其特征在于，包括以下重量百分数的元素：Cr:20-24wt.％；Mo:10-15wt.％；Co:10-20wt.％；Nb:1-3wt.％；W:3-5wt.％；Si:0.5-2wt.％；Ni:余量；粉末中杂质含量要求为：S：≤0.030wt％；P：≤0.035wt％。
2.根据权利要求1所述的粉末合金材料，其中，所述各元素的纯度均≥99.9％。
3.一种紧固件表面耐海洋环境腐蚀激光熔覆层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)熔炼粉末合金材料，将权利要求1所述的各元素进行熔炼，温度为1500℃-1700℃，将熔化的材料保温30-50分钟，得到合金溶液；
2)将步骤1)所得合金溶液置于坩埚中，进行雾化制粉，得到合金粉末；
3)将步骤2)所得合金粉末进行筛分，得到粒度400-200目的粉末合金材料；
4)对紧固件毛坯进行表面处理；
5)将步骤3)所得粉末合金材料放入储粉容器中，并将步骤4)所得的处理过的紧固件毛坯固定在熔覆工作台上进行激光熔覆；
6)重复步骤5)多次，制备总厚度为1000-4000μm的熔覆层。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤1)中所述熔炼在真空中频感应炉中进行，所述保温条件是1500℃-1700℃。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤2)中所述雾化使用气雾化设备进行，雾化介质为氮气，合金溶液流动速率为0.8kg/min-1kg/min。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤5)中所述激光熔覆采用激光头静止、紧固件作相对转动方式进行。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，激光熔覆时，激光光斑与工件相对运动速度10-30cm/s。
8.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤6)后对所得具有耐蚀熔覆层的螺栓毛坯进行机加工，使其达到所需精度的设计尺寸。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对机加工后的紧固件进行热处理。
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