CN113278960B - 一种新型等离子堆焊Fe-Mo2FeB2过渡层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型等离子堆焊Fe‑Mo2FeB2过渡层的制备方法，包括如下步骤：喷丸前处理过程、超声清洗过程、设计Fe‑Mo2FeB2复合涂层正交试验表、等离子堆焊过程与性能检测。本发明采用喷丸技术与等离子堆焊技术，技术应用成熟，操作方便，本发明针对以往过渡层费时费力的制备方法，提出一种新型的依靠等离子体堆焊稀释率缺点的技术，结合喷丸纳米化技术及高表面粗糙度，形成成分梯度分布的复合涂层，该复合涂层具有良好的冶金结合及耐磨耐蚀性能；通过改变等离子堆焊设备的等离子弧电流、工作气体流量、喷涂与堆焊距离、喷涂与堆焊速度等堆焊参数来研究这些参数对与涂层材料组织、性能的影响以及最佳反应配比，该方法操作简单且方便快捷。
Description
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，更具体地说，尤其涉及一种新型等离子堆焊Fe-Mo2FeB2过渡层的制备方法。
背景技术
我国输电线路铁塔用材主要以Q235和Q345热轧角钢为主，相较于国外发达国家，我国输电铁塔所用钢材就显得材质单一，材质的可选择余地小，并且此两种钢材强度值偏低。随着经济的迅猛发展，用电量与日俱增，铁塔日渐大型化。在当前铁塔用材选取范围小的情况下，寻求耐腐蚀，强度更高的涂层来增强铁塔的耐蚀性、强度性能从而增加使用寿命是个不错的选择。
硼化物是硼与其他金属或非金属形成的间充型化合物，分子间存在共价键、离子键和金属键三种化学键，分子间作用力大，分子不容易被破坏，使得硼化物的硬度和熔点极高，高温稳定性好。其中Mo2NiB2基金属陶瓷的耐腐蚀性能好，可以用于高湿、高腐蚀的工况环境。采用等离子堆焊的方法在 Q235钢基体上制备Mo2FeB2耐腐蚀复合涂层，提高Q235钢基体的耐腐蚀以及硬度等性能，为输电铁塔材料的选择提供了一种有效的途径。但是，由于Mo2FeB2与Q235间的热物理性能差异，极易导致Mo2FeB2涂层的开裂与脱落。针对该问题，现主要采取制备过渡层的方式，其工艺复杂。
基于上述背景，本发明提出一种输电铁塔用材Fe-Mo2FeB2耐腐蚀复合涂层制备方法，解决现有技术中存在的缺点和限制，其可通过Q235基材的表面处理技术与等离子堆焊技术制备成分梯度分布的Fe-Mo2FeB2复合涂层，解决 Mo2FeB2复合涂层失效问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，采用大气等离子喷涂技术在Q235钢表面制备Fe-Mo2FeB2耐腐蚀涂层，通过正交试验法对工艺参数进行优化，确定最佳喷涂工艺，最终制Fe-Mo2FeB2耐腐蚀复合涂层。该方法对于解决工程中遇到的实际问题操作简单，可靠性强，而提出的一种新型等离子堆焊Fe-Mo2FeB2过渡层的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型等离子堆焊 Fe-Mo2FeB2过渡层的制备方法，包括如下步骤：
S1、喷丸前处理过程，采用强力喷丸工艺对Q235钢进行喷丸处理，钢铁基材经高强度喷丸处理后表面粗糙度不小于5毫米，表面晶粒纳米化层厚度不小于150微米；
S2、超声清洗过程，经喷丸处理后的钢材用无水乙醇超声处理，去除钢材表面残留物，超声处理时间为10min，超声处理后用吹风机吹干；
S3、设计Fe-Mo2FeB2复合涂层正交试验表，通过正交试验法与四因素三水平设计离子弧电流、工作气体流量、喷涂/堆焊距离、喷涂/堆焊速度等堆焊参数，其中以堆焊层稀释率为性能指标选择稀释率梯度分布的堆焊工艺为制备Fe-Mo2FeB2的最优工艺；
S4、等离子堆焊过程，采用预置粉末法，在超声清洗处理后的Q235钢材表面预置Mo2FeB2粉末；
S5、性能检测，根据正交试验结果选取工艺参数，通过等离子堆焊在最优工艺参数下制备Fe-Mo2FeB2复合涂层。
优选的，所述Fe-Mo2FeB2过渡层设置为成分梯度分布、冶金结合的耐磨耐蚀Fe-Mo2FeB2复合涂层。
优选的，步骤S1的喷丸前处理过程中，喷丸处理使用铸钢丸的直径尺寸为0.5-3mm，喷丸强度为0.3mmA-1mmA，喷丸时间1-3min/cm2。
优选的，步骤S4的等离子堆焊过程中，需要对钢材基材进行预热，采用便携式电阻加热平台或电磁感应加热装置，控制基材温度在回复再结晶温度一下进行控温加热，其控温装置可采用热敏元器件或红外测温仪进行监控。
优选的，步骤S4中使用的预置Mo2FeB2粉末参数为：粉末平均尺寸为 1-100μm、预置粉末厚度为0.5-2mm、采用的压载强度不小于0.01MPa、不大于基体材料的屈服强度、保载时间为12-36小时。
优选的，步骤S5中高能量等离子体堆焊的具体参数为：主弧电流120A、主弧电压50V、维弧电流18A、离子气流量3.2L·min-1、电弧移动速度 120mm/min。
优选的，步骤S5中Fe-Mo2FeB2复合涂层堆焊制备完毕后还包括对涂层组织结构和耐腐蚀性能进行分析的过程。
优选的，对涂层组织结构和耐腐蚀性能进行分析的过程中通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电化学工作站(AutolabPGSTAT302N)分析涂层组织结构和耐腐蚀性能，最终制备Fe-Mo2FeB2耐腐蚀复合涂层。
本发明的技术效果和优点：本发明提供的一种新型等离子堆焊 Fe-Mo2FeB2过渡层的制备方法，与现有技术相比：
1、本发明采用喷丸技术与等离子堆焊技术，技术应用成熟，操作方便，本发明针对以往过渡层费时费力的制备方法，提出一种新型的依靠等离子体堆焊稀释率缺点的技术，结合喷丸纳米化技术及高表面粗糙度，形成成分梯度分布的复合涂层，该复合涂层具有良好的冶金结合及耐磨耐蚀性能；
2、通过改变等离子堆焊设备的等离子弧电流、工作气体流量、喷涂与堆焊距离、喷涂与堆焊速度等堆焊参数来研究这些参数对与涂层材料组织、性能的影响以及最佳反应配比。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电化学工作站(Autolab PGSTAT302N)等研究涂层的显微组织、物相组成与分析，确定最优工艺参数，通过对等离子堆焊后的试样与基体硬度、耐腐蚀性能以及力学性能方面的对比研究，论证等离子堆焊制备Fe-Mo2FeB2耐腐蚀复合涂层的方法的技术可行性。该方法具有实际应用价值和现实意义，操作简单且方便快捷。
附图说明
图1为本发明中Q235钢强力喷丸的表面形貌的示意图；
图2为本发明中Q235钢强力喷丸的截面形貌的示意图；
图3为本发明中Fe-Mo2FeB2复合涂层的XRD的示意图；
图4为本发明中Fe-Mo2FeB2复合涂层的截面形貌的示意图；
图5为本发明中复合涂层与Q235的磨痕形貌的示意图；
图6为本发明中Fe-Mo2FeB2复合涂层与Q235在3.5wt.％NaCl中的动态极化曲线的示意图；
图7为本发明新型等离子堆焊Fe-Mo2FeB2过渡层的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如附图1-7所示，一种新型等离子堆焊Fe-Mo2FeB2过渡层的制备方法，包括如下步骤：
S1、喷丸前处理过程，采用强力喷丸工艺对Q235钢进行喷丸处理，钢铁基材经高强度喷丸处理后表面粗糙度不小于5毫米，表面晶粒纳米化层厚度不小于150微米；
经喷完处理后其表面形貌如图1所示，可知其表面粗糙度明显较大，其表面层截面结构如图2所示，其表面晶粒纳米化层厚度约为200μm；
S2、超声清洗过程，经喷丸处理后的钢材用无水乙醇超声处理，去除钢材表面残留物，超声处理时间为10min，超声处理后用吹风机吹干；
S3、设计Fe-Mo2FeB2复合涂层正交试验表，通过正交试验法与四因素三水平设计离子弧电流、工作气体流量、喷涂/堆焊距离、喷涂/堆焊速度等堆焊参数，其中以堆焊层稀释率为性能指标选择稀释率梯度分布的堆焊工艺为制备Fe-Mo2FeB2的最优工艺；
S4、等离子堆焊过程，采用预置粉末法，在超声清洗处理后的Q235钢材表面预置Mo2FeB2粉末；
S5、性能检测，根据正交试验结果选取工艺参数，通过等离子堆焊在最优工艺参数下制备Fe-Mo2FeB2复合涂层。
Fe-Mo2FeB2过渡层设置为成分梯度分布、冶金结合的耐磨耐蚀 Fe-Mo2FeB2复合涂层。步骤S1的喷丸前处理过程中，喷丸处理使用铸钢丸的直径尺寸为0.5-3mm，喷丸强度为0.3mmA-1mmA，喷丸时间1-3min/cm2。步骤S4的等离子堆焊过程中，需要对钢材基材进行预热，采用便携式电阻加热平台或电磁感应加热装置，控制基材温度在回复再结晶温度一下进行控温加热，其控温装置可采用热敏元器件或红外测温仪进行监控。
步骤S4中使用的预置Mo2FeB2粉末参数为：粉末平均尺寸为2μm、预置粉末厚度为2mm、采用的压载强度为0.01MPa、不大于基体材料的屈服强度、保载时间为24小时。步骤S5中高能量等离子体堆焊的具体参数为：主弧电流120A、主弧电压50V、维弧电流18A、离子气流量3.2L·min-1、电弧移动速度120mm/min。步骤S5中Fe-Mo2FeB2复合涂层堆焊制备完毕后还包括对涂层组织结构和耐腐蚀性能进行分析的过程。对涂层组织结构和耐腐蚀性能进行分析的过程中通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电化学工作站 (AutolabPGSTAT302N)分析涂层组织结构和耐腐蚀性能，最终制备 Fe-Mo2FeB2耐腐蚀复合涂层。
图3为等离子堆焊后Fe-Mo2FeB2涂层的表面XRD图谱。由图可知，等离子堆焊后，表面层主要为Mo2FeB2，也含有少量Fe，其中Fe起到粘结相的作用；图4为等离子堆焊Fe-Mo2FeB2涂层的截面形貌，由图可知复合涂层与 Q235之间未出现明显的界面，说明复合涂层的成分为梯度分布，其结合为冶金结合；
由Q235基体到表面Mo2FeB2层，Fe元素的含量逐渐降低，使得成分出现了梯度分布；图5为Mo2FeB2涂层与Q235基材的磨痕形貌，由图可知， Mo2FeB2涂层的磨痕窄且浅，而Q235的磨痕宽且深；图6为Mo2FeB2涂层与 Q235基材的动态极化曲线，由图可知，Mo2FeB2涂层比Q235基材有更好的耐腐蚀性能，因此在Q235钢表面堆焊Fe-Mo2FeB2复合涂层能够有效地抑制其耐磨、耐蚀性。
综上所述，该Fe-Mo2FeB2复合涂层的制备方法充分利用等离子堆焊技术高稀释率的缺点，使其缺点变为优点，结合强力喷丸技术产生的基材表面纳米化与粗糙度，使其产生成分梯度变化的Fe稀释的Mo2FeB2复合涂层，其具体原理为：喷丸处理钢铁基材表面高的粗糙度可促进堆焊时，粗糙度峰与堆焊材料间的熔融互扩散，从而产生Fe成分的梯度变化，同时表面纳米化层具有较高的位错密度、晶界密度及能量，导致堆焊时更多的Fe基材熔融并往 Mo2FeB2堆焊层扩散，并结合高能量等离子堆焊工艺，从而制备冶金结合、成分梯度变化的Fe-Mo2FeB2复合涂层；
与现有技术相比，本发明提供的Fe-Mo2FeB2耐腐蚀涂层的方法，通过改变等离子堆焊设备的等离子弧电流、工作气体流量、喷涂与堆焊距离、喷涂与堆焊速度等堆焊参数来研究这些参数对与涂层材料组织、性能的影响以及最佳反应配比。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电化学工作站(Autolab PGSTAT302N)等研究涂层的显微组织、物相组成与分析，确定最优工艺参数，通过对等离子堆焊后的试样与基体硬度、耐腐蚀性能以及力学性能方面的对比研究，论证等离子堆焊制备Fe-Mo2FeB2耐腐蚀复合涂层的方法的技术可行性。该方法具有实际应用价值和现实意义，操作简单，方便快捷。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种新型等离子堆焊Fe-Mo2FeB2过渡层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、喷丸前处理过程，采用强力喷丸工艺对Q235钢进行喷丸处理，钢铁基材经高强度喷丸处理后表面粗糙度不小于5毫米，表面晶粒纳米化层厚度不小于150微米；
S2、超声清洗过程，经喷丸处理后的钢材用无水乙醇超声处理，去除钢材表面残留物，超声处理时间为10min，超声处理后用吹风机吹干；
S3、设计Fe-Mo2FeB2复合涂层正交试验表，通过正交试验法与四因素三水平设计离子弧电流、工作气体流量、喷涂/堆焊距离、喷涂/堆焊速度等堆焊参数，其中以堆焊层稀释率为性能指标选择稀释率梯度分布的堆焊工艺为制备Fe-Mo2FeB2的最优工艺；
S4、等离子堆焊过程，采用预置粉末法，在超声清洗处理后的Q235钢材表面预置Mo2FeB2粉末；
S5、性能检测，根据正交试验结果选取工艺参数，通过等离子堆焊在最优工艺参数下制备Fe-Mo2FeB2复合涂层，步骤S5中高能量等离子体堆焊的具体参数为：主弧电流120A、主弧电压50V、维弧电流18A、离子气流量3.2L·min-1、电弧移动速度120mm/min。
2.根据权利要求1所述的一种新型等离子堆焊Fe-Mo2FeB2过渡层的制备方法，其特征在于：所述Fe-Mo2FeB2过渡层设置为成分梯度分布、冶金结合的耐磨耐蚀Fe-Mo2FeB2复合涂层。
3.根据权利要求1所述的一种新型等离子堆焊Fe-Mo2FeB2过渡层的制备方法，其特征在于：步骤S1的喷丸前处理过程中，喷丸处理使用铸钢丸的直径尺寸为0.5-3mm，喷丸强度为0.3mmA-1mmA，喷丸时间1-3min/cm2。
4.根据权利要求1所述的一种新型等离子堆焊Fe-Mo2FeB2过渡层的制备方法，其特征在于：步骤S4的等离子堆焊过程中，需要对钢材基材进行预热，采用便携式电阻加热平台或电磁感应加热装置，控制基材温度在恢复 再结晶温度以下 进行控温加热，其控温装置可采用热敏元器件或红外测温仪进行监控。
5.根据权利要求1所述的一种新型等离子堆焊Fe-Mo2FeB2过渡层的制备方法，其特征在于：步骤S4中使用的预置Mo2FeB2粉末参数为：粉末平均尺寸为1-100μm、预置粉末厚度为0.5-2mm、采用的压载强度不小于0.01MPa、不大于基体材料的屈服强度、保载时间为12-36小时。
6.根据权利要求1所述的一种新型等离子堆焊Fe-Mo2FeB2过渡层的制备方法，其特征在于：步骤S5中Fe-Mo2FeB2复合涂层堆焊制备完毕后还包括对涂层组织结构和耐腐蚀性能进行分析的过程。
7.根据权利要求6所述的一种新型等离子堆焊Fe-Mo2FeB2过渡层的制备方法，其特征在于：对涂层组织结构和耐腐蚀性能进行分析的过程中通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电化学工作站(AutolabPGSTAT302N)分析涂层组织结构和耐腐蚀性能，最终制备Fe-Mo2FeB2耐腐蚀复合涂层。
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