CN113463087A - 一种钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层及其制备方法。本发明的钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层的组成包括依次设置在钢材表面的铁基非晶合金涂层和钛合金涂层，其制备方法包括以下步骤：先通过激光熔覆技术在钢材表面制备铁基非晶合金涂层，再通过激光熔覆技术在铁基非晶合金涂层表面制备钛合金涂层。本发明通过在钢材表面制备由铁基非晶合金涂层和钛合金涂层组成的耐腐蚀复合钛合金涂层，利用铁基非晶合金涂层有效地改善了钛合金涂层高脆性界面，提高了涂层的结合强度和表面钛含量，最终能够为钢材提供良好的耐腐蚀防护，在海洋工程钢材料防护领域具有很好的应用前景。

Description

一种钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属防护技术领域，具体涉及一种钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层及其制备方法。
背景技术
海洋环境对许多金属材料(尤其是钢材)都具有强烈的腐蚀性，采取有效的防腐蚀措施对保证海洋工程设备设施的安全服役非常重要。海洋工程中钢铁材料的用量很大，钢结构的保护是发展海洋工程材料的重点和难点。
钛及钛合金的密度小、比强度高、耐海水腐蚀性强，是一种性能优异的海洋工程材料，但由于钛合金材料的成本高，难以直接进行大规模应用，而将钛合金优异的耐腐蚀性能和钢材的低成本优势相结合，便能够在提高材料性能的同时降低使用成本。目前，钛合金涂层的主要制备方法为冷喷涂技术，该方法制备得到的钛合金涂层往往存在气孔缺陷多的问题，难以获得致密、高强度和高耐蚀性的涂层。
激光熔覆，又称激光熔敷或激光包覆，是利用激光束将粉末熔化并结合在基材上对材料进行改性的技术，具有稀释率低、结合好、适用范围广等优点。目前，激光熔覆技术主要应用于热物性相接近的材料之间的复合，例如：将耐蚀钢熔覆在碳钢上形成防护层(CN103752818A：一种用于激光熔覆的含有高铬含量的铁基复合粉末)；将钛合金粉末用于钛合金件的激光熔覆修复(CN 109267063A：一种基于激光熔覆修复钛合金锻梁表面缺陷的方法)。
铁和钛的热物性差异大，在冶金过程极易生成脆性的金属间化合物而导致涂层性能恶化，直接在钢材上熔覆钛易导致界面性能薄弱和开裂等问题。海洋工程设备设施的维护成本高，要求材料在海洋环境中具有长效、稳定、可靠的服役性能，因此对涂层材料的力学性能和耐腐蚀性能都有较高要求。为满足海洋环境应用需求，迫切需要发展适用的钛合金涂层制备技术，为海洋工程钢材提供可靠的腐蚀防护。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层及其制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层，其组成包括依次设置在钢材表面的铁基非晶合金涂层和钛合金涂层。
优选的，所述铁基非晶合金涂层由FeSiB非晶合金粉末、FeSiBNbCu非晶合金粉末中的至少一种制成。
优选的，所述FeSiB非晶合金粉末的粒径为50μm～200μm。
优选的，所述FeSiBNbCu非晶合金粉末的粒径为50μm～200μm。
优选的，所述铁基非晶合金涂层的厚度为100μm～1000μm。
进一步优选的，所述铁基非晶合金涂层的厚度为150μm～500μm。
优选的，所述钛合金涂层由钛合金粉末、纯钛粉中的至少一种制备而成。纯钛粉进行激光熔覆操作的过程中，铁基非晶合金涂层中的部分组分会与纯钛粉结合，最终形成钛合金层，而非纯钛层。
优选的，所述钛合金粉末的粒度为150目～300目。
优选的，所述纯钛粉的粒度为150目～300目。
优选的，所述钛合金涂层的厚度为250μm～1000μm。
进一步优选的，所述钛合金涂层的厚度为300μm～600μm。
上述钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层的制备方法包括以下步骤：先通过激光熔覆技术在钢材表面制备铁基非晶合金涂层，再通过激光熔覆技术在铁基非晶合金涂层表面制备钛合金涂层。
优选的，所述钢材表面进行过粗化和清理。
优选的，所述激光熔覆的熔覆功率为1000W～1300W。
本发明的有益效果是：本发明通过在钢材表面制备由铁基非晶合金涂层和钛合金涂层组成的耐腐蚀复合钛合金涂层，利用铁基非晶合金涂层有效地改善了钛合金涂层高脆性界面，提高了涂层的结合强度和表面钛含量，最终能够为钢材提供良好的耐腐蚀防护，在海洋工程钢材料防护领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1的步骤2)中形成的铁基非晶合金涂层的数码照片。
图2为实施例1的步骤3)中形成的钛合金涂层的数码照片。
图3为实施例2中的复合钛合金涂层截面的光学显微镜照片。
图4为实施例3中的复合钛合金涂层截面的光学显微镜照片。
图5为实施例4中的复合钛合金涂层截面的SEM图。
图6为实施例4中的复合钛合金涂层截面沿着界面方向的元素分布图。
图7为实施例3处理过的Q235低碳钢板、对比例1处理过的Q235低碳钢板和对比例2的Q235低碳钢板的耐腐蚀性能测试结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层，其制备方法包括以下步骤：
1)对Q235低碳钢板进行表面粗化和清理；
2)将粒径50μm～200μm的铁基非晶合金粉末Fe78Si9B13(原子百分比)加入激光熔覆设备，再将铁基非晶粉末Fe78Si9B13熔覆在步骤1)处理过的Q235低碳钢板上，熔覆功率为1200W(针对于激光光斑直径为2.8mm的平顶光)，熔覆搭接率为50％，形成厚度约300μm的铁基非晶合金涂层(即FeSiB过渡层)；
3)将粒度150目～300目的Ti6Al4V(牌号：TC4)球形粉末加入激光熔覆设备，再将Ti6Al4V球形粉末熔覆在步骤2)形成的铁基非晶合金涂层上，熔覆功率为1000W(针对于激光光斑直径为2.8mm的平顶光)，熔覆搭接率为50％，形成厚度约450μm的钛合金涂层。
步骤2)中形成的铁基非晶合金涂层的数码照片如图1所示，步骤3)中形成的钛合金涂层的数码照片如图2所示。
由图1可知：铁基非晶合金涂层的表面平整，具有亮银色金属光泽。
由图2可知：钛合金涂层的表面质量良好，无宏观裂纹。
实施例2：
一种钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层，其制备方法包括以下步骤：
1)对Q235低碳钢板进行表面粗化和清理；
2)将粒径50μm～200μm的铁基非晶合金粉末Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu(原子百分比)加入激光熔覆设备，再将铁基非晶粉末Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu熔覆在步骤1)处理过的Q235低碳钢板上，熔覆功率为1000W(针对于激光光斑直径为2.8mm的平顶光)，熔覆搭接率为50％，形成厚度约300μm的铁基非晶合金涂层(即FeSiBNbCu过渡层)；
3)将粒径50μm～150μm的钛粉加入激光熔覆设备，再将钛粉熔覆在步骤2)形成的铁基非晶合金涂层上，熔覆功率为1000W(针对于激光光斑直径为2.8mm的平顶光)，熔覆搭接率为50％，形成厚度约300μm的钛合金涂层。
将本实施例制备的复合钛合金涂层切割、打磨和抛光，观察截面的结合形态，得到的光学显微镜照片如图3所示。
由图3可知：铁基非晶合金粉末Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu形成的铁基非晶合金涂层与低碳钢板基体及钛合金涂层的结合良好，钛合金涂层致密，铁基非晶合金涂层上下均存在一定深度的扩散区域，起到了连接低碳钢板基体和钛合金涂层的作用。
实施例3：
一种钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层，其制备方法包括以下步骤：
1)对Q235低碳钢板进行表面粗化和清理；
2)将粒径50μm～200μm的铁基非晶合金粉末Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu(原子百分比)加入激光熔覆设备，再将铁基非晶粉末Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu熔覆在步骤1)处理过的Q235低碳钢板上，熔覆功率为1000W(针对于激光光斑直径为2.8mm的平顶光)，熔覆搭接率为50％，形成厚度约400μm的铁基非晶合金涂层(即FeSiBNbCu过渡层)；
3)将粒径50μm～150μm的钛粉加入激光熔覆设备，再将钛粉熔覆在步骤2)形成的铁基非晶合金涂层上，熔覆功率为1200W(针对于激光光斑直径为2.8mm的平顶光)，熔覆搭接率为50％，形成厚度约400μm的钛合金涂层。
将本实施例制备的复合钛合金涂层切割、打磨和抛光，观察截面的结合形态，得到的光学显微镜照片如图4所示。
由图4可知：复合钛合金涂层同样具有致密和结合好的特点。
实施例4：
一种钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层，其制备方法包括以下步骤：
1)对Q235低碳钢板进行表面粗化和清理；
2)将粒径50μm～200μm的铁基非晶合金粉末Fe78Si9B13(原子百分比)加入激光熔覆设备，再将铁基非晶粉末Fe78Si9B13熔覆在钢板上，熔覆功率为1200W(针对于激光光斑直径为2.8mm的平顶光)，熔覆搭接率为50％，形成厚度约150μm的铁基非晶合金涂层(即FeSiB过渡层)；
3)将粒度150目～300目的Ti6Al4V(牌号：TC4)球形粉末加入激光熔覆设备，再将Ti6Al4V球形粉末熔覆在步骤2)形成的铁基非晶合金涂层上，熔覆功率为1000W(针对于激光光斑直径为2.8mm的平顶光)，熔覆搭接率为50％，形成厚度约450μm的钛合金涂层。
将本实施例制备的复合钛合金涂层切割、打磨和抛光，观察截面的结合形态，得到的扫描电镜(SEM)图如图5所示，在扫描电镜的背散射模式下，通过能谱仪检测了复合钛合金涂层沿着界面方向的元素分布情况，测试结果如图6所示。
由图5可知：复合钛合金涂层同样具有致密和结合好的特点。
由图6可知：在复合钛合金涂层表面存在较大范围的高钛含量区，能够保证涂层具有高耐腐蚀性能；钛合金涂层与低碳钢板基体之间存在约150μm的扩散区，说明铁基非晶合金粉末Fe78Si9B13形成的铁基非晶合金涂层起到了连接表层和基体的作用。
对比例1：
一种钢材表面耐腐蚀铁基非晶合金涂层，其制备方法包括以下步骤：
1)对Q235低碳钢板进行表面粗化和清理；
2)将粒径50μm～200μm的铁基非晶合金粉末Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu(原子百分比)加入激光熔覆设备，再将铁基非晶粉末Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu熔覆在步骤1)处理过的Q235低碳钢板上，熔覆功率为1000W(针对于激光光斑直径为2.8mm的平顶光)，熔覆搭接率为50％，形成厚度约400μm的铁基非晶合金涂层。
对比例2：
Q235低碳钢板。
对比例3：
一种钢材表面耐腐蚀钛合金涂层，其制备方法包括以下步骤：
1)对Q235低碳钢板进行表面粗化和清理；
2)将粒径50μm～150μm的钛粉加入激光熔覆设备，再将钛粉熔覆在步骤1)处理过的Q235低碳钢板上，熔覆功率为1200W(针对于激光光斑直径为2.8mm的平顶光)，熔覆搭接率为50％，形成厚度约400μm的钛合金涂层。
性能测试：
1)采用电化学工作站在质量分数3.5％的NaCl溶液中对实施例3处理过的Q235低碳钢板、对比例1处理过的Q235低碳钢板和对比例2的Q235低碳钢板的电化学性能进行对比测试，测试结果如图7所示。
由图7可知：室温下实施例3处理过的Q235低碳钢板在质量分数3.5％的NaCl溶液中具有良好的耐腐蚀性能，耐腐蚀性能显著优于对比例1处理过的Q235低碳钢板和对比例2的Q235低碳钢板，说明本发明制备的耐腐蚀复合钛合金涂层能够起到很好的腐蚀防护作用。
2)参照“GB/T 8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定”对实施例3处理过的Q235低碳钢板和对比例3处理过的Q235低碳钢板进行涂层结合强度测试，测试发现实施例3处理过的Q235低碳钢板上的耐腐蚀复合钛合金涂层在载荷为60MPa时在树脂胶处才发生断裂，说明耐腐蚀复合钛合金涂层与基材的结合强度高于树脂粘结强度(>60MPa)，且明显高于实施例3处理过的Q235低碳钢板上的钛合金涂层的结合强度(约50MPa)。
3)采用X射线荧光光谱仪对实施例3中复合钛合金涂层表面的钛含量进行测定，结果表明钛含量(质量分数)高达92％。采用X射线荧光光谱仪对对比例3中钛合金涂层表面的钛含量进行测定，结果表明涂层表面钛含量(质量分数)为84％。可见，铁基非晶合金过渡层的加入使得熔覆过程中铁元素具有更大的扩散阻力，降低了钛合金层的铁含量，从而保证了涂层表面具有很高的钛含量。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层，其特征在于，其组成包括依次设置在钢材表面的铁基非晶合金涂层和钛合金涂层。
2.根据权利要求1所述的钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层，其特征在于：所述铁基非晶合金涂层由FeSiB非晶合金粉末、FeSiBNbCu非晶合金粉末中的至少一种制成。
3.根据权利要求2所述的钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层，其特征在于：所述FeSiB非晶合金粉末的粒径为50μm～200μm；所述FeSiBNbCu非晶合金粉末的粒径为50μm～200μm。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层，其特征在于：所述铁基非晶合金涂层的厚度为100μm～1000μm。
5.根据权利要求4所述的钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层，其特征在于：所述铁基非晶合金涂层的厚度为150μm～500μm。
6.根据权利要求1～3中任意一项所述的钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层，其特征在于：所述钛合金涂层的厚度为250μm～1000μm。
7.根据权利要求6所述的钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层，其特征在于：所述钛合金涂层的厚度为300μm～600μm。
8.权利要求1～7中任意一项所述的钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：先通过激光熔覆技术在钢材表面制备铁基非晶合金涂层，再通过激光熔覆技术在铁基非晶合金涂层表面制备钛合金涂层。
9.根据权利要求8所述的钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层的制备方法，其特征在于：所述钢材表面进行过粗化和清理。
10.根据权利要求8或9所述的钢材表面耐腐蚀复合钛合金涂层的制备方法，其特征在于：所述激光熔覆的熔覆功率为1000W～1300W。
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