CN113512724B - 一种含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料及其制备方法。本发明的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料的组成包括钢基体、设置在钢基体上的铜钼合金层和设置在铜钼合金层上的钛合金防护层，其制备方法包括以下步骤：先将铜粉和钼粉混合，再通过激光熔覆技术在钢基体表面制备铜钼合金层，再通过激光熔覆技术在铜钼合金层表面制备钛合金防护层。本发明的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料表面设置有组织致密、力学性能优异、耐腐蚀性能优异的耐腐蚀涂层，具有很好的应用前景。

Description

一种含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属防护技术领域，具体涉及一种含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料及其制备方法。
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。目前，海洋工程最常见的钢材防腐方法是通过有机涂料在钢材上形成腐蚀防护涂层，但有机涂层存在不耐辐照、耐磨性差、需要定期修复等缺点。
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，应用受到局限，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(CN 101032633A：一种利用冷喷涂和真空烧结制备多孔钛涂层的复合工艺)，但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，难以直接获得致密和高强度的涂层。
激光熔覆等高能束流加工技术的发展为钛合金等涂层的制备提供了支撑。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。然而，由于铁和钛的热物理性质差异大，且在冶金过程中易生成脆性的金属间化合物而导致涂层性能恶化，因此直接将钛合金熔覆在钢材上存在结合强度低、易开裂等问题。因此，目前钛合金粉末的激光熔覆的研究与应用主要是针对于钛合金基体的修复(CN 105821408A：采用激光熔覆修复TC4-DT钛合金的工艺方法)。
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。为满足我国海洋工程对高耐蚀防护材料的强烈需求，需要开发性能更加优异的金属防护材料，为海洋工程钢材提供长效防护。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料及其制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料，其组成包括钢基体、设置在钢基体上的铜钼合金层和设置在铜钼合金层上的钛合金防护层。
优选的，所述铜钼合金层中钼的质量分数为3％～30％。
进一步优选的，所述铜钼合金层中钼的质量分数为4％～20％。
优选的，所述铜钼合金层的厚度为100μm～800μm。
进一步优选的，所述铜钼合金层的厚度为200μm～500μm。
优选的，所述钛合金防护层的厚度为200μm～1000μm。
进一步优选的，所述钛合金防护层的厚度为200μm～500μm。
上述含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料的制备方法包括以下步骤：先将铜粉和钼粉混合，再通过激光熔覆技术在钢基体表面制备铜钼合金层，再通过激光熔覆技术在铜钼合金层表面制备钛合金防护层。
优选的，所述铜粉的粒径为30μm～250μm。
优选的，所述钼粉的粒径为30μm～250μm。
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：本发明的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料表面设置有组织致密、力学性能优异、耐腐蚀性能优异的耐腐蚀涂层，具有很好的应用前景。
具体来说：
本发明将铜钼合金层作为过渡层实现钢基体和钛合金防护层的连接，不仅可以有效隔绝钛铁之间的剧烈冶金化学作用，避免钛铁直接复合易产生大量脆性组织的缺陷，而且铜和钼存在难混熔和不化合的冶金特性，铜钼合金层中的钼主要呈弥散分布，能够在明显增强钛钢复合材料力学性能的同时保留铜高导热的优势，并抑制涂层开裂。
附图说明
图1为实施例1的步骤1)中形成的铜钼合金层的数码照片。
图2为实施例1的步骤2)中形成的钛合金防护层的数码照片。
图3为实施例1中的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料截面的光学显微镜照片。
图4为实施例1中的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料的铜钼合金层的X射线衍射谱图。
图5为实施例2中的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料截面的光学显微镜照片。
图6为实施例2中的铜钼合金层的光学显微镜照片。
图7为实施例3中的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料截面的光学显微镜照片。
图8为实施例1的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料、对比例1的Q235低碳钢板和对比例2的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料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：
一种含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料，其制备方法包括以下步骤：
1)将粒径30μm～250μm的铜粉和粒径30μm～250μm的钼粉按照质量比95:5混合后加入激光熔覆设备，再熔覆在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)，形成厚度约300μm的铜钼合金层(即铜钼复合中间层)；
2)将钛粉加入激光熔覆设备，再将钛粉熔覆在步骤1)形成的铜钼合金层上，熔覆功率为1200W(针对于激光光斑直径为2.8mm的平顶光)，形成厚度约400μm的钛合金防护层(即钛合金涂层)，即得含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料。
步骤1)中形成的铜钼合金层的数码照片如图1所示，步骤2)中形成的钛合金防护层的数码照片如图2所示，将本实施例制备的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料切割、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，并采用X射线衍射仪测试铜钼合金层，得到的X射线衍射谱图如图4所示。
由图1可知：铜钼合金层致密，且Q235低碳钢板基体的结合良好。
由图2可知：钛合金防护层致密无裂纹。
由图3可知：可以观察到由钛合金防护层、铜钼合金层和Q235低碳钢板基体组成的三明治结构，铜钼合金层与钛合金防护层和Q235低碳钢板基体均结合良好，尤其是铜钼合金层与钛合金防护层过渡完好，说明铜钼合金层中的部分钼颗粒与Q235低碳钢板基体和钛合金防护层冶金结合，起到强化作用。
由图4可知：铜钼合金层表面主要为单一的面心立方铜相，同时存在少量的体心立方钼相和极少量的体心立方铁相，说明铜钼合金层的引入有效避免了Q235低碳钢板基体中的铁向钛合金防护层扩散。
实施例2：
一种含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料，其制备方法包括以下步骤：
1)将粒径50μm～200μm的铜粉和粒径50μm～200μm的钼粉按照质量比90:10混合后加入激光熔覆设备，再熔覆在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)，形成厚度约600μm的铜钼合金层(即铜钼复合中间层)；
2)将钛粉加入激光熔覆设备，再将钛粉熔覆在步骤1)形成的铜钼合金层上，熔覆功率为1200W(针对于激光光斑直径为2.8mm的平顶光)，形成厚度约400μm的钛合金防护层(即钛合金涂层)，即得含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料。
将本实施例制备的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料切割、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5所示，铜钼合金层局部放大的光学显微镜照片如图6所示。
由图5可知：铜钼合金层与钛合金防护层和Q235低碳钢板基体均结合良好，改善了界面性能，钼的加入显著改善了铜钼合金层和Q235低碳钢板基体的结合，避免了因铜铁不互熔导致的界面性能不足的问题，同时还改善了铜钼合金层与钛合金防护层的结合。
由图6可知：钼颗粒在激光作用下以细微颗粒的方式弥散分布在铜中，形成铜钼复合强化组织，有利于提高钛合金复合涂层的力学性能。
实施例3：
一种含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料，其制备方法包括以下步骤：
1)将粒径50μm～200μm的铜粉和粒径50μm～200μm的钼粉按照质量比80:20混合后加入激光熔覆设备，再熔覆在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)，形成厚度约550μm的铜钼合金层(即铜钼复合中间层)；
2)将钛粉加入激光熔覆设备，再将钛粉熔覆在步骤1)形成的铜钼合金层上，熔覆功率为1300W(针对于激光光斑直径为2.8mm的平顶光)，形成厚度约400μm的钛合金防护层(即钛合金涂层)，即得含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料。
将本实施例制备的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料切割、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7所示。
由图7可知：由于钼含量的增加，铜钼合金层中可观察到更多的不同尺寸的钼颗粒，其中一些颗粒熔化粘结在一起与Q235低碳钢板基体形成了良好的冶金结合；铜钼合金层中同样存在着大量的微小钼颗粒，能够在强化铜钼合金层的同时改善钛合金防护层的熔覆性能、力学性能和耐腐蚀性能。
对比例1：
Q235低碳钢板。
对比例2：
一种含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料，其制备方法包括以下步骤：
将粒径30μm～250μm的铜粉和粒径30μm～250μm的钼粉按照质量比95:5混合后加入激光熔覆设备，再熔覆在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)，形成厚度约300μm的铜钼合金层，即得含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料。
对比例3：
一种含钛合金防护层的耐腐蚀钛钢复合材料，其制备方法包括以下步骤：
将钛粉加入激光熔覆设备，再将钛粉熔覆在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)，形成厚度约400μm的钛合金防护层，即得含钛合金防护层的耐腐蚀钛钢复合材料。
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1的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料、对比例1的Q235低碳钢板和对比例2的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料的电化学性能进行对比测试，测试结果如图8所示。
由图8可知：实施例1的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料在腐蚀介质中具有优异的耐腐蚀性能，显著优于对比例1的Q235低碳钢板和对比例2的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料。
2)参照“GB/T 8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定”对实施例1的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料和对比例3的含钛合金防护层的耐腐蚀钛钢复合材料进行涂层结合强度测试，测试发现实施例1的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料表面的防腐涂层的结合强度超过粘结胶片强度上限，防腐涂层的结合强度>65MPa，显著高于相同工艺条件下制备的对比例3的含钛合金防护层的耐腐蚀钛钢复合材料表面的防腐涂层的结合强度(40MPa～50MPa)。
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 (9)

1.一种含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料，其特征在于，其组成包括钢基体、设置在钢基体上的铜钼合金层和设置在铜钼合金层上的钛合金防护层；所述铜钼合金层中钼的质量分数为3％～30％。
2.根据权利要求1所述的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料，其特征在于：所述铜钼合金层中钼的质量分数为4％～20％。
3.根据权利要求1或2所述的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料，其特征在于：所述铜钼合金层的厚度为100μm～800μm。
4.根据权利要求3所述的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料，其特征在于：所述铜钼合金层的厚度为200μm～500μm。
5.根据权利要求1或2所述的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料，其特征在于：所述钛合金防护层的厚度为200μm～1000μm。
6.根据权利要求5所述的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料，其特征在于：所述钛合金防护层的厚度为200μm～500μm。
7.权利要求1～6中任意一项所述的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：先将铜粉和钼粉混合，再通过激光熔覆技术在钢基体表面制备铜钼合金层，再通过激光熔覆技术在铜钼合金层表面制备钛合金防护层。
8.根据权利要求7所述的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料的制备方法，其特征在于：所述铜粉的粒径为30μm～250μm；所述钼粉的粒径为30μm～250μm。
9.根据权利要求7或8所述的含铜钼合金层的耐腐蚀钛钢复合材料的制备方法，其特征在于：所述激光熔覆的熔覆功率为1000W～1300W。
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