CN114369822A - 一种激光熔覆制备铁基非晶涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铁基非晶涂层技术领域，提供了一种激光熔覆制备铁基非晶涂层的方法，将铁基非晶粉末、碳纳米管与聚乙烯醇的水溶液混合，得到膏状体；将膏状体涂覆于基体上，再进行激光熔覆，得到铁基非晶涂层。本发明通过将铁基非晶粉末与聚乙烯醇的水溶液和碳纳米管制成膏状体，再涂覆于基体上进行激光熔覆，解决了铁基非晶在激光熔覆过程中大面积晶化的问题，其中的碳纳米管能够形成多层的网状结构，可以将铁基非晶粉末有效的隔开，阻止铁基非晶粉末的大面积接触，进而就无法形成有序的晶体结构，从而达到了防止铁基非晶晶化的目的。实验结果表明，本发明提供的方法制备的铁基非晶涂层中只含非晶相而不含晶体相。

Description

一种激光熔覆制备铁基非晶涂层的方法
技术领域
本发明涉及铁基非晶涂层技术领域，尤其涉及一种激光熔覆制备铁基非晶涂层的方法。
背景技术
铁基非晶具有良好的防腐性能，超高硬度，良好的耐磨性能。利用铁基非晶粉末制备金属涂层，可以有效的保护基体材料，提高基材的使用寿命，有效减少腐蚀。
现有技术中常采用激光熔覆的方法来制备铁基非晶涂层，激光熔覆过程中会产生高温，然而，铁基非晶的晶化温度一般在600℃左右，高温会使得铁基非晶大面积晶化，无法有效的制备成非晶涂层。因此，如何防止铁基非晶的晶化是制备铁基非晶涂层亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光熔覆制备铁基非晶涂层的方法，本发明提供的方法能够有效阻止铁基非晶粉末在激光熔覆过程中的晶化。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种激光熔覆制备铁基非晶涂层的方法，包括以下步骤：
(1)将铁基非晶粉末、碳纳米管与聚乙烯醇的水溶液混合，得到膏状体；
(2)将所述步骤(1)得到的膏状体涂覆于基体上，再进行激光熔覆，得到铁基非晶涂层。
优选地，所述步骤(1)中聚乙烯醇的水溶液中聚乙烯醇与水的质量比为(20～50)：(300～600)。
优选地，所述步骤(1)中聚乙烯醇的水溶液的体积与铁基非晶粉末的质量比为(150～200)mL：(50～70)g。
优选地，所述步骤(1)中碳纳米管与铁基非晶粉末的质量比为(0.5～0.8)：(50～70)。
优选地，所述步骤(1)中铁基非晶粉末、碳纳米管与聚乙烯醇的水溶液的混合包括：
将铁基非晶粉末与聚乙烯醇的水溶液混合，得到含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液；
将所述碳纳米管分散于所述含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液，然后加热。
优选地，所述分散的方式为超声分散，所述分散的时间为3～5h。
优选地，所述加热的温度为70～90℃，所述加热的时间为60～90min。
优选地，所述聚乙烯醇的水溶液的制备方法包括：将聚乙烯醇与水混合后进行加热。
优选地，所述步骤(2)中涂覆的厚度为1～2mm。
优选地，所述步骤(2)中激光熔覆的工艺参数为：光斑直径1.2～1.4mm，激光功率800～1000W，扫描速度10～15mm/s，离焦量0～+2mm，搭接率40～50％。
本发明提供了一种激光熔覆制备铁基非晶涂层的方法，包括以下步骤：将铁基非晶粉末、碳纳米管与聚乙烯醇的水溶液混合，得到膏状体；将膏状体涂覆于基体上，再进行激光熔覆，得到铁基非晶涂层。本发明通过将铁基非晶粉末与聚乙烯醇的水溶液和碳纳米管制成膏状体，再涂覆于基体上进行激光熔覆，解决了铁基非晶在激光熔覆过程中大面积晶化的问题，其中的碳纳米管能够形成多层的网状结构，可以将铁基非晶粉末有效的隔开，阻止铁基非晶粉末的大面积接触，进而就无法形成有序的晶体结构，从而达到了防止铁基非晶晶化的目的。实验结果表明，本发明提供的方法制备的铁基非晶涂层中仅含非晶相而不含晶体相。
附图说明
图1为本发明提供的方法中制备膏状体过程的示意图；
图2为本发明提供的方法中激光熔覆过程的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种防止铁基非晶激光熔覆晶化的方法，包括以下步骤：
(1)将铁基非晶粉末、碳纳米管与聚乙烯醇的水溶液混合，得到膏状体；
(2)将所述步骤(1)得到的膏状体涂覆于基体上，再进行激光熔覆，得到铁基非晶涂层。
本发明提供的方法适用于所有本领域公知成分的铁基非晶涂层的制备。
本发明将铁基非晶粉末、碳纳米管与聚乙烯醇的水溶液混合，得到膏状体。本发明通过将铁基非晶粉末与聚乙烯醇的水溶液和碳纳米管混合，可形成多层的网状结构，从而将铁基非晶粉末有效的隔开，阻止铁基非晶粉末的大面积接触，减少晶体的形成，进而达到防止铁基非晶晶化的目的。
在本发明中，所述铁基非晶粉末、碳纳米管与聚乙烯醇的水溶液的混合优选包括：
将铁基非晶粉末与聚乙烯醇的水溶液混合，得到含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液；
将所述碳纳米管分散于所述含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液，然后加热。
本发明优选将铁基非晶粉末与聚乙烯醇的水溶液混合，得到含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液。
本发明对所述铁基非晶粉末的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述铁基非晶粉末的成分优选为Fe53Cr25.8Mo16.8B2.08C2.44；所述铁基非晶粉末的非晶含量优选为100％；所述铁基非晶粉末的粒径优选为16～53μm。
在本发明中，所述聚乙烯醇的水溶液中聚乙烯醇与水的质量比优选为(20～50)：(300～600)，更优选为(20～40)：(300～500)。本发明优选将所述聚乙烯醇的水溶液中聚乙烯醇与水的质量比控制在上述范围，有利于聚乙烯醇的充分溶解。
在本发明中，所述聚乙烯醇的水溶液的制备方法优选包括：将聚乙烯醇与水混合后进行加热。本发明优选通过将聚乙烯醇与水混合后进行加热，形成粘稠状物质，以便后续均匀分散铁基非晶粉末。
本发明对所述聚乙烯醇与水混合的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可。
本发明对所述聚乙烯醇的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述聚乙烯醇的型号优选为1788低粘度型；所述聚乙烯醇的醇解度优选为87.0。
在本发明中，所述聚乙烯醇与水混合后加热的温度优选为70～80℃，更优选为70～75℃；所述加热的时间优选为60～90min，更优选为60～75min。本发明优选将所述加热的温度和时间控制在上述范围内，有利于聚乙烯醇在水中充分溶解。
在本发明中，所述聚乙烯醇与水混合后的加热优选在搅拌的条件下进行，本发明优选通过搅拌促进聚乙烯醇的溶解。在本发明中，所述搅拌所用设备优选为磁力搅拌器；所述搅拌的速率优选为300～400r/min，更优选为300～350r/min。
在本发明中，所述聚乙烯醇的水溶液的体积与铁基非晶粉末的质量比为(150～200)mL：(50～70)g，更优选为(150～180)mL：(50～60)g。本发明优选将所述聚乙烯醇的水溶液的体积与铁基非晶粉末的质量比控制在上述范围，有利于铁基非晶粉末的充分分散。
本发明对所述聚乙烯醇的水溶液与铁基非晶粉末混合的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可。在本发明中，所述聚乙烯醇的水溶液与铁基非晶粉末的混合优选在搅拌的条件下进行，有利于促进铁基非晶粉末在聚乙烯醇的水溶液中的充分分散。在本发明中，所述搅拌的速率优选为300～400r/min，更优选为300～350r/min；所述搅拌的时间优选为5～10min，更优选为5～8min。
得到含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液后，本发明优选将碳纳米管分散于所述含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液，然后加热。本发明优选通过在含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液中添加碳纳米管形成多层的网状结构，从而将铁基非晶粉末有效的隔开，阻止铁基非晶粉末的大面积接触，减少晶体的形成，进而达到防止铁基非晶晶化的目的。
在本发明中，所述碳纳米管优选为多壁碳纳米管；所述多壁碳纳米管的长径比优选为103～106。在本发明中，所述碳纳米管与铁基非晶粉末的质量比优选为(0.5～0.8)：(50～70)，更优选为(0.5～0.7)：(50～60)。本发明优选将所述碳纳米管与铁基非晶粉末的质量比控制在上述范围，有利于防止铁基非晶晶化。
在本发明中，所述分散的方式优选为超声分散；所述分散的时间优选为3～5h，更优选为3～4h。
在本发明中，所述加热的温度优选为70～90℃，更优选为70～80℃；所述加热的时间优选为60～90min，更优选为60～80min。本发明通过加热使水分蒸发，从而得到膏状体。
得到膏状体后，本发明将所述膏状体涂覆于基体上，再进行激光熔覆，得到铁基非晶涂层。
在本发明中，所述基体优选为海洋工程用高强钢；所述海洋工程用高强钢的型号优选为E690。在本发明中，所述基体的规格优选为50mm×20cm×1cm。
在本发明中，所述基体在涂覆前优选依次进行去锈、清洗和干燥处理。在本发明中，所述去锈所用材料优选为钢丝球和丙酮。在本发明中，所述清洗所用清洗剂优选为工业酒精。在本发明中，所述干燥的方式优选为晾干。
在本发明中，所述涂覆的厚度优选为1～2mm，更优选为1mm。在本发明中，所述涂覆所用设备优选为涂布机。
涂覆完成后，本发明优选将所述涂覆得到的产物依次进行压实和烘干，再进行激光熔覆。在本发明中，所述压实的压力优选为100～120MPa。在本发明中，所述烘干的温度优选为80～100℃，更优选为80～90℃；所述烘干的时间优选为2～4h，更优选为2～3h；所述烘干的设备优选为真空烘干机。
在本发明中，所述激光熔覆的工艺参数优选为：光斑直径1.2～1.4mm，激光功率800～1000W，扫描速度10～15mm/s，离焦量0～+2mm，搭接率40～50％；更优选为：光斑直径1.2～1.3mm，激光功率800～900W，扫描速度10～12mm/s，离焦量+2mm，搭接率40～45％。在本发明中，所述激光熔覆的方式优选为多道熔覆。在本发明中，所述激光熔覆所用激光器优选为XL-F2000W光纤激光熔覆系统。
本发明提供的方法中制备膏状体过程的示意图如图1所示，将铁基非晶、碳纳米管和聚乙烯醇的水溶液混合后搅拌均匀，制得膏状体，再涂覆于基体表面。
本发明提供的方法中激光熔覆过程的示意图如图2所示，采用激光器对基体表面的涂层进行激光熔覆，得到铁基非晶涂层。
本发明通过将铁基非晶粉末与聚乙烯醇的水溶液和碳纳米管制成膏状体，再涂覆于基体上进行激光熔覆，解决了铁基非晶在激光熔覆过程中大面积晶化的问题，其中的碳纳米管能够形成多层的网状结构，可以将铁基非晶粉末有效的隔开，阻止铁基非晶粉末的大面积接触，进而就无法形成有序的晶体结构，从而达到了防止铁基非晶晶化的目的。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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1
(1)将20g醇解度为87.0的1788低粘度型聚乙烯醇和300g水混合，在70℃下加热60min，并用磁力搅拌器按照300r/min的搅拌速率搅拌，得到聚乙烯醇的水溶液；
(2)取50g铁基非晶粉末倒入150mL步骤(1)得到的聚乙烯醇的水溶液中，按照300r/min的搅拌速率搅拌5min，得到含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液；其中，铁基非晶粉末的成分为Fe53Cr25.8Mo16.8B2.08C2.44，非晶含量为100％，粒径为16～53μm；
(3)取0.5g长径比为103的多壁碳纳米管倒入200mL步骤(2)得到的含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液中，超声分散3h后，再在70℃下加热60min，得到膏状体；其中，碳纳米管与铁基非晶粉末的质量比为0.5：50；
(4)将50mm×20cm×1cm的E690海洋工程用高强钢先用钢丝球去锈，再用丙酮去锈，接着用工业酒精清洗，最后放置在洁净、通风处晾干，然后用涂布机将步骤(3)得到的膏状体均匀涂覆于上述E690海洋工程用高强钢表面，涂覆厚度为1mm，之后用100MPa的压力将膏状压实，再放入真空烘干机中进行烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为2h，得到涂覆膏状体的E690海洋工程用高强钢；
(5)用XL-F2000W光纤激光熔覆系统对步骤(4)得到的涂覆膏状体的E690海洋工程用高强钢进行多道激光熔覆，光斑直径为1.2mm，激光功率为800W，扫描速度为10mm/s，离焦量为+2mm，搭接率为40％，得到铁基非晶涂层。
实施例2
(1)将40g醇解度为87.0的1788低粘度型聚乙烯醇和500g水混合，在70℃下加热80min，并用磁力搅拌器按照300r/min的搅拌速率搅拌，得到聚乙烯醇的水溶液；
(2)取70g铁基非晶粉末倒入200mL步骤(1)得到的聚乙烯醇的水溶液中，按照300r/min的搅拌速率搅拌5min，得到含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液；其中，铁基非晶粉末的成分为Fe53Cr25.8Mo16.8B2.08C2.44，非晶含量为100％，粒径为16～53μm；
(3)取0.7g长径比为104的多壁碳纳米管倒入270mL步骤(2)得到的含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液中，超声分散3h后，再在70℃下加热60min，得到膏状体；其中，碳纳米管与铁基非晶粉末的质量比为0.7：70；
(4)将50mm×20cm×1cm的E690海洋工程用高强钢先用钢丝球去锈，再用丙酮去锈，接着用工业酒精清洗，最后放置在洁净、通风处晾干，然后用涂布机将步骤(3)得到的膏状体均匀涂覆于上述E690海洋工程用高强钢表面，涂覆厚度为1mm，之后用100MPa的压力将膏状压实，再放入真空烘干机中进行烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为2h，得到涂覆膏状体的E690海洋工程用高强钢；
(5)用XL-F2000W光纤激光熔覆系统对步骤(4)得到的涂覆膏状体的E690海洋工程用高强钢进行多道激光熔覆，光斑直径为1.2mm，激光功率为800W，扫描速度为10mm/s，离焦量为+2mm，搭接率为40％，得到铁基非晶涂层。
实施例3
(1)将30g醇解度为87.0的1788低粘度型聚乙烯醇和300g水混合，在70℃下加热60min，并用磁力搅拌器按照300r/min的搅拌速率搅拌，得到聚乙烯醇的水溶液；
(2)取60g铁基非晶粉末倒入180mL步骤(1)得到的聚乙烯醇的水溶液中，按照300r/min的搅拌速率搅拌5min，得到含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液；其中，铁基非晶粉末的成分为Fe53Cr25.8Mo16.8B2.08C2.44，非晶含量为100％，粒径为16～53μm；
(3)取0.8g长径比为105的多壁碳纳米管倒入240mL步骤(2)得到的含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液中，超声分散3h后，再在70℃下加热60min，得到膏状体；其中，碳纳米管与铁基非晶粉末的质量比为0.8：60；
(4)将50mm×20cm×1cm的E690海洋工程用高强钢先用钢丝球去锈，再用丙酮去锈，接着用工业酒精清洗，最后放置在洁净、通风处晾干，然后用涂布机将步骤(3)得到的膏状体均匀涂覆于上述E690海洋工程用高强钢表面，涂覆厚度为1mm，之后用100MPa的压力将膏状压实，再放入真空烘干机中进行烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为2h，得到涂覆膏状体的E690海洋工程用高强钢；
(5)用XL-F2000W光纤激光熔覆系统对步骤(4)得到的涂覆膏状体的E690海洋工程用高强钢进行多道激光熔覆，光斑直径为1.2mm，激光功率为800W，扫描速度为10mm/s，离焦量为+2mm，搭接率为40％，得到铁基非晶涂层。
对实施例1～3制备的铁基非晶涂层进行检测。测试结果表明，本发明提供的方法制备的铁基非晶涂层中仅含非晶相，而不含晶体相。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光熔覆制备铁基非晶涂层的方法，包括以下步骤：
(1)将铁基非晶粉末、碳纳米管与聚乙烯醇的水溶液混合，得到膏状体；
(2)将所述步骤(1)得到的膏状体涂覆于基体上，再进行激光熔覆，得到铁基非晶涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中聚乙烯醇的水溶液中聚乙烯醇与水的质量比为(20～50)：(300～600)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中聚乙烯醇的水溶液的体积与铁基非晶粉末的质量比为(150～200)mL：(50～70)g。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳纳米管与铁基非晶粉末的质量比为(0.5～0.8)：(50～70)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中铁基非晶粉末、碳纳米管与聚乙烯醇的水溶液的混合包括：
将铁基非晶粉末与聚乙烯醇的水溶液混合，得到含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液；
将所述碳纳米管分散于所述含铁基非晶粉末的聚乙烯醇溶液，然后加热。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述分散的方式为超声分散，所述分散的时间为3～5h。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述加热的温度为70～90℃，所述加热的时间为60～90min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚乙烯醇的水溶液的制备方法包括：将聚乙烯醇与水混合后进行加热。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述所述步骤(2)中涂覆的厚度为1～2mm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中激光熔覆的工艺参数为：光斑直径1.2～1.4mm，激光功率800～1000W，扫描速度10～15mm/s，离焦量0～+2mm，搭接率40～50％。
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