CN114561582B - 合金粉末材料、其制备方法及在螺栓耐蚀防锈中的应用 - Google Patents

合金粉末材料、其制备方法及在螺栓耐蚀防锈中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种合金粉末材料、其制备方法及在螺栓耐蚀防锈中的应用，该材料包括按质量百分比计的以下原料：Ni:35‑39wt.%；Mo:15‑17 wt.%；Al:2‑4 wt.%；Ti:1‑2wt.%；Mn:1‑2 wt.%；Sr:0.02‑0.06 wt.%；Fe:余量；该材料中其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%。制备时先将Mo加热熔化，然后加入Ni熔化，再加入Al、Mn和Fe，最后加入Ti和Sr；得到合金熔融液体利用氮气保护雾化制粉技术制备合金粉末材料。该粉末材料可经激光熔覆在螺栓表面，用于提高螺栓的在潮湿环境下的耐腐蚀能力，有效解决螺栓与连接材料之间的锈死问题，提高螺栓的安全性，降低运维费用。

Description

合金粉末材料、其制备方法及在螺栓耐蚀防锈中的应用
技术领域
本发明属于螺栓的设计、制造及维护技术领域，具体涉及一种合金粉末材料、其制备方法及在螺栓耐蚀防锈中的应用。
背景技术
在水电行业中，水轮机、发电机中某些重要链接结构的螺栓对发电机、水轮机组振动、摆度以及正常运行起着至关重要的作用，机组“三件”—紧固件、连接件、预埋件的安全管控日益被行业所重视。如何确保机组“三件”缺陷的及时发现和稳定可靠运行，成为水电行业最为重要的课题之一。根据生产现场反馈的相关检修信息可知，部分处于潮湿环境的螺栓出现了与连接件锈死的现象，难以更换，更严重的会出现断裂失效等。
潮湿环境下金属的腐蚀十分严重。首先，水蒸气的含量随不同位置、不同温度而变化。大气中的水蒸气在毛细血管等效应的作用下会凝结成水滴，降落或凝聚在金属表面，形成水膜。水膜的生成，对金属在大气中的腐蚀起着决定性的作用。腐蚀速率通常随湿度增加而增加，对于多数金属都存在一个临界湿度，在临界湿度以上，腐蚀速率迅速增大。其次，由于金属表面含饱和氧的电解液膜的存在，使大气腐蚀的电化学过程中氧去极化过程变得容易进行，腐蚀速度加快。最后，地面附近的水分及电解质的组分常常差异较大，相当于是成分不均匀的电解液。金属构件常含有杂质，或由不同组分构成，因此同一构件的各个部分在潮湿环境中常具有不同的电极电位。在金属与潮湿环境之间可能构成各种类型的腐蚀电池，引发微电池腐蚀。
螺栓与其紧固螺母之间锈死之后，采用松动剂难以保证顺利更换锈蚀螺栓。如果采取降低螺栓与螺母之间的预紧力的办法防止螺栓锈死，又会出现螺栓松动问题，难以保证结构件的刚性和安全性，严重时可能加速螺栓及连接结构的疲劳损伤，导致突发性的灾难事故。
发明内容
本发明提供一种合金粉末材料、其制备方法及在螺栓耐蚀防锈中的应用，可以解决潮湿环境下螺栓的腐蚀问题，提高螺栓的耐蚀能力，防止螺栓锈死，从而有效降低因螺栓生锈导致的水电站后期生产维护费用，达到降本增效的目的。
本发明的技术方案是，一种合金粉末材料，包括按质量百分比计的以下原料：Ni:35-39wt.%；Mo: 15-17 wt.%；Al: 2-4 wt.%；Ti: 1-2wt.%；Mn: 1-2 wt.%；Sr：0.02-0.06wt.%； Fe:余量；该材料中其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%。
进一步地，所述原料的纯度均≥99.9%。
进一步地，Ni与Mo的质量分数为7:3，有利于形成MoNi4中间相。
进一步地，Ti与Al的质量比为2:1，有利于形成稳定的中间相Al3Ti。
本发明还涉及所述合金粉末材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将Mo加热熔化，然后加入Ni熔化，再加入Al、Mn和Fe，最后加入Ti和Sr；得到合金熔融液体；
S2、利用氮气保护雾化制粉技术制备合金粉末材料，雾化介质为氮气，熔融的合金液体倒入雾化快速冷凝装置的坩埚中，利用该装置进行雾化制粉，得到Ni-Mo-Al-Ti-Mn-Sr-Fe合金粉末材料。
进一步地，S1中合金熔融液体在1400℃-1600℃温度下保温30-60min。
进一步地，S2中制粉时，合金熔融液体流动速率为0.6kg/min-1kg/min。
进一步地，S2中得到的合金粉末材料进行筛分，取粒度在200-400目备用。
本发明还涉及所述合金粉末材料在激光熔覆提高螺栓耐蚀防锈中的应用，具体应用时，熔覆步骤为：
1）将待熔覆螺栓表面进行除油、除锈及清洗处理；
2）利用激光熔覆设备，对待熔覆螺栓的表面进行熔覆处理，采用多道搭接熔覆的方法制备熔覆层，单次熔覆时，相邻两道熔覆层的搭接率为40-60％，熔覆层厚度在200-1000μm，最后进行机加工，使其达到所需精度的设计尺寸。
进一步地，激光熔覆时，熔覆用热源为功率2.5-4.5kW的光纤激光器，激光束焦点光斑为1.5-3.5mm，使用气动同步送粉器进行送粉，送粉量为1.5-5kg/h，送粉器使用氮气进行送粉，送气量为12-24L/min，使用氩气对熔池进行保护，送气量为10-20L/min；激光束与工件的相对速度为4-22cm/s。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的合金粉末，通过Ni与Mo的加入，有利于形成MoNi4中间相，而MoNi4中间相在晶界处析出，有利于提高熔覆层耐晶间腐蚀能力。通过Ti的加入，一方面是提高形核率，降低晶粒尺寸，细化熔覆层中的固溶体组织，利用细晶强化原理提高熔覆层的硬度；另一方面通过加入Al，Ti与Al会形成稳定的中间相Al3Ti，利用第二相强化原理，提高熔覆层的硬度；最后一方面是Ti能提高熔覆层的耐微电池腐蚀能力。合金粉末中Mn的加入，主要是降低熔覆层孔洞数量，在制备工艺角度优化熔覆层性能；Fe的加入，主要是保证基体与熔覆层之间具有较好的结合强度，降低基体铁元素向熔覆层的扩散。
2、本发明通过激光熔覆技术将上述合金粉末熔覆在螺栓形成镍钼合金熔覆层，具有组织均匀，与基体呈冶金结合，耐蚀性强的特点。能抵抗潮湿环境下水膜、电解液对金属材料带来的氧去极化过程、电化学腐蚀或微电池腐蚀等。具有该熔覆层的螺栓，与当前工业上使用的没有熔覆层的螺栓相比，耐蚀性高，不易出现锈死的现象。而且熔覆层与螺栓表面之间呈冶金结合，不容易脱落，相比于在螺栓表面刷漆的防腐蚀措施，更能保证螺栓的耐蚀寿命，方便后期的运行维护并降低运维费用。
3、在实验过程中发现，在熔覆层粉末中，加入少量的Sr，能降低熔覆层变形开裂的倾向，能保证制备的熔覆层具有较为完成的形貌，孔洞减少，裂纹减少，有助于提高熔覆层的耐蚀性能。此外，研究发现Ni与Mo的质量分数控制为7:3，Ti与Al的质量比控制为2:1，有利于提高熔覆层的硬度。
附图说明
图1是实施例1的熔覆层形貌图。
图2是实施例2的熔覆层形貌图。
图3是实施例1的硬度图，Sr的加入略微提高了熔覆层的硬度。
图4是实施例2的硬度图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。
实施例1：
一、粉末材料成分设计与制备
1、粉末材料成分设计
各粉末材料的质量百分数如下：
Ni: 39 wt.%；Mo: 16.7 wt.%； Al: 4 wt.%；Ti: 2wt.%；Mn: 2 wt.%； Sr: 0.06wt.%；Fe:余量；其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%。上述粉末材料的纯度均≥99.9%。
2、粉末材料的制备
（1）合金粉末的熔炼
将粉末材料按配比称取，先将金属粉末Mo置于真空中频感应炉中加热，待Mo完全熔化后加入Ni，待Mo和Ni完全熔化后加入Al、Mn和Fe，最后加入Ti和Sr。将熔融的合金粉末在1600℃温度下保温60min。
（2）雾化制粉
利用氮气保护雾化制粉技术制备合金粉末材料，所需雾化介质为氮气，合金溶液流动速率为0.6kg/min。将上述步骤（1）中熔融的合金溶液倒入雾化快速冷凝装置的坩埚中，利用该装置进行雾化制粉，得到Ni-Mo-Al-Ti-Mn-Sr-Fe合金粉末材料。
（3）筛分得成品合金粉末材料
将步骤（2）制备的合金粉末材料进行筛分，其粒度在200-400目范围内。
二、镍钼合金熔覆层的制备方法
激光熔覆技术为成熟的熔覆层制备技术，但其工艺参数需要根据熔覆用粉末材料具体成分进行相应的调整，才能获得组织均匀无裂纹的熔覆层样品。本发明利用激光熔覆技术制备一种用于潮湿环境下防止螺栓锈死并提高其耐蚀寿命的镍钼合金熔覆层，具体包括以下步骤：
（1）待熔覆螺栓预处理
待熔覆螺栓为8.8级M16X10螺栓。将螺栓表面用丙酮进行除油、除锈处理，将螺栓放置于超声波清洗仪中，清洗时间60min。待熔覆区域为除了螺栓头的螺栓圆柱侧表面。
（2）熔覆参数的选择
选用功率3.2kW的高功率光纤激光器作为熔覆用热源，激光束焦点光斑为1.5mm，使用气动同步送粉器进行送粉，送粉量为1.5kg/h，送粉器使用氮气进行送粉，送气量为24L/min，使用氩气对熔池进行保护，送气量为20L/min；激光束与工件的相对速度为12cm/s。采用多道搭接熔覆的方法制备熔覆层，单次熔覆时，相邻两道熔覆层的搭接率为60％，单层熔覆所形成熔覆层厚度为400μm。
三、带有熔覆层的螺栓的机加工
对步骤二所述带有熔覆层的螺栓进行机加工，使其达到所需精度的设计尺寸，并符合相应的国家标准。
制备的熔覆层如图1所示，组织均匀，裂纹和孔洞比较少。
实施例2：实施例2的制备工艺参数与实施例1完全一致，不同于之处在于熔覆层成分中没有添加Sr。
一、粉末材料成分设计与制备
1、粉末材料成分设计
各粉末材料的质量百分数如下：
Ni: 39 wt.%；Mo: 16.7 wt.%； Al: 4 wt.%；Ti: 2wt.%；Mn: 2 wt.%； Fe:余量；其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%。上述粉末材料的纯度均≥99.9%。
2、粉末材料的制备
（1）合金粉末的熔炼
将粉末材料按配比称取，先将金属粉末Mo置于真空中频感应炉中加热，待Mo完全熔化后加入Ni，待Mo和Ni完全熔化后加入Al、Mn和Fe，最后加入Ti。将熔融的合金粉末在1600℃温度下保温60min。
（2）雾化制粉
利用氮气保护雾化制粉技术制备合金粉末材料，所需雾化介质为氮气，合金溶液流动速率为0.6kg/min。将上述步骤（1）中熔融的合金溶液倒入雾化快速冷凝装置的坩埚中，利用该装置进行雾化制粉，得到Ni-Mo-Al-Ti-Mn-Fe合金粉末材料。
（3）筛分得成品合金粉末材料
将步骤（2）制备的合金粉末材料进行筛分，其粒度在200-400目范围内。
二、镍钼合金熔覆层的制备方法
激光熔覆技术为成熟的熔覆层制备技术，但其工艺参数需要根据熔覆用粉末材料具体成分进行相应的调整，才能获得组织均匀无裂纹的熔覆层样品。本发明利用激光熔覆技术制备一种用于潮湿环境下防止螺栓锈死并提高其耐蚀寿命的镍钼合金熔覆层，具体包括以下步骤：
（1）待熔覆螺栓预处理
待熔覆螺栓为8.8级M16X10螺栓。将螺栓表面用丙酮进行除油、除锈处理，将螺栓放置于超声波清洗仪中，清洗时间60min。待熔覆区域为除了螺栓头的螺栓圆柱侧表面。
（2）熔覆参数的选择
选用功率3.2kW的高功率光纤激光器作为熔覆用热源，激光束焦点光斑为1.5mm，使用气动同步送粉器进行送粉，送粉量为1.5kg/h，送粉器使用氮气进行送粉，送气量为24L/min，使用氩气对熔池进行保护，送气量为20L/min；激光束与工件的相对速度为12cm/s。采用多道搭接熔覆的方法制备熔覆层，单次熔覆时，相邻两道熔覆层的搭接率为60％，单层熔覆所形成熔覆层厚度为400μm。
三、带有熔覆层的螺栓的机加工
对步骤二所述带有熔覆层的螺栓进行机加工，使其达到所需精度的设计尺寸，并符合相应的国家标准。
制备的熔覆层如图2所示，相比于加入了Sr元素的熔覆层（如图1所示），图2中没有加入Sr的熔覆层出现裂纹和孔洞变多，对熔覆层整体的耐蚀性能有不利影响，因此加入Sr很有必要。

Claims (7)

1.一种合金粉末材料，其特征在于，包括按质量百分比计的以下原料：Ni: 39 wt.%；Mo: 16.7 wt.%； Al: 4 wt.%；Ti: 2wt.%；Mn: 2 wt.%； Sr: 0.06 wt.%；Fe:余量；其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%，上述粉末材料的纯度均≥99.9%。
2.权利要求1所述合金粉末材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将Mo加热熔化，然后加入Ni熔化，再加入Al、Mn和Fe，最后加入Ti和Sr；得到合金熔融液体；
S2、利用氮气保护雾化制粉技术制备合金粉末材料，雾化介质为氮气，熔融的合金液体倒入雾化快速冷凝装置的坩埚中，利用该装置进行雾化制粉，得到Ni-Mo-Al-Ti-Mn-Sr-Fe合金粉末材料。
3.根据权利要求2所述的合金粉末材料的制备方法，其特征在于：S1中合金熔融液体在1400℃-1600℃温度下保温30-60min。
4.根据权利要求2所述的合金粉末材料的制备方法，其特征在于：S2中制粉时，合金熔融液体流动速率为0.6kg/min-1kg/min。
5.根据权利要求2所述的合金粉末材料的制备方法，其特征在于：S2中得到的合金粉末材料进行筛分，取粒度在200-400目备用。
6.权利要求1所述合金粉末材料在激光熔覆提高螺栓耐蚀防锈中的应用，其特征在于，具体应用时，熔覆步骤为：
1）将待熔覆螺栓表面进行除油、除锈及清洗处理；
2）利用激光熔覆设备，对待熔覆螺栓的表面进行熔覆处理，采用多道搭接熔覆的方法制备熔覆层，单次熔覆时，相邻两道熔覆层的搭接率为40-60％，熔覆层厚度在200-1000μm，最后进行机加工，使其达到所需精度的设计尺寸。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：激光熔覆时，熔覆用热源为功率2.5-4.5kW的光纤激光器，激光束焦点光斑为1.5-3.5mm，使用气动同步送粉器进行送粉，送粉量为1.5-5kg/h，送粉器使用氮气进行送粉，送气量为12-24L/min，使用氩气对熔池进行保护，送气量为10-20L/min；激光束与工件的相对速度为4-22cm/s。
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