CN114703474A - 用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成wc增强铁合金基熔覆层及制备方法 - Google Patents

用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成wc增强铁合金基熔覆层及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114703474A
CN114703474A CN202210290206.7A CN202210290206A CN114703474A CN 114703474 A CN114703474 A CN 114703474A CN 202210290206 A CN202210290206 A CN 202210290206A CN 114703474 A CN114703474 A CN 114703474A
Authority
CN
China
Prior art keywords
powder
corrosion
resistant
cladding
cladding layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN202210290206.7A
Other languages
English (en)
Inventor
高远
邹祖冰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Three Gorges Corp
Original Assignee
China Three Gorges Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Three Gorges Corp filed Critical China Three Gorges Corp
Priority to CN202210290206.7A priority Critical patent/CN114703474A/zh
Publication of CN114703474A publication Critical patent/CN114703474A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/067—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds comprising a particular metallic binder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/08—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on tungsten carbide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
    • B22F2009/043—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling by ball milling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
    • B22F2009/0836—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid with electric or magnetic field or induction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
    • B22F2009/0848—Melting process before atomisation

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层及制备方法。合金材料的原料包括按质量分计的以下组分：W:40‑56 wt.%；C:5‑7wt.%；Ni:5‑15 wt.%；Al:0.5‑1.5 wt.%；Co:4‑6 wt.%；Si:0.5‑1wt.%；Ti:1‑3wt.%；Fe:余量；其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%。待Ti和Fe完全熔化后加入Co、Ni和Al，最后加入Si；将熔融的合金粉末保温，在熔炼合金粉末时，不加入W和C，将熔融的合金粉末保温得到熔融的合金溶液；雾化制粉得到Fe‑Co‑Ni‑Al‑Ti‑Si合金粉末材料，将合金粉末材料与W粉和C粉置于行星式球磨机中球磨混匀，球磨完成后进行筛分，得到熔覆用粉末材料，采用多道搭接熔覆的方法制备熔覆层。本发明能有效改善海洋全浸区钢结构件因腐蚀、磨损导致的均匀腐蚀和局部腐蚀问题。

Description

用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增 强铁合金基熔覆层及制备方法
技术领域
本发明涉及腐蚀与磨损防护技术、表面工程技术、金属材料技术领域，具体涉及一种用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层及制备方法。
背景技术
为达成“碳达峰、碳中和”战略目标，绿色低碳清洁能源的发展成为了国家重点任务之一。风力发电是当前可再生能源领域中最成熟、最具有大规模开发条件、最具有商业化发展前景的发电方式之一。与陆上风电相比，海上风电具有就近满足沿海城市的用电需求、资源丰富、发电利用小时高、发电量大、不占用土地资源等优点，成为了全球风电发展的最新前沿。
相比于内陆，海洋的腐蚀环境非常严酷且复杂，金属材料在海洋环境下的腐蚀速率是常规腐蚀环境下的数倍甚至数十倍。海水中的溶解氧量、海浪冲击、干湿交替、日照时长、泥沙冲击、生物附着等因素都会加速钢结构的腐蚀，同时腐蚀程度还受到海水含盐量、pH值、Cl-离子浓度、温度变化等诸多因素的共同影响。因此海上风机的防腐问题应当引起高度重视。目前海上风电工程基础设施以及风机的防腐措施主要来自于海上石油平台、破冰船以及海底管线等方面的防腐蚀经验，针对海上风电腐蚀与防护的研究还很少，相关经验较为匮乏。
海上风机塔架的防腐比起陆上风机复杂得多。海上风机分为两种，即在浅海和沿海滩涂的底座式风机以及在近海和深海的漂浮式风机。底座式风机是在钢管桩上浇筑钢筋混凝土承台，承台上树立风机塔筒。其中钢管桩、混凝土承台部分由于在海上现场施工，环境复杂、气候恶劣，盐雾多，湿度大，潮汐间隔短，施工难度大，后续维修困难，所以其防腐要求较为严格，防腐周期越长越好。漂浮式风机类似于船舶和海工平台。但是，由于深海海上风电场无人居住，并且严格限制人员接近，因此漂浮式风机相比海工平台更难做到定期防腐维护检修，所以其对腐蚀防护的要求最为严格。海上风机塔架的腐蚀又可根据其结构件所处环境的不同细分为海洋大气腐蚀、飞溅区、潮差区、海泥区和全浸区。其中全浸区的腐蚀非常严重，腐蚀速率非常高。全浸区常年被海水浸没，由于高浓度Cl-离子的存在，钢材很难钝化，极易发生点蚀。全浸区平均腐蚀速率一般可达0.05-0.13mm/a，最大腐蚀速率可达平均值的2-3倍。同时，全浸还存在海上漂浮物冲刷撞击、生物污染和化学玷污等现象，防腐涂层极易破坏，加剧了腐蚀现象。
目前全浸区采用涂料和阴极保护联合防腐技术。涂料一般采用底漆+中间漆+面漆的组合方式，涂料的类型主要是水性无机富锌漆(40μm左右)，环氧树脂漆(300μm 左右)和氯化橡胶漆(20μm左右)。防腐蚀涂料虽然施工简单，但是局限性较大： (1)结合强度不高，不耐磨。涂料与基体结合强度低，在泥砂长期冲刷和撞击等条件下易剥落，失去防护效果；(2)易造成局部腐蚀。在海水全浸区由于涂层电绝缘性差，阴极保护易产生过保护现象，涂层在过保护下析氢和碱性降解的破坏下易剥离、起泡从而造成局部腐蚀，降低整体防腐蚀效果；(3)难以解决生物污损问题。涂层需要达到对环境无毒害的要求，但是海生物易附着在涂层表面从而产生污损破坏现象。因此，当前针对海水全浸区的涂料和阴极保护联合防腐技术中，涂料难以满足防腐需求，难以为阴极保护技术保驾护航。
发明内容
本发明为解决海水全浸区钢结构因海水冲刷、泥沙磨损、Cl-离子浓度高导致的均匀腐蚀及局部腐蚀等问题，提供一种用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层及制备方法，利用激光熔覆技术能量高、快速熔凝的优势，实现六边形形状的WC增强颗粒的原位合成，在钢结构件表面制备具有良好冶金结合的特定成分的耐蚀耐磨熔覆层，熔覆层成分均匀与基体呈冶金结合，大幅度提升钢结构件的耐蚀耐磨寿命，达到降本增效的目的。利用激光熔覆技术制备的熔覆层组织致密，与基体呈冶金结合，其结合强度远远大于涂层，可有效解决涂层在遭受撞击时易磨损剥落的问题。同时熔覆层利用细晶强化原理、合金化原理、固溶强化原理及第二相颗粒弥散强化原理，大幅度提升钢构件表面硬度、耐磨性能及耐海水腐蚀性能，从而有效解决防腐蚀涂层易剥落、易磨损、易局部腐蚀的难题，辅助阴极保护技术，可实现海水全浸区钢结构件的长效防护。
本发明的技术方案如下：
一种用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层，
所述方法采用的熔覆用粉末材料包括按质量分计的以下组分：
W:40-56wt.％；C:5-7wt.％；Ni:5-15wt.％；Al:0.5-1.5wt.％；Co:4-6wt.％；
Si:0.5-1wt.％；Ti:1-3wt.％；
Fe:余量；
其他杂质元素总量要求≤0.15wt.％；
优选地，W粉末粒度为600-800目。
优选地，W与C的质量分数比控制在(7-9):1。
进一步优选地，W与C的质量分数比控制在8:1。
优选地，Ni和Al的质量分数比控制在(8-12):1；Ti与Al的质量比控制在(1.5-2.5):1。
进一步优选地，Ni和Al的质量分数比控制在10:1；Ti与Al的质量比控制在2:1。
在熔覆用粉末材料中，各元素的具体作用如下：(1)W与C的质量分数比控制在(7-9):1时，其原子百分比在2:1到1:1之间，有利于形成六边形形状的WC颗粒。六边形形状的WC颗粒比常规三角形形状的WC颗粒的耐磨性能更好，整体硬度更高。可有效提高熔覆层的耐磨性能。(2)Co的熔点相对较低，能够改善原位合成的 WC颗粒与合金基体之间的润湿性，降低热膨胀系数和局部应力，减少熔覆层中裂纹和孔洞的出现。(3)Ni和Al的质量分数比控制在(8-12):1，能有效提高熔覆层的腐蚀电位，降低腐蚀倾向。同时Ni和Al生成稳定的中间相Ni3Al，能提高熔覆层的硬度和耐磨性能。(4)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；另一方面是当Ti与Al的质量比达到(1.5-2.5):1时，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的加入能降低WC的脆性，减少熔覆层出现裂纹的可能性。(5)Si的加入，主要作为脱氧剂，提高熔覆层的流动性和成渣能力，降低熔覆层孔洞数量，在制备工艺角度优化熔覆层性能。
如上所述，利用激光熔覆技术制备的原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层，具有WC颗粒分布规律无团聚、颗粒与基体结合无孔隙和裂纹的特点。该方法与直接添加WC陶瓷颗粒的熔覆层相比，优点是原位合成的WC颗粒与基体结合更加牢固，细小的WC颗粒之间相互支撑形成网络状骨架耐磨层，在外力的作用下不容易出现WC颗粒脱落，难以产生犁削作用，同时细小的WC能向周围基体材料释放一部分摩擦力，缓解熔覆层的局部微观磨损，提高熔覆层的整体耐磨性能，从而实现海水全浸区钢结构件在海水冲刷和泥沙冲蚀条件下的耐磨耐蚀防护。
本发明提出原位合成WC增强铁钴镍合金基熔覆层的成分设计方案，该成分结合激光熔覆技术，实现了六边形形状的WC颗粒的原位合成。成分设计与制备工艺相结合，使得制备的熔覆层组织均匀，无明显孔洞和裂纹，解决了外加颗粒引起熔覆层裂纹增多的难题；制备的熔覆层具有较高的硬度，能抵抗海水冲刷、泥沙冲蚀对钢结构件的磨损；具有较高的开路电位，能提高钢结构件的耐海水腐蚀性能；具有较高的结合强度，能解决普通涂料涂层和热喷涂涂层在外力作用下出现的涂层脱落、局部腐蚀等问题。
原位合成的作用：原位合成法制备的涂层比外加法制备的涂层均具有较好的抗磨性能，这是由于外加法制备的涂层在高载荷作用下存在WC颗粒脱落的现象。原位合成WC增强铁合金基熔覆层的磨损机制为软的塑性基体上分布着许多硬颗粒的异质结构，在正常载荷作用下，主要由突出在摩擦表面的硬相(WC颗粒)直接承受载荷，而软相(Fe合金基体相)起着支持硬相的作用，因此涂层的磨损机制为微切削。而外加WC颗粒制备的熔覆层，存在WC颗粒在摩擦过程中脱落严重的现象，随着WC 颗粒相的脱落存在于涂层及摩擦副的界面之间，摩擦过程中还伴有一定的磨粒磨损机制，使得材料的磨损更加严重。因此原位合成的WC颗粒与基体结合强度高，不易脱落，其硬度和耐磨性能都很高。
所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层的制备方法，所述合金粉末的制备包括以下步骤：
(1)合金粉末的熔炼：待Ti和Fe完全熔化后加入Co、Ni和Al，最后加入Si；将熔融的合金粉末保温,在熔炼合金粉末时，不加入W和C；
(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，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Fe-Co-Ni-Al-Ti-Si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Fe-Co-Ni-Al-Ti-Si合金粉末材料进行筛分，其粒度在200-400目范围内，得到合金粉末。
优选地，所述步骤(1)合金粉末的熔炼过程中，先将金属粉末Ti置于真空中频感应炉中加热，待Ti完全熔化后加入Fe，待Ti和Fe完全熔化后加入Co、Ni和Al，最后加入Si。
优选地，所述步骤(1)合金粉末的熔炼过程中，将熔融的合金粉末在1100℃-1300℃温度下保温30-60min；所述步骤(2)雾化制粉中：熔融的合金溶液流动速率为 0.6kg/min-1kg/min。
所述的用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的镍铬系合金熔覆层的制备方法，所述原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的制备方法包括以下步骤：
S1：将合金粉末与W粉和C粉置于行星式球磨机中球磨混匀，球磨完成后进行筛分，得到熔覆用粉末材料；
S2：光纤激光器作为熔覆用热源，使用气动同步送粉器进行送熔覆用粉末材料，送粉器使用氮气进行送熔覆用粉末材料，使用氩气对熔池进行保护；
S3：采用多道搭接熔覆的方法制备熔覆层。
优选地，所述步骤S1中，球磨机转速为150r/min-200r/min，球磨时间为10-12h；筛分粒度为600-700目。
优选地，所述步骤S2中，选用功率2.5-4.5kW的高功率光纤激光器作为熔覆用热源，激光束焦点光斑为1.5-3.5mm，使用气动同步送粉器进行送熔覆用粉末材料，送粉量为1.5-5kg/h，送粉器使用氮气进行送熔覆用粉末材料，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。
优选地，所述步骤S3：激光束与工件的相对速度为4-22cm/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40-60％，单层熔覆所形成熔覆层厚度为200-1000μm。
本发明的具体有益效果为：
(1)提出原位合成WC增强铁钴镍合金基熔覆层的成分设计方案，该成分结合激光熔覆技术，实现了六边形形状的WC颗粒的原位合成。相比于其他形状的原位合成WC颗粒，六边形形状的WC能大幅度提高材料的整体硬度，保证熔覆层的耐磨性能。因此在熔覆层的成分设计过程中，必须要保证WC原始粉末颗粒的粒度控制在 600-800目，当WC的粒度小于600目时，容易生成三角形WC颗粒，三角形WC颗粒对材料整体的硬度的增加的效果不如六边形形状的WC颗粒明显。成分设计与制备工艺相结合，使得制备的熔覆层组织均匀，无明显孔洞和裂纹，解决了外加颗粒引起熔覆层裂纹增多的难题；
(2)制备的熔覆层具有较高的硬度，能抵抗海水冲刷、泥沙冲蚀对钢结构件的磨损；具有较高的开路电位，能提高钢结构件的耐海水腐蚀性能；具有较高的结合强度，能解决普通涂料涂层和热喷涂涂层在外力作用下出现的涂层脱落、局部腐蚀等问题。
(3)通过多层搭接工艺，所制备的熔覆层厚度在300-1600μm范围内可调。熔覆层与基体的结合强度明显高于涂层，熔覆层的硬度、耐蚀耐磨性能显著优于钢板和传统防腐涂料。本发明能有效改善海水全浸区钢结构件因为海水冲刷、泥沙磨损、 Cl-离子浓度高导致的均匀腐蚀和局部腐蚀问题。
(4)解决由于防腐涂料与基体结合强度低、易脱落带来的腐蚀问题，能有效提高钢结构件的耐磨与耐蚀性能，能降低钢结构件的年腐蚀速率及局部点腐蚀倾向，能显著提高钢结构件的安全性能，降低后期运行维护费用。
附图说明
图1为实施例1中的原位合成WC增强铁合金基熔覆层的微观组织结构形貌图。
图2为实施例1中的原位合成WC增强铁合金基熔覆层的硬度变化曲线。
图3为实施例1中原位合成WC增强铁合金基熔覆层压缩试验的位移-力曲线。
图4为实施例3中原位合成WC增强铁合金基熔覆层的微观组织形貌图。
图5为实施例3中原位合成WC增强铁合金基熔覆层的硬度变化图。
图6为实施例4中原位合成WC增强铁合金基熔覆层的硬度变化图。
实施例1：深远海风电场钢管桩基础表面原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的制备。
(一)熔覆用粉末材料的成分设计与制备
1、合金粉末材料的成分设计：
粉末材料中各粉末材料质量百分数如下：
W:56wt.％；C:7wt.％；Ni:5wt.％；Al:0.5wt.％；Co:5wt.％；Si:0.5wt.％；Ti:1wt.％； Fe:余量；其他杂质元素总量要求≤0.15wt.％；W粒度要求600目。
W与C的质量分数比控制在8:1。
Ni和Al的质量分数比控制在10:1；Ti与Al的质量比控制在2:1。
2、合金粉末材料的制备
(1)合金粉末的熔炼
将金属粉末W、C、Ni、Al、Co、Si、Ti、Fe按照以下质量分数配比：W:56wt.％；C:7wt.％；Ni:5wt.％；Al:0.5wt.％；Co:5wt.％；Si:0.5wt.％；Ti:1wt.％；Fe:余量。上述粉末材料的纯度均≥99.9％。先将金属粉末Ti置于真空中频感应炉中加热，待Ti 完全熔化后加入Fe，待Ti和Fe完全熔化后加入Co、Ni和Al，最后加入Si。将熔融的合金粉末在1600℃温度下保温40min。在熔炼合金粉末时，不加入W和C。
(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0.8kg/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Fe-Co-Ni-Al-Ti-Si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。
3、熔覆用粉末材料的制备
将步骤(3)中的成品合金粉末材料与步骤1中称量的W粉和C粉置于行星式球磨机中球磨混匀。球磨机转速为160r/min，球磨时间为10h。球磨完成后重复步骤(3)，筛分得到熔覆用粉末材料，其粒度在600-700目范围内。
(二)、原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的制备方法选用直径为6.5m的钢管桩进行熔覆，钢管桩主要为DH36材质，部分位置为DH36-Z35 材质，钢管桩内外壁之间厚度为80mm。待熔覆区域为钢管桩外表面。利用激光熔覆技术，根据“步骤一”中所设计的具体熔覆用粉末材料成分，调整激光熔覆工艺参数，在钢管桩外表面制备原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层，具体步骤如下： (1)利用机加工对钢管桩表面进行均匀减薄处理，减薄300μm。用丙酮对减薄后的钢管桩表面进行除油清洁处理后，将其固定在熔覆工作台上。
(2)将“一、熔覆用粉末材料的成分设计与制备”中所制备的熔覆用粉末材料装入气动送粉器的储粉容器中，采用钢管桩相对静止、激光头做相对运动、多道搭接的方式制备耐海水腐蚀熔覆层。熔覆过程中使用氩气作为保护气，送气量为12L/min；氮气作为送粉气，送气量为16L/min；使用气动同步送粉器进行送粉，送粉量为2kg/h。激光熔覆的主要参数为：光纤激光器输出功率为3kW，激光束焦点光斑直径为1.6mm，激光束焦点光斑与工件相对运动速度为11cm/s；相邻两道熔覆层的搭接率为50％，所形成熔覆层厚度约为400μm。
(3)对具有原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的钢管桩表面进行机加工，将“二、原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的制备方法”步骤(2) 中所制备的熔覆层减薄100μm，恢复钢管桩原有尺寸，并对其进行打磨直至光亮。最终钢管桩表面熔覆层的厚度为300μm。
由图1可知，当W与C的质量分数比在8:1时，可以明显看出，熔覆层中生成了六边形形状的WC颗粒。
由图2可知，生成的六边形形状的WC颗粒，使得熔覆层的硬度相比于实施例3 中三角形形状的WC颗粒高。含有六边形形状WC颗粒的熔覆层硬度在1000HV左右，而含有三角形形状的熔覆层的硬度在900HV左右。六边形形状的WC颗粒更能提高熔覆层的耐磨性能。
图3为原位合成WC增强铁合金基熔覆层压缩试验的位移-力曲线，根据熔覆层的结合强度公式，最大力除以熔覆层与基体的结合面积即为熔覆层的结合强度。如图 3所示，最大力值为18.82kN，实验用熔覆层结合面积为1cm2，计算得熔覆层结合强度为188.2MPa。高结合强度保证了熔覆层在外力的作用下不容易脱落，解决了传统防腐涂料结合强度低的问题。
实施例2：跨海大桥钢管桩原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的制备方法
(一)熔覆用粉末材料的成分设计与制备
1、合金粉末材料的成分设计：
粉末材料中各粉末材料质量百分数如下：
W:40wt.％；C:5wt.％；Ni:15wt.％；Al:1.5wt.％；Co:4wt.％；Si:1wt.％；Ti:3wt.％； Fe:余量；其他杂质元素总量要求≤0.15wt.％；W粒度要求800目。
2、合金粉末材料的制备
(1)合金粉末的熔炼
将金属粉末W、C、Ni、Al、Co、Si、Ti、Fe按照以下质量分数配比：W:40wt.％；C:5wt.％；Ni:15wt.％；Al:1.5wt.％；Co:4wt.％；Si:1wt.％；Ti:3wt.％；Fe:余量。上述粉末材料的纯度均≥99.9％。先将金属粉末Ti置于真空中频感应炉中加热，待Ti 完全熔化后加入Fe，待Ti和Fe完全熔化后加入Co、Ni和Al，最后加入Si。将熔融的合金粉末在1400℃温度下保温30min。在熔炼合金粉末时，不加入W和C。
(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0.9kg/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-Cr-Ti-Al-Si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。
3、熔覆用粉末材料的制备
将步骤(3)中的成品合金粉末材料与步骤1中称量的W粉和C粉置于行星式球磨机中球磨混匀。球磨机转速为200r/min，球磨时间为10h。球磨完成后重复步骤(3)，筛分得到熔覆用粉末材料，其粒度在600-700目范围内。
(二)原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的制备待熔覆的工件为跨海大桥钢管桩基础，直径为1.6m，待熔覆区域为钢管桩外表面。利用高速激光熔覆技术，在钢管桩外表面制备碳化钨颗粒增强镍铬系合金熔覆层，具体步骤如下：
(1)利用机加工对钢管桩表面进行均匀减薄处理，减薄800μm。用丙酮和无水乙醇对减薄后的钢管桩表面进行除油清洁，并将其固定在熔覆工作台上。
(2)将“一、熔覆用粉末材料的成分设计与制备”中所制备的熔覆用粉末材料装入气动送粉器的储粉容器中，采用钢管桩相对静止、激光头做相对运动、多道搭接的方式制备耐海水腐蚀熔覆层。熔覆过程中使用氩气作为保护气，送气量为15L/min；氮气作为送粉气，送气量为13L/min；使用气动同步送粉器进行送粉，送粉量为1.5kg/h。激光熔覆的主要参数为：光纤激光器输出功率为3kW，激光束焦点光斑直径为2mm，激光束焦点光斑与工件相对运动速度为16cm/s；相邻两道熔覆层的搭接率为50％，所形成熔覆层厚度约为320μm。
(3)在相同区域重复“二、原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的制备”步骤(2)三次，制备出平均厚度约为960μm的耐海水腐蚀熔覆层。
(4)对“二、原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的制备”步骤(3)中所制备的具有原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的钢管桩表面进行机加工处理，均匀减薄160μm同时抛光，使其达到原设计尺寸。
实施例3：优化过程-原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的制备方法一、熔覆用粉末材料的成分设计与制备
1、合金粉末材料的成分设计：
粉末材料中各粉末材料质量百分数如下：
W:56wt.％；C:7wt.％；Ni:5wt.％；Al:0.5wt.％；Co:5wt.％；Si:0.5wt.％；Ti:1wt.％； Fe:余量；其他杂质元素总量要求≤0.15wt.％；W粒度要求200目。
2、合金粉末材料的制备：与实施例1一致；
3、熔覆用粉末材料的制备：与实施例1一致；
二、原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的制备方法：与实施例1 一致。
实施例3中制备的熔覆层，其微观结构中WC颗粒已经变成了三角形，如图4所示，其硬度也下降到800上下，如图5所示。相比于实施例1，实施例3中，改变了 WC原始粉末粒度，形成的熔覆层的硬度明显下降了。此对比实验表明，在发明过程中，WC粒度必须保持在600-800目之间。
实施例4原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的制备 (一)熔覆用粉末材料的成分设计与制备
1、合金粉末材料的成分设计：
W:56wt.％；C:14wt.％；Ni:5wt.％；Al:0.5wt.％；Co:5wt.％；Si:0.5wt.％；Ti:1wt.％； Fe:余量；其他杂质元素总量要求≤0.15wt.％；W粒度要求600目。实施例4中的样品成分与实施例1中的成分，除了W和C的质量分数比之外，都一致。实施例4中， W和C的质量比为4:1，C含量远高于权利要求限定的(7-9):1。
2、合金粉末材料的制备：与实施例1相同。
3、熔覆用粉末材料的制备：与实施例1相同。
(二)原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的制备：与实施例1相同。
实施例4中制备的熔覆层，由于W和C的质量比不在最优化的质量比范围内，造成熔覆层的硬度下降，如图6所示，与实施例1的硬度图2相比，可以看到硬度下降，仅为700HV左右。实验表明，W和C的质量比在最好的是8：1。
通过上述实施例来解释本发明的技术方案，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述具体实施例才能实施。所属领域的技术人员在本发明基础上进行的任何改进，或者对本发明所选用的材料的等效替换等，均落在专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层，其特征在于：
所述方法采用的熔覆用粉末材料包括按质量分计的以下组分：
W: 40-56 wt.%；C: 5-7 wt.%；Ni: 5-15 wt.%； Al: 0.5-1.5 wt.%； Co: 4-6 wt.%；Si: 0.5-1wt.%； Ti: 1-3wt.%；
Fe:余量；
其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%。
2.根据权利要求1所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层，其特征在于：W粉末粒度为600-800目。
3.根据权利要求1所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层，其特征在于：W与C的质量分数比控制在（7-9）:1。
4.根据权利要求1所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层，其特征在于：Ni和Al的质量分数比控制在（8-12）:1；Ti与Al的质量比控制在（1.5-2.5）:1。
5.权利要求1-4任意一项所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层的制备方法，其特征在于：所述合金粉末的制备包括以下步骤：
（1）合金粉末的熔炼：待Ti和Fe完全熔化后加入Co、Ni和Al，最后加入Si；
（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，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Fe-Co-Ni-Al-Ti-Si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Fe-Co-Ni-Al-Ti-Si合金粉末材料进行筛分，其粒度在200-400目范围内，得到合金粉末。
6.根据权利要求5所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）合金粉末的熔炼过程中，先将金属粉末Ti置于真空中频感应炉中加热，待Ti完全熔化后加入Fe，待Ti和Fe完全熔化后加入Co、Ni和Al，最后加入Si。
7.根据权利要求5所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）合金粉末的熔炼过程中，将熔融的合金粉末在1100℃-1300℃温度下保温30-60min；所述步骤（2）雾化制粉中：熔融的合金溶液流动速率为0.6kg/min-1kg/min。
8.权利要要求5-6任意一项所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层的制备方法，其特征在于，所述原位合成WC增强铁钴镍合金基耐磨耐蚀熔覆层的制备方法包括以下步骤：
S1：将合金粉末与W粉和C粉置于行星式球磨机中球磨混匀，球磨完成后进行筛分，得到熔覆用粉末材料；
S2：光纤激光器作为熔覆用热源，使用气动同步送粉器进行送熔覆用粉末材料，送粉器使用氮气进行送熔覆用粉末材料，使用氩气对熔池进行保护；
S3：采用多道搭接熔覆的方法制备熔覆层。
9.根据权利要要8所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，球磨机转速为150r/min-200r/min，球磨时间为10-12h；筛分粒度为600-700目。
10.根据权利要要8所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层的制备方法，其特征在于：
所述步骤S2中，选用功率2.5-4.5kW的高功率光纤激光器作为熔覆用热源，激光束焦点光斑为1.5-3.5mm，使用气动同步送粉器进行送熔覆用粉末材料，送粉量为1.5-5kg/h，送粉器使用氮气进行送熔覆用粉末材料，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；
所述步骤S3：激光束与工件的相对速度为4-22cm/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40-60%，单层熔覆所形成熔覆层厚度为200-1000μm。
CN202210290206.7A 2022-03-23 2022-03-23 用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成wc增强铁合金基熔覆层及制备方法 Withdrawn CN114703474A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210290206.7A CN114703474A (zh) 2022-03-23 2022-03-23 用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成wc增强铁合金基熔覆层及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210290206.7A CN114703474A (zh) 2022-03-23 2022-03-23 用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成wc增强铁合金基熔覆层及制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114703474A true CN114703474A (zh) 2022-07-05

Family

ID=82168762

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210290206.7A Withdrawn CN114703474A (zh) 2022-03-23 2022-03-23 用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成wc增强铁合金基熔覆层及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114703474A (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170209922A1 (en) * 2014-07-23 2017-07-27 Hitachi, Ltd. Alloy structure and method for producing alloy structure
CN111118491A (zh) * 2019-12-10 2020-05-08 常州大学 一种添加Al元素提高FeCoCr涂层腐蚀性能的方法
CN113122841A (zh) * 2021-04-25 2021-07-16 中国海洋大学 一种具有梯度组合结构的耐蚀耐磨涂层及其制备方法
CN113547117A (zh) * 2021-07-09 2021-10-26 华中科技大学 一种激光熔覆合金粉末、钢轨和制备方法
CN113913667A (zh) * 2021-10-08 2022-01-11 广东省科学院新材料研究所 一种高熵合金、制备方法及激光熔覆方法
CN114196863A (zh) * 2021-11-14 2022-03-18 中国长江三峡集团有限公司 合金粉末材料、其制备方法与在耐海水腐蚀的激光熔覆材料中的应用

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170209922A1 (en) * 2014-07-23 2017-07-27 Hitachi, Ltd. Alloy structure and method for producing alloy structure
CN111118491A (zh) * 2019-12-10 2020-05-08 常州大学 一种添加Al元素提高FeCoCr涂层腐蚀性能的方法
CN113122841A (zh) * 2021-04-25 2021-07-16 中国海洋大学 一种具有梯度组合结构的耐蚀耐磨涂层及其制备方法
CN113547117A (zh) * 2021-07-09 2021-10-26 华中科技大学 一种激光熔覆合金粉末、钢轨和制备方法
CN113913667A (zh) * 2021-10-08 2022-01-11 广东省科学院新材料研究所 一种高熵合金、制备方法及激光熔覆方法
CN114196863A (zh) * 2021-11-14 2022-03-18 中国长江三峡集团有限公司 合金粉末材料、其制备方法与在耐海水腐蚀的激光熔覆材料中的应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
陈希章等: "激光熔敷原位合成WC增强铁基复合涂层的组织和性能" *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kwok et al. Developments in laser-based surface engineering processes: with particular reference to protection against cavitation erosion
CN101935789B (zh) 含Al-Zn-Si-Mg-RE-Ti-Ni的热浸镀铸铝合金及其制备方法
CN102181857B (zh) 一种在钢基体上制备耐海水腐蚀熔覆层的方法
CN108326287B (zh) 耐腐蚀激光熔覆粉末及其熔覆方法和用途
CN103866223A (zh) 一种新型韧性颗粒强化的铁基非晶基复合涂层
CN102312141B (zh) 含Al-Zn-Si-RE-Mg-Ni的热浸镀铸铝合金及其制备方法
CN112626443A (zh) 一种耐磨防腐涂层及其制备方法
Lv et al. Effects of WC addition on the erosion behavior of high-velocity oxygen fuel sprayed AlCoCrFeNi high-entropy alloy coatings
CN114959408B (zh) 一种耐海水腐蚀的激光熔覆层制备方法及应用
CN114703474A (zh) 用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成wc增强铁合金基熔覆层及制备方法
JP5812268B2 (ja) 鋼材製海洋構造物
CN109371392B (zh) 一种用于海工液压活塞杆的镍基抗磨耐蚀涂层的组合物、涂层及其制备方法
CN115418595B (zh) 一种抗空蚀-腐蚀的高熵合金涂层及其制备方法
CN114250462B (zh) 一种用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的合金熔覆层的制备方法
JP5712592B2 (ja) 塗膜耐久性に優れた塗装用鋼材
CN114561582A (zh) 合金粉末材料、其制备方法及在螺栓耐蚀防锈中的应用
CN111876634A (zh) 一种用于紧固件防腐的粉末合金材料及激光熔覆层的制备方法
CN111748811B (zh) 一种牵引电机转子表面强化防腐处理工艺
CN111118491A (zh) 一种添加Al元素提高FeCoCr涂层腐蚀性能的方法
CN115837467B (zh) 一种超高水头冲击式水轮机水斗抗冲击磨蚀方法
CN118650154A (zh) 一种激光熔覆高性能Co基高熵合金/WC/NbC陶瓷复合粉末、涂层及其制备方法
CN114959685B (zh) 一种防腐蚀防生物污损的防撞涂层及其制备方法和应用
CN115491674A (zh) 一种防腐防污铜-镍-银熔覆层的制备方法
CN117758252A (zh) 一种利用稀土氧化物改善船舶钢表面铁基熔覆涂层的方法
CN116162869A (zh) 一种海洋环境下抗疲劳钢板及其生产方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20220705

WW01 Invention patent application withdrawn after publication