銅鎳鉻鉬基合金粉末及其熔覆方法
【專利摘要】本發明銅鎳鉻鉬基合金粉末及其激光熔覆方法涉及一種基體熔覆材料及其熔覆工藝。其目的在于提供一種能夠提高基體耐腐蝕耐氣蝕性能的銅鎳鉻鉬基合金粉末及其激光熔覆方法。本發明銅鎳鉻鉬基合金粉末以質量百分比計，所述合金粉末的組成為：NbC粉末：5%～8%，銅鎳鉻鉬合金粉末：92%～95%；其中，銅鎳鉻鉬合金粉末的組成為：Ni:20%-25%，Cr:20%-25%，Mo:13%-20%，W：2%-5%，余量為Cu。本發明激光熔覆方法包括配制銅鎳鉻鉬基合金粉末和制備熔覆層兩大步驟。
【專利說明】銅鎳鉻鉬基合金粉末及其熔覆方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基體防腐蝕保養技術，特別是涉及一種基體覆層材料及其激光熔
覆工藝。
【背景技術】
[0002]船舶噴水推進器葉輪在使用過程中，會遭受海水及砂石、空泡的點腐蝕、應力腐蝕、多相流腐蝕等復雜嚴重的腐蝕，其材料多選用加工性能和耐蝕性能良好的奧氏體不銹鋼或鐵素體一奧氏體雙相不銹鋼。然而，奧氏體不銹鋼由于硬度偏低(200?250HV)，導致其耐磨性能和抗復雜環境腐蝕性能較差。因此，采用合理的表面工程技術對船舶噴水推進器不銹鋼葉輪進行強化處理，成為提高葉輪使用壽命的關鍵所在。
[0003]目前，船舶噴水推進器不銹鋼葉輪的表面處理技術手段通常包括激光熔覆、等離子噴焊、堆焊、高速火焰噴涂(HVOF)、非金屬涂層等諸多方法。由于激光光束的高能量密度所產生的近似絕熱的快速升溫過程，激光熔覆對基體的熱影響和引起的變形較小，控制激光的輸入能量，還可以將對基體的稀釋作用限制在極低的程度(一般為2?13%)，從而又保持了原熔覆材料的優異性能。J.Hernandez和A.Vannes對馬氏體不銹鋼基體進行了司太立(Stellite6)合金的激光熔覆，試驗得到的熔覆層與基體結合良好，沒有氣孔和裂紋，結合面兩側擴散區小于20 μ m，基體受熱影響小，熔覆層金相組織均勻。在熔覆層中存在殘余拉應力，其大小接近于材料彈性極限的水平。Kwok等研究了激光表面熔覆的Ni基涂層的抗氣蝕性能，得到的Ni基涂層的抗氣蝕性能明顯高于抗氣蝕性能優良的不銹鋼。然而，激光熔覆處理存在設備昂貴、工藝復雜、激光光一熱能量轉化率低及成本太高等問題，限制了其大規模推廣應用。
[0004]采用HVOF噴涂制備新型的WC/Co涂層是目前美國提高噴水推進器葉輪抗汽蝕的主要方法之一。其中WC為硬質相，Co為金屬粘結相，有一定的韌性，其抗疲勞性能較好。印度主要從事高性能HVOF涂層的開發及材料滲氮工藝的研究，研究表明采用HVOF方法制備的WC/Co涂層比13Cr4Ni和12Cr鋼表面滲氮處理的材料具有更高的抗氣蝕性能。但HVOF同樣存在成本高昂等問題，目前通常僅用于高端葉輪的表面處理中。
[0005]中國科學院金屬研究所國旭明、鄭玉貴等采用等離子堆焊制備Ni基涂層，堆焊合金顯微組織由奧氏體基體、第二相以及共晶組織組成，奧氏體基體的國溶強化以及大尺寸硬質相有效抵御微射流的沖擊，是Ni基等離子堆焊合金具有高抗氣蝕能力的主要原因。然而，普通等離子堆焊由于對基體的稀釋率大，堆焊層厚度不均勻，表面成型差等缺點，目前通常用于一般環境下使用的水輪機葉片等的耐氣蝕涂層制備。
[0006]另外，高分子非金屬涂層技術由于具有比金屬涂層更優良的耐腐蝕性，在抗氣蝕方面也有一定效果，近年來也逐步在噴水推進器葉輪防護方面得到初步應用。國內外常用的高分子涂層材料包括聚氨脂/聚服彈性體、環氧/聚氨醋聚合物、聚合物水泥砂漿、復合尼龍等。然而，非金屬涂層與金屬基體為機械結合，結合強度較低，使用過程中短期內涂層便脫落。[0007]發展到目前，還出現了銅基合金材料制成的船舶葉輪，銅基合金葉輪由于有著:化學活性低，不易氧化，銅離子屬于重金屬離子有一定的毒理作用，在海水狀態下藻類、貝類難以存活，附著少，清理方便等優點而被業界廣泛采納應用。然而在實際使用過程中發現銅基合金葉輪仍然會受海水的影響，局部存在被海水腐蝕或氣蝕的斑跡。
[0008]由此可見，銅基合金葉輪防腐蝕、抗氣蝕性能仍有待提升，尤其是從船舶葉輪表面處理技術的改善應該是一個突破點。研究具有良好抗氣蝕、抗腐蝕及抗磨損性能的新型涂層材料及其制備技術，大幅提高噴水推進器葉輪使用壽命的需求亟待解決。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于提供一種能夠提高基體耐腐蝕抗氣蝕性能的銅鎳鉻鑰基合金粉末及其激光熔覆方法，且涂層材料成本相對合理，熔覆工藝簡單。
[0010]本發明銅鎳鉻鑰基合金粉末，以質量百分比計，所述合金粉末的組成為:NbC粉末:5%?8%，銅鎳鉻鑰合金粉末:92%?95% ;其中，銅鎳鉻鑰合金粉末的組成為:N1: 20%-25%，Cr: 20%_25%，Mo: 13%_20%，W:2%_5%，余量為 Cu。
[0011]本發明銅鎳鉻鑰基合金粉末，其中所述NbC粉末的粒度介于-150目?+300目之間，純度在99.5%以上。
[0012]本發明銅鎳鉻鑰基合金粉末，其中所述銅鎳鉻鑰合金粉末的粒度介于-140目?+325目之間。
[0013]本發明所述的銅鎳鉻鑰基合金粉末的激光熔覆方法，包括如下步驟:
[0014]A.配制銅鎳鉻鑰基合金粉末:
[0015]a按照權利要求1所述的激光熔覆用的銅鎳鉻鑰基合金粉末的配比要求，分別稱取NbC粉末原料和銅鎳鉻鑰合金粉末原料；
[0016]b將稱取的兩種粉末原料放入干燥箱中干燥，所述干燥箱溫度恒為200°C，持續干燥時間為2小時；
[0017]C將干燥過的原料裝入混料設備進行混合，混料時間為5小時，最終混合成銅鎳鉻鑰基合金粉末；
[0018]d將混和充分的銅鎳鉻鑰基合金粉末裝入密封容器儲存備用；
[0019]B.制備熔覆層:
[0020]a清理待熔覆基體表面；
[0021]b將待熔覆基體固定在可作旋轉運動的熔覆工作臺上；
[0022]c數控機械臂控制激光器沿預設軌跡運動，送粉器同步向激光器的照射點推送合金粉末，激光熔化基體表面材料，將銅鎳鉻鑰基合金粉末與基體表面材料熔合在所述基體上形成厚度為470μπι?1160μπι的熔覆層；其中，所述激光器功率介于1.2KW與2KW之間。本發明所述的銅鎳鉻鑰基合金粉末的激光熔覆方法，其中所述混料設備為V型混料機。本發明所述的銅鎳鉻鑰基合金粉末的激光熔覆方法，其中所述激光器為輸出功率為半導體光纖輸出激光器，占空比為100%，頻率是5000Hz，激光器照射得到的圓形激光光斑直徑為3mm ο
[0023]本發明所述的銅鎳鉻鉬基合金粉末的激光熔覆方法，其中所述熔覆層的平均厚度為 500 μ m0[0024]有益效果:
[0025]銅鎳鉻鑰基合金粉末經熔覆后作為熔覆層中的連續相，對基體有著較強的黏著性能和防滲透性能，有效解決了熔覆層從基體脫落的問題；涂層中的NbC為原位合成，晶粒細小，與金屬化合物結合良好，在銅鎳鉻鑰基合金熔覆層中形成彌散分布的顆粒增強體，顯著提聞了基體的耐磨性能。
[0026]制作熔覆層過程中采用多道搭接和多層疊加的手段，可有效實現對基體表面的全覆蓋，基體表面無孔隙率、耐氣蝕性、耐腐蝕、耐磨損性能俱佳，大幅提高了基體的綜合性能及使用壽命。
[0027]本發明所述基體用耐磨耐蝕復合涂層的制備方法成本低廉，可用于制備大面積冶
金復蓋層。
[0028]下面結合附圖對本發明銅鎳鉻鑰基合金粉末及其激光熔覆方法作進一步說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明激光熔覆方法熔覆層厚度與基體硬度之間關系的曲線圖；
[0030]圖2為本發明激光熔覆方法激光熔覆后熔覆層與基體的冶金結合圖。
【具體實施方式】
[0031]本發明銅鎳鉻鑰基合金粉末所熔覆的基體為錳鋁青銅(ZQAI12-8-3-2)材質基體，以質量百分比計，所述基體的組成為:Mn:11.5-14.0%，Al:7.0-8.5%，Fe:2.5-4.0%，Ni:
1.8-2.5%，鋅 Zn S 0.3%，余量為 Cu。
[0032]一種銅鎳鉻鑰基合金粉末，其特征是:以質量百分比計，銅鎳鉻鑰基合金粉末的組成為:NbC粉末:5%?8%，銅鎳鉻鑰合金粉末:92%?95%。其中，NbC粉末粒度介于-150目?+300目之間，純度在99.5%以上；銅鎳鉻鑰合金粉末的粒度介于-140目?+325目之間；以質量百分比計，銅鎳鉻鑰合金粉末的組成為:N1:20%-25%，Cr:20%-25%, Mo:13%-20%,W:2%-5%，余量為 Cu。
[0033]Cr確定為20%_25%，Mo確定為13%_20%的原因如下:考慮到熔覆過程中基體銅元素向熔覆層擴散作用而導致Cr、Mo元素在熔覆層中含量的降低，而Cr、Mo在熔覆層的含量降低會降低熔覆層的抗腐蝕、抗氣蝕性能，因而銅鎳鉻鑰合金粉末中，Cr、Mo的總含量比理論上要高，其目的是為了保證熔覆層性能不被削弱。
[0034]銅鎳鉻鑰合金粉末粒度介于-140目?+325目之間的原因如下:若粒度大于+325目則合金粉末很難附著并滲透進基體表面，若粒度小于-140目，則由于合金粉末顆粒過小，增加了熔覆過程的工藝難度。
[0035]NbC粉末的粒度介于-150目?+300目之間則是為了和銅鎳鉻鑰合金粉末粒度保持一致，這樣它們在熔覆時結合起來就相對容易，沒有孔隙，保證了熔覆層的密閉性。
[0036]一種應用上述銅鎳鉻鑰基合金粉末的激光熔覆方法，包括如下步驟:
[0037]A.配制銅鎳鉻鑰基合金粉末:
[0038]a按照權利要求1所述的激光熔覆用的銅鎳鉻鑰基合金粉末的配比要求，分別稱取NbC粉末原料和銅鎳鉻鑰合金粉末原料；
[0039]b將稱取的兩種粉末原料放入干燥箱中干燥，所述干燥箱溫度恒為200°C，持續干燥時間為2小時；
[0040]c將干燥過的原料裝入V型混料機進行混合，混料時間為5小時，最終混合成銅鎳鉻鑰基合金粉末；
[0041]d將混和充分的銅鎳鉻鑰基合金粉末裝入密封容器儲存備用；
[0042]B.制備熔覆層:
[0043]a清理待熔覆基體表面；
[0044]b將待熔覆基體固定在可作旋轉運動的熔覆工作臺上；
[0045]數控機械臂控制激光器沿預設軌跡運動，送粉器同步向激光器的照射點推送合金粉末，激光熔化基體表面材料，將所述銅鎳鉻鑰基合金粉末與基體表面材料熔合在所述基體上形成厚度為470μπι?1160μπι的熔覆層；其中，所述激光器功率介于1.2KW與2KW之間。熔覆層與基體的冶金結合圖見圖2。
[0046]所述激光器為輸出功率為半導體光纖輸出激光器，占空比為100%，頻率是5000Hz，激光器照射得到的圓形激光光斑直徑為3_。
[0047]由圖1可知，熔覆層厚度確定為470 μ m?1160 μ m是為了滿足對熔覆層硬度的要求，其中厚度為500 μ m效果最佳。
[0048]接下來選取并制備不同的試樣，對本發明銅鎳鉻鑰基合金粉末的耐腐蝕及抗氣蝕性能進行測驗，其中在選取并制作試樣時，選取NbC粉末和銅鎳鉻鑰合金粉末粒度均為+200目，以質量百分比計，合金粉末的組成為:NbC粉末:6%，銅鎳鉻鑰合金粉末:94%，激光功率為1.5KW。
[0049]實施例一:
[0050]以質量百分比計，銅鎳鉻鑰合金粉末的組成為:N1: 20%, Cr: 20%, Mo: 13%，W:2%，余量為Cu。以質量百分比計，所述基體的組成為=Mn:11.5%，Al:7.0%，Fe:2.5%，N1:1.8%，鋅Zn:0.3%，余量為 Cu。
[0051]實施例二:
[0052]以質量百分比計，銅鎳鉻鑰合金粉末的組成為:N1:23%，Cr:23%，Mo: 15%, W:3%，余量為Cu。以質量百分比計，所述基體的組成為=Mn:13.0%，Al:8.0%，Fe:3.0%，N1:2.0%，鋅Zn:0.3%，余量為 Cu。
[0053]實施例三:
[0054]以質量百分比計，銅鎳鉻鑰合金粉末的組成為:N1: 25%，Cr: 25%，Mo: 20%, W:5%，余量為Cu。以質量百分比計，所述基體的組成為=Mn:14.0%，Al:8.5%，Fe:4.0%，N1:2.5%，鋅Zn:0.3%，余量為 Cu。
[0055]選取以上三個實施例中描述成分的基體，并運用上述激光熔覆方法分別在每個基體上熔覆對應材料的厚度為500 μ m熔覆層，最終形成試樣。
[0056]接下來通過實驗對上述制備的三個試驗樣本進行耐腐蝕性能測驗，同時選取三個重量為15Kg，厚度為IOmm的錳鋁青銅(0ZQAI12-8-3-2)試樣進行耐腐蝕性能的測驗，進而對本發明的耐腐蝕性能作對比評價。
[0057]耐腐蝕性能測試實驗過程及結果如下:腐蝕試驗在濃度為lmol/L的HCl溶液和濃度為3.5%的NaCl溶液中進行，試樣經過132小時地不間斷浸泡。結果表明，錳鋁青銅(ZQAI12-8-3-2)試樣表面出現嚴重的銹蝕斑跡，而經本發明激光熔覆耐腐蝕層的試樣表面上沒有變化，具體腐蝕失重數據見表1:
[0058]表1試樣腐蝕失重量(單位:mg)
[0059]
【權利要求】
1.一種銅鎳鉻鑰基合金粉末，其特征是:以質量百分比計，所述合金粉末的組成為:NbC粉末:5%?8%，銅鎳鉻鑰合金粉末:92%?95% ;其中，以質量百分比計，所述銅鎳鉻鑰合金粉末的組成為:N1:20%-25%，Cr:20%-25%, Mo: 13%_20%，W:2%_5%，余量為 Cu。
2.根據權利要求1所述的銅鎳鉻鑰基合金粉末，其特征在于:所述NbC粉末的粒度介于-150目?+300目之間，純度在99.5%以上。
3.根據權利要求1所述的銅鎳鉻鑰基合金粉末，其特征在于:所述銅鎳鉻鑰合金粉末的粒度介于-140目?+325目之間。
4.一種應用權利要求1所述的銅鎳鉻鑰基合金粉末的激光熔覆方法，包括如下步驟: A.配制銅鎳鉻鑰基合金粉末: a按照權利要求1所述的激光熔覆用的銅鎳鉻鑰基合金粉末的配比要求，分別稱取NbC粉末原料和銅鎳鉻鑰合金粉末原料； b將稱取的兩種粉末原料放入干燥箱中干燥，所述干燥箱溫度恒為200°C，持續干燥時間為2小時； c將干燥過的原料裝入混料設備進行混合，混料時間為5小時，最終混合成銅鎳鉻鑰基合金粉末； d將混和充分的銅鎳鉻鑰基合金粉末裝入密封容器儲存備用； B.制備熔覆層: a清理待熔覆基體表面； b將待熔覆基體固定在可作旋轉運動的熔覆工作臺上； c數控機械臂控制激光器沿預設軌跡運動，送粉器同步向激光器的照射點推送合金粉末，激光熔化基體表面材料，將所述銅鎳鉻鑰基合金粉末與基體表面材料熔合在所述基體上形成厚度為470 μ m?1160 μ m的熔覆層；其中，所述激光器功率介于1.2KW與2KW之間。
5.根據權利要求4所述的一種激光熔覆方法，其特征在于:所述混料設備為V型混料機。
6.根據權利要求4所述的一種激光熔覆方法，其特征在于:所述激光器為半導體光纖輸出激光器，占空比為100%，頻率是5000Hz，激光器照射得到的圓形激光光斑直徑為3mm。
7.根據權利要求4所述的一種激光熔覆方法，其特征在于:所述熔覆層的平均厚度為500 μ m0
8.根據權利要求4所述的一種激光熔覆方法，其特征在于:所述基體為船舶葉輪。
【文檔編號】C22C30/02GK103962546SQ201410099266
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年3月18日 優先權日:2014年3月18日
【發明者】李建平, 王菊花, 耿路 申請人:河北瑞馳偉業科技有限公司