CN102268671A - 耐高温冲蚀熔覆层的粉末材料及熔覆层的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种耐高温冲蚀熔覆层的粉末材料及熔覆层的制备方法，属于表面工程技术领域。粉末材料中所含粉末的重量百分比为：纯钛粉：24-32wt.％；石墨碳粉：4.8-8wt.％；铬粉：24-30wt.％；钼粉：5-10wt.％；二硼化钛粉：3-5wt.％；碳化铌粉：1-3wt.％；镍粉：余量；以上粉末中，纯钛粉与石墨碳粉重量比在3.8-4范围。熔覆层的制备方法包括配制熔覆用混合粉末和熔覆层的制备方法。优点在于，制备成本较低、熔覆层寿命长、工艺较简单，用于解决火箭炮用耐高温冲蚀、耐腐蚀复合钢板制备的难题。

Description

耐高温冲蚀熔覆层的粉末材料及熔覆层的制备方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，特别涉及一种耐高温冲蚀熔覆层的粉末材料及熔覆层的制备方法。主要针对火箭炮用钢板表面耐高温冲蚀、耐海洋性大气腐蚀熔覆层的粉末材料和利用激光熔覆法在碳钢及合金钢板基体上熔覆层的制备。

背景技术

定向器是火箭炮中的关键部件，常用定向器分为滑轨式、笼式、筒式和箱式等几类。滑轨式定向器是早期火箭炮采用的定向装置，适于发射尾翼稳定火箭弹。笼式定向器由四条滑轨构成，适于发射尾翼稳定火箭弹。筒式定向器的形状为薄壁圆筒，可发射涡轮火箭弹或折叠尾翼火箭弹。现代火箭炮多采用箱式定向器，其优点在于可事先将火箭弹装好，便于保管和提高发射速度。各种类型的定向器及其配套部件常采用各类强度较高的钢材。

火箭炮常用固态物质作为推进剂，发射时，固体推进剂点燃后在燃烧室中燃烧，产生高温高压的燃气，燃气经喷管膨胀加速，以极高的速度从喷管排出从而产生推力推动火箭弹向前飞行，定向器内受高温高压燃气及固体颗粒作用的材料将遭受严重的高温氧化和高速粒子冲蚀。因此，定向器用材料的耐高温冲蚀能力是影响火箭炮寿命与战斗力的重要问题。对于在海洋性气候中服役的火箭炮，定向器用金属材料还遭受较严酷的大气腐蚀，由于定向器长度达数米，内壁腐蚀产物难以清除，这给火箭炮的日常维护带来了极大的不便。

电镀铬法是一种提高钢材耐高温冲蚀、耐腐蚀性能的一种常用技术，但由于铬镀层厚度有限(一般为30-200μm)、镀层与基体的结合强度不高、铬镀层的疲劳寿命较短，发射一定数量的火箭弹后镀层便逐渐剥落，而镀层剥落的地方会出现更严重的高温冲蚀或腐蚀。

热喷涂法也常用于在钢基体表面制备耐冲蚀、耐腐蚀涂层，但热喷涂法制备涂层与基体为机械结合，如喷涂陶瓷涂层，其结合强度一般仅为20-50MPa；涂层在高温高压燃气及固体颗粒的反复作用下易剥落，其寿命和可靠性较低。

因此，开发具备冶金结合的表面涂覆层技术和专用于火箭炮耐高温冲蚀及耐海洋性大气耐腐蚀的复合材料体系，对于大幅度延长火箭炮定向器用结构材料的耐高温冲蚀、耐腐蚀寿命具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐高温冲蚀熔覆层的粉末材料及熔覆层的制备方法；即利用高能量密度激光束熔化混合粉末，在钢基体表面原位形成TiC_x陶瓷颗粒增强的镍铬钼基耐高温冲蚀、耐海洋性大气腐蚀的熔覆层，熔覆层厚度达300-1000μm、与基体达到冶金结合、稀释率低。由于采用熔覆过程中原位合成TiC_x陶瓷颗粒的方法，可使陶瓷相与粘结相界面结合良好，并通过利用Ti-C反应过程中释放的热量提高了熔覆效率。

本发明的粉末材料由纯钛粉、石墨碳粉、铬粉、钼粉、二硼化钛粉、碳化铌粉、镍粉组成，各组份重量的范围为：纯钛粉：24-32wt.％；石墨碳粉：4.8-8wt.％；铬粉：24-30wt.％；钼粉：5-10wt.％；二硼化钛粉：3-5wt.％；碳化铌粉：1-3wt.％；镍粉：余量；以上粉末中，纯钛粉与石墨碳粉重量比在3.8-4范围。

为了解决上述技术问题，本发明的具体技术步骤如下：

(一)配制熔覆用混合粉末

(1)本发明中所用粉末材料的重量百分比为：纯钛粉(粒度200-300目，纯度≥99.5％)：24-32wt.％；石墨碳粉：(鳞片状，纯度≥99.8％)：4.8-8wt.％；铬粉(粒度200-400目，纯度≥99.5％)：24-30wt.％；钼粉(粒度200-400目，纯度≥99.5％)：5-10wt.％；二硼化钛粉(粒度200-400目，纯度≥99.5％)：3-5wt.％；碳化铌粉(粒度200-400目，纯度≥99.5％)：1-3wt.％；镍粉(粒度200-300目，纯度≥99.5％)：余量。以上粉末中，纯钛粉与石墨碳粉重量比在3.8-4范围；按上述的粉末比例，称取混合粉末所需的各种粉末原料

以上粉末中：在熔覆过程中，Ti-C发生反应原位生成高硬度的耐高温冲蚀TiC_x陶瓷颗粒。具有六方晶体结构TiB₂具有高的熔点和硬度，其在空气中抗氧化温度可达1000℃，熔覆层中含有3-5wt.％的TiB₂颗粒可进一步提高熔覆层的抗高温冲蚀性能。加入少量NbC的目的是形成TiC_x-NbC固溶体，改善陶瓷相与粘结相的界面结合性能。Ni、Cr、Mo的作用是在熔覆层中形成耐高温氧化、耐腐蚀的合金化Ni-Cr-Mo粘结相。激光熔覆混合粉末后，最终在平板表面形成陶瓷-金属复合材料熔覆层；

(2)将步骤(1)所述的粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为100-120℃，干燥时间为2-3小时；

(3)利用球磨机混合粉末原料，形成混合粉末，混料时间为3-4小时；

(4)将混合粉末用塑料袋密封存储。

(二)熔覆层的制备工艺

(1)可选用波长小于1000nm的高功率半导体激光器(功率≥2kW)、或光纤偶合的Nd:YAG灯泵浦固体激光器(波长为1064nm、≥700W)、或连续波CO₂激光器(4-10kW)作为熔覆用热源。

(2)将待熔覆钢板点焊在网格形防变形支座上，并将防变形支座置于熔覆工作台上，钢板厚度≥2.5mm；

(3)将步骤(一)中所述的混合粉末装入送粉器中，当使用700-2000W的Nd:YAG灯泵浦固体激光器进行脉冲激光熔覆时，采用预撒粉法熔覆；

当使用2-5kW的高功率半导体激光器进行连续激光熔覆时，采用同步送粉法进行熔覆。

当使用700-2000W的Nd:YAG灯泵浦固体激光器进行脉冲激光熔覆时，其具体参数为：送粉量0.4-2kg/h，激光器输出功率700-2000W，光斑直径3-6mm，激光束在x轴向的扫描速度3-9mm/s，激光头y轴向的步进长度为2-5mm。

当使用2-5kW的高功率半导体激光器进行连续激光熔覆时，其具体参数为：送粉量2-7kg/h，输出功率密度为15-25kW/cm2，矩形光斑尺寸(1.5-3)×(4-10)mm²，激光束在x轴向的扫描速度4-12mm/s，激光头y轴向的步进长度为3-8mm。

当使用4-10kW的连续波CO₂激光器进行连续激光熔覆时，其具体参数为：送粉量2-6kg/h，输出功率密度为18-30kW/cm²，圆形光斑直径为4-8mm，激光束在x轴向的扫描速度5-18mm/s，激光头y轴向的步进长度为3-7mm。

采用上述三种激光器进行熔覆时，采用相邻两道熔覆层搭接熔覆的方法，在整个钢板表面上制备熔覆层；其中，单道熔覆层厚度控制在300-1000μm范围。

本发明的优点在于利用高能量密度激光束熔化混合粉末，在钢基体表面原位形成TiCx陶瓷颗粒增强的镍铬钼基耐高温冲蚀、耐海洋性大气腐蚀的熔覆层，熔覆层厚度达300-1000μm、与基体达到冶金结合、稀释率低。由于采用熔覆过程中原位合成TiCx陶瓷颗粒的方法，可使陶瓷相与粘结相界面结合良好，并通过利用Ti-C反应过程中释放的热量提高了熔覆效率。

本发明的方法具有制备成本较低、熔覆层寿命长、工艺较简单等优点，用于解决火箭炮用耐高温冲蚀、耐腐蚀复合钢板制备的难题。

附图说明

图1为熔覆层粘结相未被腐蚀时熔覆层的扫描电镜照片，树枝状及颗粒状黑色颗粒为陶瓷相。

图2为熔覆层断面腐蚀后的扫描电镜照片，图中所发现的大量灰白色柱状晶为反应合成的TiC_x陶瓷颗粒。

图3为熔覆层断面的显微硬度结果图；其中，检测区域一的硬度曲线1，检测区域二的硬度曲线2，检测区域三的硬度曲线3；从图中可发现，沿厚度方向熔覆层硬度基本不变，这说明熔覆层稀释率极小。

具体实施方式

实施例1

制备尺寸为500×400×3mm³的16Mn钢板表面制备平均厚度为400μm陶瓷-金属复合材料熔覆层。

1、配制混合粉末原料

(1)混合粉末所用粉末材料的重量百分比为：纯钛粉(粒度-250+300目，纯度≥99.6％)：28wt.％；石墨碳粉：(纯度≥99.8％)：7wt.％；铬粉(粒度-250+300目，纯度≥99.8％)：28wt.％；钼粉(粒度-250+300目，纯度≥99.9％)：8wt.％；二硼化钛粉(粒度-250+300目，纯度≥99.8％)：4wt.％；碳化铌粉(粒度-250+300目，纯度≥99.8％)：2wt.％；镍粉(粒度-250+300目，纯度≥99.8％)：余量。

(2)按步骤(1)所述的各种粉末比例，称取粉末原料所需的各种粉末；

(3)将粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为120℃，干燥时间为3小时；

(4)利用滚筒式球磨机混合粉末原料，形成混合粉末，混料时间为3小时；

(5)将混合粉末用塑料袋密封存储。

2、制备熔覆层

(1)选用波长为1064nm、光纤偶合的Nd:YAG灯泵浦固体激光器，其额定输出功率为800W。采用与光纤相连的激光工作头作水平匀速运动及步进运动、工件固定方法制备熔覆层，熔覆时采取激光头吹氩气的保护措施，以防止熔覆材料氧化。

(2)将待熔覆钢板点焊在网格形防变形支座上，并将防变形支座置于熔覆工作台上。

(3)将步骤1所述的混合粉末装入送粉器中，采用预撒粉法熔覆；其具体参数为：送粉量0.7kg/h，激光器工作电流为450A、频率为8Hz，光斑直径3.5mm，激光束在x轴向的扫描速度6mm/s，激光头y轴向的步进长度为2.5mm。

(4)单道熔覆时，所形成熔覆层厚度约为400μm。采用相邻两道熔覆层搭接熔覆的方法，在整个钢板表面上制备平均厚度约为400μm的陶瓷-金属复合材料熔覆层。

(5)熔覆工艺完成后，将钢板与防变形支座放入热处理炉内进行消除内应力退火处理，处理温度为550℃，保温时间为5小时；将钢板与防变形支座随炉缓冷至200℃后取出，再室温冷却至常温；采用机械切割方法将钢板点焊点与防变形支座分离后得到得到成品耐高温冲蚀复合钢板。

Claims (5)

1.一种制备耐高温冲蚀熔覆层的粉末材料，其特征在于，粉末材料中所含粉末的重量百分比为：纯钛粉：24-32wt.％；石墨碳粉：4.8-8wt.％；铬粉：24-30wt.％；钼粉：5-10wt.％；二硼化钛粉：3-5wt.％；碳化铌粉：1-3wt.％；镍粉：余量；以上粉末中，纯钛粉与石墨碳粉重量比在3.8-4范围。

2.一种权利要求1所述粉末材料的熔覆层的制备方法，其特征在于，工艺步骤为：

(1)配置熔覆用混合粉末

a、粉末材料中所含粉末的重量百分比为：纯钛粉：24-32wt.％；石墨碳粉：4.8-8wt.％；铬粉：24-30wt.％；钼粉：5-10wt.％；二硼化钛粉：3-5wt.％；碳化铌粉：1-3wt.％；镍粉：余量；以上粉末中，纯钛粉与石墨碳粉重量比在3.8-4范围，按上述的粉末比例，称取混合粉末所需的各种粉末原料；

b、将步骤a所述的粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为100-120℃，干燥时间为2-3小时；

c、利用球磨机混合粉末原料，形成混合粉末，混料时间为3-4小时；

d、将混合粉末用塑料袋密封存储；

(2)熔覆层的制备工艺

a、选用波长小于1000nm的高功率半导体激光器、或光纤偶合的Nd:YAG灯泵浦固体激光器、或连续波CO₂激光器作为熔覆用热源；

b、将待熔覆钢板点焊在网格形防变形支座上，并将防变形支座置于熔覆工作台上；

c、将步骤(1)中所述的混合粉末装入送粉器中，

当使用Nd:YAG灯泵浦固体激光器进行脉冲激光熔覆时，采用预撒粉法熔覆；

当使用高功率半导体激光器或连续波CO₂激光器进行连续激光熔覆时，采用同步送粉法进行熔覆。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，熔覆层的制备工艺中步骤b中所述的待熔覆钢板厚度≥2.5mm。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当使用700-2000W的Nd:YAG灯泵浦固体激光器进行脉冲激光熔覆时，工艺参数为：送粉量0.4-2kg/h，激光器输出功率700-2000W，光斑直径3-6mm，激光束在x轴向的扫描速度3-9mm/s，激光头y轴向的步进长度为2-5mm；

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当使用2-5kW的高功率半导体激光器进行连续激光熔覆时，工艺参数为：送粉量2-7kg/h，输出功率密度为15-25kW/cm²，矩形光斑尺寸(1.5-3)×(4-10)mm²，激光束在x轴向的扫描速度4-12mm/s，激光头y轴向的步进长度为3-8mm。

Images