CN103540790A - 一种耐蚀的CuAlCr激光熔覆层材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种耐蚀的CuAlCr激光熔覆层材料的制备方法，属于表面涂层技术领域。方法主要包括：选料、制备合金粉末、利用激光熔覆法在基体表面上制备涂层几个步骤。所述的表面耐蚀性能提高的铜合金是用铜合金粉末的按质量百分比如下：Al：9～12wt%、Cr：1.5～7.5wt%、Fe：0.8～3wt%、Ti：0.5～1.5wt%、余量Cu。采用激光熔覆工艺制备合金层，其激光加工参数为：采用CO₂、固体激光器或半导体连续激光器，激光功率密度范围500W/mm²～1500W/mm²，激光扫描速度180～600mm/min，粉末速度10～30g/min，在氩气保护气体的中进行，保护气流量8～16L/min。本发明可以在表面成一定厚度的冶金质量良好的耐蚀铜合金涂层。

Description

一种耐蚀的CuAlCr激光熔覆层材料的制备方法

技术领域：

本发明涉及铜合金合金材料领域，尤其是涉及铜合金的耐海水腐蚀材料体系和激光表面熔覆涂层的方法。

背景技术：

铝青铜具有许多优良的性能：高的强度、硬度和耐磨性、优良的耐蚀性和导热系数、稳定的刚度、具有形状记忆效应。因此铝青铜越来越受到人们青睐，在民用和军事工业中起着重要的作用。尤其是铝铜合金具有良好的耐海水腐蚀和抗海洋生物附着能力，可用来制造耐腐蚀零件，如螺旋桨、阀门、管道，在海洋工程中得到了广泛应用。为了提高铜合金良好的耐蚀性能和综合力学性能，可采用激光熔覆技术在不锈钢等基体表面制备铜合金熔覆层。激光熔覆技术是一种先进的表面改性技术，是以高能密度的激光为热源并辅助粉末束流，在零件基材表面沉积得到优异性能的合金材料，熔覆层与基材为冶金结合，并且其成分和性能可与基体材料完全不同。该技术在高附加值零件的表面强化及修复方面具有广阔的发展前景。

以铝为主要添加元素的铜合金材料，一般形成以α相为基体相，具有良好的力学性能和塑形变形能力。少量的铁、钛可以阻止相变重结晶作用而细化晶粒，从而提高合金的力学性能。Fe元素可以抑制γ₂相的形成和结网，提高耐蚀性能。铬元素可有效增加材料的耐蚀能力，而随着铬的加入，一方面，铁元素不再以α-Fe单质形式析出；另一方面，表面Cr的钝化形成Cr(OH)₃，它们的形成有利于提高耐蚀性。激光熔覆技术的广泛应用，对铜合金粉末材料的耐蚀性提出了更高的要求。利用所开发的铜合金粉末新体系并结合激光熔覆技术形成具有一定厚度、冶金质量良好、较优异耐蚀和综合性能的合金层，有良好的应用前景。

发明内容：

为了满足激光熔覆技术对铜合金材料耐蚀性的要求，特发明一种耐蚀的CuAlFeCr激光熔覆层材料的制备方法。

一种耐蚀的CuAlCr激光熔覆层材料的制备方法，其特征在于质量百分比如下：Al：9～12wt%、Cr：1.5～7.5wt%、Fe：0.8～3wt%、Ti：0.5～1.5wt%、余量Cu，其制备过程包括以下步骤：

（1）按上述组分的质量百分比称量、配置原料，将合金材料熔炼后采用雾化的方式得到铜合金粉体，合金过筛后得到20～120μm的粉末；或者采用粒度为20～120μm的单元素粉末按照上述合金配比在球磨机中进行粉末混合2～4小时，混合后得到均匀粉体；

（2）将粉末在干燥箱内烘干2～3小时，干燥温度为100～150℃；

（3）选取机械零部件作为载体，利用同步送粉激光熔覆技术在机械零件表面上制备铜合金层，激光熔覆制备过程的工艺参数为：所输送的粉末束流与激光束呈45-65°，粉末束流与激光束相交于零件表面，激光功率密度范围500W/mm²～1500W/mm²，光束扫描速度为180～600mm/min，激光熔覆过程采用流量为8～16L/min的氩气保护，送粉速率10～30g/min。

按照此发明得到的铜合金熔覆层组织致密、无裂纹、无气孔，与基体材料之间完全冶金结合，熔覆层厚度达到0.7-3mm，熔覆层组织主要由α、Cr、β′等物相组成，该合金在3.5%NaCl电解液条件下进行电化学测试，熔覆层的腐蚀电流1.35～1.85×10^-6A·cm^-2，具有优良的耐蚀性能。

附图说明

图1是实例1激光熔覆铜合金中铬颗粒SEM照片

图2是实例1激光熔覆铜合金微观组织SEM照片

图3是实例1激光熔覆铜合金XRD照片

图4是实例2激光熔覆铜合金截面SEM照片

图5是实例1、2、3激光熔覆铜合金动电位极化曲线照片

具体实施方式：

实施例1：

包括如下步骤：

（1）铜合金粉末的各组分按质量百分比设计为：Al：10.5wt%、Cr：4.5wt%、Fe：2wt%、Ti：1.0wt%、余量Cu，按上述组分的质量百分比称量该配比的单元素粉末，在球磨机中进行粉末混合2～4小时，混合后得到均匀粉体。

（2）将粉末在干燥箱内烘干3小时，干燥温度为100℃；

（3）将尺寸为150×100×2mm板状的316L不锈钢材料，用丙酮清洗擦拭干净，去除表面的油污和杂质。

（4）采用波长1.06μm的YAG固体激光器在316L的板材上制备铜合金熔覆层，激光熔覆制备过程的工艺参数为：所输送的粉末束流与激光束呈65°，粉末束流与激光束相交于零件表面，激光功率密度1500W/mm²，光束扫描速度为180mm/min，搭接率为40%，激光熔覆过程采用流量为16L/min的氩气保护，送粉速率30g/min。

（5）实施例1所得的铜合金熔覆层厚度为3mm。对熔覆层进行金相分析，发现熔覆层中存在未熔的Cr颗粒，如图1所示。由图2所示的熔覆层微观组织可以看出基体为α-Cu，铁与铬相结合并固溶一定的Cu和Al以圆球状、花状、枝干状析出（如A处所示），而B处灰色区域是Cu3Al为基的固溶体，为β相在快速冷却时来不及分解而形成的亚稳定的β’相。由图3所示的XRD图可知熔覆层的物相包括α、Cr、β′等。

（6）在3.5%NaCl电解液条件下进行电化学测试，熔覆层的腐蚀电流1.35×10^-6A·cm^-2，如图5所示。

实施例2：

其与实施例1除以下步骤外均相同。

包括如下步骤：

（1）铜合金粉末的各组分按质量百分比设计为：Al：12wt%、Cr：1.5wt%、Fe：3wt%、Ti：1.5wt%、余量Cu，将上述组分的合金材料熔炼后采用雾化的方式得到铜合金粉体，合金过筛后得到20～120μm的粉末；

（2）将粉末在干燥箱内烘干2.5小时，干燥温度为120℃；

（3）将直径为16mm的圆柱状17‐4PH不锈钢的外表面做喷砂处理，然后用酒精去除表面的杂质。

（4）采用波长10.6μm的CO2激光器在17‐4棒材上制备铜合金熔覆层，激光熔覆制备过程的工艺参数为：所输送的粉末束流与激光束呈55°，粉末束流与激光束相交于零件表面，激光功率密度1000W/mm²，光束扫描速度为400mm/min，搭接率为50%，激光熔覆过程采用流量为12L/min的氩气保护，送粉速率20g/min。

（5）实施例2所得的铜合金熔覆层厚度为1.2mm，铜合金熔覆层截面组织如图4所示。

（6）在3.5%NaCl电解液条件下进行电化学测试，熔覆层的腐蚀电流1.52×10^-6A·cm^-2，如图5所示。

实施例3：

包括如下步骤：

（1）铜合金粉末的各组分按质量百分比设计为：Al：9wt%、Cr：7.5wt%、Fe：0.8wt%、Ti：0.5wt%、余量Cu，将上述组分的合金材料熔炼后采用雾化的方式得到铜合金粉体，合金过筛后得到20～120μm的粉末；

（2）将粉末在干燥箱内烘干2小时，干燥温度为150℃；

（3）将尺寸800×300×20mm的Incoloy925板材表面喷砂后用丙酮清洗擦拭干净，去除表面的杂质；

（4）采用波长为808nm的半导体激光器在Incoloy925的板材上制备铜合金熔覆层，激光熔覆制备过程的工艺参数为：所输送的粉末束流与激光束呈45°，粉末束流与激光束相交于零件表面，激光功率密度500W/mm²，光束扫描速度为600mm/min，搭接率为60%，激光熔覆过程采用流量为8L/min的氩气保护，送粉速率10g/min。

（5）实施例3所得的铜合金熔覆层厚度为0.7mm。

（6）在3.5%NaCl电解液条件下进行电化学测试，熔覆层的腐蚀电流1.85×10^-6A·cm^-2，如图5所示。

Claims (1)

1.一种耐蚀的CuAlCr激光熔覆层材料的制备方法，其特征在于质量百分比如下：Al：9～12wt%、Cr：1.5～7.5wt%、Fe：0.8～3wt%、Ti：0.5～1.5wt%、余量Cu，其制备过程包括以下步骤：

（1）按上述组分的质量百分比称量、配置原料，将合金材料熔炼后采用雾化的方式得到铜合金粉体，合金过筛后得到20～120μm的粉末；或者采用粒度为20～120μm的单元素粉末按照上述合金配比在球磨机中进行粉末混合2～4小时，混合后得到均匀粉体；

（2）将粉末在干燥箱内烘干2～3小时，干燥温度为100～150℃；

（3）选取机械零部件作为载体，利用同步送粉激光熔覆技术在机械零件表面上制备铜合金层，激光熔覆制备过程的工艺参数为：所输送的粉末束流与激光束呈45-65°，粉末束流与激光束相交于零件表面，激光功率密度范围500W/mm²～1500W/mm²，光束扫描速度为180～600mm/min，激光熔覆过程采用流量为8～16L/min的氩气保护，送粉速率10～30g/min。

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