CN104328430B - 一种耐蚀的CuAlFeNi激光熔覆涂层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种耐蚀的CuAlFeNi激光熔覆涂层材料及其制备方法属于表面涂层领域。制备能提高表面耐蚀性能的铜合金球形粉末，其质量百分比如下：75‑88wt％Cu、8‑11wt％Al、0.1‑3wt％Fe、0.1‑0.5wt％Cr、0.1‑0.5wt％Ti和1.5‑9wt％Ni。采用波长为800nm‑10.6μm连续激光热源制备CuAlFeNi熔覆涂层，激光功率为1500‑2500W，扫描速度为180‑600mm/min，离焦20‑30mm，搭接率30‑60％，熔覆过程氩气保护气流量为10‑15L/min，送粉速率15‑40g/min。采用此种工艺，获得一定厚度的熔覆涂层，冶金质量良好，组织分布均匀且耐蚀性能优异。

Description

一种耐蚀的CuAlFeNi激光熔覆涂层材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及制备铜合金材料领域，尤其涉及铜合金的耐海水腐蚀材料体系和金属表面激光熔覆涂层的方法。
背景技术：
铜合金具有良好的导热导电性能和耐腐蚀性能，摩擦系数较小，且具有较高的强度，广泛应用于机械、化工及汽车等工业中。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。但是铝青铜合金作为一些耐磨零件和耐蚀零件时,因磨损与腐蚀失效带来的经济损失是相当严重的。对于工业中使用的铜合金器件，为保证其具备良好的减摩、耐腐蚀等性能，常规工艺均采用整体成形方法加工铜合金零件，铜合金消耗大，成本高，而零件的失效经常发生在表面。因此，我们可在机械零件表面激光熔覆一定厚度的铜合金涂层，以代替整体铜合金零件。激光熔覆是一个非平衡态的快速冷却过程，在凝固组织中能形成大量过饱和固溶体、介稳相及析出新相并细化组织，并与基体实现冶金结合，可得到综合性能良好的涂层。
以铝为主要添加元素的铜合金粉末，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、铬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的添加同时可以抑制γ1相的形成和结网，提高耐蚀性能。铜和镍可无限互溶形成连续固溶体，镍的存在使铜镍合金表面Cu2O膜具有更大的稳定性，铜离子有毒，使得铜镍合金具有优良的耐腐蚀性能和抗生物污染的能力，且随着镍的加入，加强了Fe元素的扩散作用，使涂层中大量Fe元素固溶进α-Cu中，不再以α-Fe单质形式析出；另一方面，电极表面生成的氧化镍的能阻挡Cu离子进入溶液，氧化镍的存在使铜镍合金电极表面Cu2O膜具有更大的稳定性。采取此种铜合金粉末体系并结合激光熔覆技术，获得的熔覆涂层具有一定厚度、冶金质量良好、组织分布均匀、较优异耐蚀性能等特点，在机械、化工及石油等工业有良好的应用前景。
发明内容：
发明涉及一种耐蚀的CuAlFeNi激光熔覆涂层材料及其制备方法。
一种耐蚀的CuAlFeNi激光熔覆涂层材料及其制备方法，其特征在于质量百分比如下：75-88wt％Cu、8-11wt％Al、0.1-3wt％Fe、0.1-0.5wt％Cr、0.1-0.5wt％Ti和1.5-9wt％Ni。
其制备过程包括以下步骤：
(1)设计好铜合金粉末配比，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10-100μm的球形粉末；或者采用粒度为10-120μm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2-5小时，以得到混合均匀的粉末；
(2)将粉末放置在干燥箱内4小时，干燥温度设置为100-150℃；
(3)选取机械零件作为载体，利用同步送粉激光熔覆技术在零件表面上制备一定厚度的铜合金涂层，激光熔覆工艺参数为：所输送的粉末束流与激光束呈40-60度角，粉末束流与激光束相交于零件表面，激光功率为1500-2500W，激光扫描速度为180-600mm/min，搭接率为30-60％，熔覆过程氩气保护气流量为10-15L/min，送粉速率15-40g/min。
按照此发明得到的铜合金熔覆涂层特征为：组织致密、无裂纹气孔等缺陷、涂层同基体完全冶金结合。选择不同的送粉速率、搭接率等参数，能获得厚度为0.6-3.2mm的涂层，铜合金涂层组织枝晶均匀分布，主要由α-Cu、α-(Fe,Ni)、AlCu3、Cu9Al4等物相组成，铜合金涂层整体硬度差异不大，在3.5％NaCl中性电解液条件下进行电化学测试，熔覆涂层的腐蚀电流2.31×10-7-6.53×10-7A·mm-2，耐蚀性能优异。
附图说明
图1是实例1、2激光熔覆铜镍合金耐蚀材料涂层界面SEM照片
图2是实例1激光熔覆铜镍合金耐蚀材料微观组织SEM照片
图3是实例1激光熔覆铜镍合金耐蚀材料XRD照片
图4是实例2激光熔覆铜镍合金耐蚀材料涂层硬度照片
图5是实例1-3激光熔覆铜镍合金耐蚀材料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分别为：88wt％Cu、8wt％Al、1.5t％Fe、1.5wt％Ni、0.5wt％Cr和0.5wt％Ti。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，过筛后得到10-100μm的粉末。
(2)基体材料使用尺寸为150×120×3mm板状的304不锈钢材料，采用波长为10.6μmCO2激光器，安装和调试好激光熔覆装置，送粉工作头跟激光光束角度为60°，保护气喷嘴离加工件10mm，氩气气体流量为15L/min，调入控制程序，开启循环冷却水和激光设备。激光功率为2500W，正离焦20mm，扫描速度为600mm/min，搭接率为60％，粉末速度为40g/min。
实施例1所得的熔覆涂层界面微观形貌如图1所示，涂层与基体间呈良好的冶金结合，基体与涂层的熔合线清晰可见，界面处有很多柱状晶粒和花朵状枝晶从基体向涂层方向生长。由图2的微观组织可以看出涂层晶粒均匀分布，Ni元素加强了Fe元素的扩散作用，使涂层中大量Fe元素固溶进基体α-Cu中，未发现呈树枝状、圆球状的α-Fe晶粒。黑色区域为基体相，富含Cu；白色区域为晶粒晶界，富含Ni、Fe、Al等合金元素。涂层主要由α-Cu、α-(Fe,Ni)、AlCu3、Cu9Al4等物相组成(见图3)，耐蚀性能良好，在3.5％NaCl中性电解液条件下进行电化学测试，铜镍熔覆涂层的腐蚀电流5.89×10-7A·mm-2，自腐蚀电位为-0.271V(SCE)。
实施例2：
其与实施例1除以下步骤外均相同。
(1)铜合金粉末的各组分按质量百分比计分别为：84wt％Cu、9wt％Al、1.9wt％Fe、4.5wt％Ni，0.3wt％Cr和0.3wt％Ti，采用粒度为10-100μm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3小时，混合后得到均匀粉体；将粉末在干燥箱内烘干4小时，干燥温度为120℃。
(2)基体材料使用直径为20mm的圆柱状45#钢，安装在机床转台上，利用波长为800nm-1100nm的半导体激光器在表面进行熔覆。激光功率为2000W，光斑正离焦30mm，送粉工作头跟激光光束角度为40°，工件线速度为3000mm/min，转台角速度为1719°/min，搭接率为30％，激光器X轴扫描方向的速度为8.75mm/min，送粉速度为20g/min。
实施例2所得的铜合金熔覆涂层厚度为1.4mm，涂层与基体之间冶金结合，熔覆层无裂纹、气孔等缺陷。涂层整体硬度差异不大(见图4)，添加Ni元素生成的熔覆层组织分布较均匀，Ni元素加强了Fe元素的扩散作用。在3.5％NaCl中性电解液条件下进行电化学测试，熔覆涂层的腐蚀电流2.31×10-7A·mm-2，自腐蚀电位为-0.243V(SCE)，耐蚀性能良好。
实施例3：
其与例1除以下步骤外均相同。
(1)铜合金粉末的各组分按质量百分比计分别为：77wt％Cu、11wt％Al、2.8wt％Fe、9.0wt％Ni、0.1wt％Cr和0.1wt％Ti。。
(2)基体材料使用尺寸700×250×20mm的316L不锈钢，采用波长为1070nm光纤激光器，激光功率为1500W，光斑正离焦25mm，送粉工作头跟激光光束角度为50°，扫描速度为200mm/min，搭接率为50％，氩气保护气气体流量为12L/min，送粉速度为17g/min。
实施例3所得的铜合金熔覆涂层性能良，在3.5％NaCl中性电解液条件下进行电化学测试，熔覆涂层的腐蚀电流5.72×10-7A·mm-2，自腐蚀电位为-0.296V(SCE)，其耐蚀性能良好。

Claims (1)

1.一种耐蚀的CuAlFeNi激光熔覆涂层材料，其特征在于合金粉末质量百分比如下：75-88wt％Cu、8-11wt％Al、0.1-3wt％Fe、0.1-0.5wt％Cr、0.1-0.5wt％Ti和1.5-9wt％Ni；采用波长为800nm-10.6μm连续激光热源制备CuAlFeNi熔覆涂层，激光功率为1500-2500W，激光扫描速度为180-600mm/min，离焦20-30mm，搭接率30-60％，熔覆过程氩气保护气流量为10-15L/min，送粉速率15-40g/min。
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