CN104928617B - 一种海洋平台用钢电弧喷涂铝涂层的激光重熔方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋平台用钢表面改性处理技术领域，特指一种海洋平台用钢表面电弧喷涂铝涂层的激光重熔方法，为解决不通过增加涂层厚度而提高涂层防海水腐蚀能力的问题，属于材料表面改性复合处理技术。本发明专利通过电弧喷涂工艺在海洋平台用钢基材表面制备一层铝涂层，再通过激光重熔技术将铝涂层与底材表面铁熔化，冷却后形成Fe‑Al合金层，涂层表面平整、组织性能得到提高、涂层与基体形成冶金结合、涂层中出现少量非晶态铝，涂层的防腐蚀性能得到提升高。
Description
技术领域
本发明涉及海洋平台用钢表面改性处理技术领域，特指一种海洋平台用钢表面电弧喷涂铝涂层的激光重熔方法，为解决不通过增加涂层厚度而提高涂层防海水腐蚀能力的问题，属于材料表面改性复合处理技术。
背景技术
海洋平台主要应用于海洋石油、天然气的开采工作，由于油气开采区域不断向深海地区发展，海洋平台将受到更为严峻的台风、海浪、潮汐以及盐雾、电解质、海洋微生物等物理-化学腐蚀；尤其是在海浪飞溅区，钢材的腐蚀速率为正常情况下的6倍，桩腿用钢表面少量破损会导致闭合电池的产生，将会加速其腐蚀速率，并且移动式海洋平台的应用对海洋平台的防腐蚀年限又提出了新的要求；电弧喷涂铝是一种长效的金属表面防腐蚀工艺，200μm厚的铝涂层在海水中理论服役寿命为30年，在盐雾及海水冲蚀较强的潮差区环境中，其使用寿命明显下降，简单的通过增加涂层厚度来延长海洋平台的使用寿命将会影响到其承重装置的机械性能；随着喷涂厚度的增加，涂层中空隙、孔洞等喷涂缺陷会显著增加；其次，铝涂层与底材的结合方式为少量冶金结合与大量机械结合共存，涂层厚度的增加会导致涂层出现整体剥落。
本发明专利通过电弧喷涂工艺在海洋平台用钢基材表面制备一层铝涂层，再通过激光重熔技术将铝涂层与底材表面铁熔化，冷却后形成Fe-Al合金层，涂层表面平整、组织性能得到提高、涂层与基体形成冶金结合、涂层中出现少量非晶态铝，涂层的防腐蚀性能得到提升高。
发明内容
本发明专利采用电弧喷涂-激光重熔复合工艺对海洋平台用钢表面进行改性处理，通过Fe元素与Al元素之间发生的一系列物理、化学反应在钢材表面制备一层厚度均匀、结合良好、耐腐蚀性能优异的合金涂层；可以在不增加涂层厚度的条件下，增加涂层的服役寿命，从而减小涂层重量对海洋平台力学性能的影响，不需要通过热扩散处理工艺就能使涂层与基体形成紧密结合，达到简化工艺，降低成本的目的，能够使海洋平台得到长效的保护。
本发明的具体步骤如下：海洋平台用钢电弧喷涂铝-激光重熔的表面涂层制备方法，其特征在于，首先对基材表面进行机械打磨，化学液清洗到达Sa3级清洁度，喷砂处理；以工业用Ф2mm铝丝为原料，确保其纯度＞99.5%，利用电弧的热能将铝丝加热至熔融态，其工作电压为20-32V，电流为150-300A，以0.5-0.6Mpa的高压气流为动力，将熔融铝喷至基材表面，保证喷枪的移动速度为300-400mm/s，喷涂距离为5-8mm，喷涂完成后冷却80min-100min，使基材表面覆盖一层厚度为200-250μm的铝涂层，涂层与基体形成良好的机械结合与少量的冶金结合；最后进行激光重熔工艺处理，激光功率为1000-1200W，光斑直径为3-4mm，扫描速度为6-8mm/s，并且充入氩气作为保护气，以确保全部铝涂层与基材表面厚度30-50μm处都能够进入熔融状态，充分反应，形成厚度为100-150μm的Fe-Al合金层，使基体与涂层成为一个整体。
附图说明
图1为本发明腐蚀前后的表面形貌对比图；(a)原始状态(b) 腐蚀后。
图2为本发明腐蚀前后的界面形貌对比图；(a)原始状态(b) 腐蚀后。
图3为本发明腐蚀前后的XRD对比图；(a)原始状态(b) 腐蚀后。
具体实施方式
(1)使用180#-1000#砂纸对基材表面进行打磨，用无水乙醇清洗，丙酮脱脂，以去掉试样表面油脂和杂物，确保基材表面清洁度达到Sa3级。
(2)使用粒径为1mm铸铁砂为磨粒，压缩空气压力＞0.8MPa，喷砂距离为200mm，喷砂角度为20°，使精糙度到达RZ60μm。
(3)以工业用Ф2mm铝丝为原料，确保其纯度＞99.5%，利用电弧的热能将铝丝加热至熔融态，其工作电压为20-32V，电流为150-300A，以0.5-0.6Mpa的高压气流为动力，将熔融铝喷至基材表面，保证喷枪的移动速度为300-400mm/s，喷涂距离为5-8mm，喷涂完成后冷却80min-100min，使基材表面覆盖一层厚度为200-250μm的铝涂层，涂层与基体形成良好的机械结合与少量的冶金结合。
(4)最后进行激光重熔工艺处理，激光功率为1000-1200W，光斑直径为3-4mm，扫描速度为6-8mm/s，并且充入氩气作为保护气，以确保全部铝涂层与基材表面厚度30-50μm处都能够进入熔融状态，充分反应，形成厚度为100-150μm的Fe-Al合金层。
(5)通过盐雾腐蚀试验验证该涂层的防腐蚀性能，采用浓度为5%的NaCl溶液，喷雾压力为0.1MPa，试验温度为35±2℃。
(6)通过SEM和XRD分析了Fe-Al合金层盐雾腐蚀前后表面-界面形貌、化学元素组成，观察图层的防腐蚀性能。如图1(a)、(b)所示，腐蚀前涂层表面较为平整，腐蚀后涂层呈片状整体剥落，没有出现局部腐蚀；如图2(a)、(b)所示，腐蚀前后涂层仅在厚度上出现了极小的变化，涂层-基体结合性能优异；如图3(a)、(b)所示，腐蚀前涂层以Fe-Al合金为主，腐蚀后涂层以Al2O3氧化膜为主，防腐蚀性能得到提升。
Claims (4)
1.一种海洋平台用钢电弧喷涂铝涂层的激光重熔方法，其特征在于：通过电弧喷涂工艺在海洋平台用钢基材表面制备一层铝涂层，再通过激光重熔技术将铝涂层与底材表面铁熔化，冷却后形成Fe-Al合金层，使基材与涂层成为一个整体，提高涂层的防腐蚀性；所述的再通过激光重熔技术将铝涂层与底材表面铁熔化，冷却后形成Fe-Al合金层，使基材与涂层成为一个整体指：激光功率为1000-1200W，光斑直径为3-4mm，扫描速度为6-8mm/s，并且充入氩气作为保护气，以确保全部铝涂层与基材表面厚度30-50μm处都能够进入熔融状态，充分反应，形成厚度为100-150μm的Fe-Al合金层，使基体与涂层成为一个整体。
2.如权利要求1所述的一种海洋平台用钢电弧喷涂铝涂层的激光重熔方法，其特征在于所述的通过电弧喷涂工艺在海洋平台用钢基材表面制备一层铝涂层指：首先对基材表面进行机械打磨，化学液清洗到达Sa3级清洁度，喷砂处理；以工业用Ф2mm铝丝为原料，确保其纯度＞99.5％，利用电弧的热能将铝丝加热至熔融态，其工作电压为20-32V，电流为150-300A，以0.5-0.6Mpa的高压气流为动力，将熔融铝喷至基材表面，保证喷枪的移动速度为300-400mm/s，喷涂距离为5-8mm，喷涂完成后冷却80min-100min，使基材表面覆盖一层厚度为200-250μm的铝涂层，涂层与基体形成良好的机械结合与少量的冶金结合。
3.如权利要求2所述的一种海洋平台用钢电弧喷涂铝涂层的激光重熔方法，其特征在于：所述的首先对基材表面进行机械打磨，化学液清洗到达Sa3级清洁度指：使用180#-1000#砂纸对基材表面进行打磨，用无水乙醇清洗，丙酮脱脂，以去掉试样表面油脂和杂物，确保基材表面清洁度达到Sa3级。
4.如权利要求2所述的一种海洋平台用钢电弧喷涂铝涂层的激光重熔方法，其特征在于所述喷砂处理指：使用粒径为1mm铸铁砂为磨粒，压缩空气压力＞0.8MPa，喷砂距离为200mm，喷砂角度为20°，使精糙度到达RZ60μm。
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