CN110396690A - 一种镍铝青铜表面激光熔覆非晶复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种镍铝青铜表面激光熔覆非晶复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层及其制备方法，制备方法，包括如下步骤：将雾化Cu45Zr47Al8合金粉与酒精混合，然后均匀地涂覆于镍铝青铜表面，采用高能激光束对其进行激光熔覆，即获得镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层。所得非晶复合涂层均匀致密，无明显的气孔裂纹等缺陷，且与基体形成冶金结合；具有高的显微硬度、优异的耐磨和耐腐蚀性能。本发明制备工艺简单，工件尺寸不受限制，可获得大面积涂层。

Description

一种镍铝青铜表面激光熔覆非晶复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于材料的表面处理技术领域，具体涉及一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层及其制备方法。
背景技术
镍铝青铜具有良好的机械性能和耐腐蚀性能，而被广泛应用于舰船的螺旋桨制造。但由于铸态镍铝青铜存在成分偏析、晶粒粗大、疏松和应力集中等问题，在恶劣的海洋环境中容易发生腐蚀疲劳、空蚀及点蚀等现象，从而影响材料的服役寿命，此外螺旋桨还会经受泥沙磨损和生物污损，使其表面粗糙度增加，推进效率降低。
激光熔覆是一种新型表面改性技术，可以在传统材料表面制备高硬度、耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化等多种特性的强化层，既可以形成均匀致密的涂层，又能与基体材料实现冶金结合，从而可以有针对性地去改善材料表面的相关性能，是一种应用前景较为广阔的强化手段。与常规表面改性技术相比，激光熔覆能够进行局部处理，并且拥有加热和冷却速率极快、容易获得非晶相和亚稳相、微观缺陷小、工件变形小、工作效率高等优点，具有很好的发展前景。非晶合金作为一种高性能材料，本身具有玻璃态的结构，不像晶体材料具有长程有序的特征，故不存在空位、位错、堆垛层错等缺陷，所以具有高强度、高硬度、良好的耐磨性和耐腐蚀性等优异性能。
本发明结合激光熔覆技术和非晶合金的优点，在镍铝青铜表面熔覆具有一定厚度的非晶复合涂层，用来提高镍铝青铜的耐磨性和耐腐蚀性，目前还没人报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层及其制备方法，通过采用激光熔覆技术在镍铝青铜表面获得一层均匀致密、无明显气孔裂纹的非晶复合涂层以提高镍铝青铜的耐磨性和耐腐蚀性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层，所述非晶复合涂层为Cu45Zr47Al8合金涂层，其中非晶相的含量≥39％。
优选的方案，所述非晶复合涂层中，非晶相的含量≥62％。
作为进一步的优选，所述非晶复合涂层中，非晶相的含量为62％～69％。
优选的方案，所述非晶复合涂层的厚度为0.4-0.8mm。
本发明一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
将雾化Cu45Zr47Al8合金粉与酒精混合，然后涂覆于镍铝青铜表面，采用激光束对其进行激光熔覆，即获得镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层。
在本发明中，Cu45Zr47Al8是指合金的成分按原子百分比计为：Cu 45at％，Zr47at％，Al 8at％。
在本发明中，首创采用雾化Cu45Zr47Al8合金粉，通过激光熔覆技术，在镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层，所得非晶复合涂层均匀致密，涂层与基体无明显分界线，形成冶金结合，大幅提升了镍铝青铜的耐磨性和耐腐蚀性能。
发明人通过大量的实验，筛选了Cu-Ni基、Cu-Zr基等系列各种成份的合金粉，最终发现雾化Cu45Zr47Al8合金粉于镍铝青铜表面熔覆时非晶形成能力最强，从而成功的在镍铝青铜表面熔覆形成了非晶复合涂层。
优选的方案，所述雾化Cu45Zr47Al8合金粉为非晶态，粉末形状为球形，粒径为10-40μm。
采用球形的雾化粉，并控制其粒径10-40μm，可以使雾化Cu45Zr47Al8合金粉均匀密排于镍铝青铜表面，同时本发明中，先将雾化合金粉与酒精混匀后涂覆于镍铝青铜表面，然后风干，可以进一步保障了雾化合金粉在镍铝青铜表面分布的均匀性，再利用高能激光束对涂覆了雾化合金粉的镍铝青铜表面进行激光熔覆可以获得均匀平整的熔覆层。
将合金粉预置于镍铝青铜表面之前，先将镍铝青铜表面进行打磨去除氧化膜和油污，用丙酮溶液超声清洗、冷风吹干，然后置于干燥箱中干燥。
优选的方案，所述镍铝青铜按质量百分比计包含如下成分：铝9.65wt％，镍4.57wt％，铁5.52wt％，锰0.93wt％，铜79.33wt％。
优选的方案，所述激光熔覆过程中，激光功率为600W-800W，扫描速度为5mm/s-25mm/s。
发明人发现，在激光熔覆过程中，激光功率与扫描速度需要有效控制，功率太低，扫描速度过快导致熔覆材料熔不透，容易出现起球现象；激光功率太高，导致稀释率变大，从而达不到性能改善的效果。更优选地，激光功率为600W，扫描速度5mm/s-20mm/s，具有较高的硬度和较好的耐磨性、耐腐蚀性能。
更进一步的优选，激光功率为600W，扫描速度10mm/s-20mm/s。
优选的方案，所述激光熔覆过程中，采用氩气保护，控制气流量为14-16L/min，进一步优选为15L/min。
优选的方案，所述激光熔覆过程中，搭接率为40-60％，进一步优选为50％。
优选的方案，所述激光熔覆过程中，光斑直径为0.7-0.9mm，进一步优选为0.8mm。
本发明的有益效果在于：
本发明首创的提供了一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层，所述非晶复合涂层为Cu45Zr47Al8合金涂层，在优选的方案中，非晶相≥60％，最优选的方案，可高达68.8％，所提供的非晶复合涂层均匀致密，无明显气孔和裂纹，与基体形成冶金结合，熔覆层厚度0.4-0.8mm。
本发明含非晶复合涂层的镍铝青铜相比现有技术中的镍铝青铜，耐磨性和耐腐蚀性能大幅提升。
本发明的方法制备工艺简单、不需要高真空环境，工作效率高、且易于实现自动化，具有良好的应用前景，利用该方法可以在机械零部件完成表面优化及修复，提高其使用寿命。
附图说明
构成本申请的一部分附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其他特征、目的和优点变得更明显。
图1为实施例1和实施例2激光熔覆复合涂层和所用熔覆粉末的XRD图谱。
图2为实施例1镍铝青铜表面激光熔覆复合涂层截面扫描电镜图片(a)顶部区域(b)底部。
图3为实施例2镍铝青铜表面激光熔覆复合涂层截面扫描电镜图片(a)顶部区域(b)底部。
图4为实施例1和实施例2熔覆层横截面的硬度分布示意图。
图5为实施例1、实施例2激光熔覆复合涂层和镍铝青铜基体的摩擦系数示意图
图6为实施例1、实施例2激光熔覆复合涂层和镍铝青铜基体在3.5wt％氯化钠溶液中的极化曲线对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的部分实施例，而不是全部的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
下面将结合实施例来详细说明。
在激光熔覆过程中为保证非晶的形成能力，选择的熔覆粉末为Cu45Zr47Al8(at％)非晶雾化球形粉末,粒度为10-40μm。
实施例1
本实例涉及一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层及其制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将镍铝青铜表面进行打磨去除氧化膜及油污，用丙酮溶液进行超声清洗10min，然后冷风吹干。
(2)将准备好的镍铝青铜置于干燥箱中100℃条件下干燥30min；非晶雾化粉末置于干燥箱中100℃干燥60min；之后将干燥后的非晶粉末与酒精调至粘稠状均匀地预置在镍铝青铜表面并自然风干，其厚度为1mm。
(3)用高能激光束对预置非晶雾化粉末的基体表面进行激光熔覆制备铜基非晶/晶体复合涂层，工艺参数为：激光束垂直于工件扫描，同时吹送氩气保护，气流量为15L/min，激光功率为600W，扫描速度为20mm/s，光斑直径为0.8mm，搭接率为50％。
实施效果
从图1XRD图谱可以看出熔覆层由晶体相和非晶相组成，由jade软件进行拟合，得到熔覆层非晶含量为68.8％；结合图2(a)SEM照片可以看出熔覆层的顶部是由细小的等轴枝晶和无明显衬底的非晶组成，图2(b)可以看出涂层与基体无明显分界线，形成冶金结合。图4硬度分布图可以看出熔覆层显微硬度最高可达820HV0.1，是基体的4.5倍左右。图5摩擦系数曲线表明：在3.5wt％氯化钠溶液中进行的湿摩擦实验中镍铝青铜基体的平均摩擦系数为0.561，所得熔覆层的平均摩擦系数为0.258，耐磨性较基体显著提高。从图6极化曲线图及对其拟合所得的腐蚀参数(见表1)可以看出，在3.5wt％氯化钠溶液中进行极化测试所得的镍铝青铜基体的自腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-0.657V和116μA/cm2，所得复合涂层的自腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-0.508V和36.84μA/cm2。
表1
实施例2
本实例涉及一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层及其制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将镍铝青铜表面进行打磨去除氧化膜及油污，用丙酮溶液进行超声清洗10min，然后冷风吹干。
(2)将准备好的镍铝青铜置于干燥箱中100℃条件下干燥30min；非晶雾化粉末置于干燥箱中100℃干燥60min；之后将干燥后的非晶粉末与酒精调至粘稠状均匀地预置在镍铝青铜表面并自然风干，其厚度为1mm。
(3)用高能激光束对预置非晶雾化粉末的基体表面进行激光熔覆制备铜基非晶/晶体复合涂层，工艺参数为：激光束垂直于工件扫描，同时吹送氩气保护，气流量为15L/min，激光功率为600W，扫描速度为15mm/s，光斑直径为0.8mm，搭接率为50％。
实施效果
从图1XRD图谱可以看出熔覆层由晶体相和非晶相组成，由jade软件进行拟合，得到熔覆层非晶含量为62.5％；结合图3(a)SEM照片可以看出熔覆层的顶部是由细小的等轴枝晶和无明显衬底的非晶组成；图3(b)可以看出涂层与基体无明显分界线，形成冶金结合。由图4硬度分布图可以看出熔覆层显微硬度最高可达750HV0.1，是基体的4倍左右。图5摩擦系数曲线表明：在3.5wt％氯化钠溶液中进行的湿摩擦实验中镍铝青铜基体的平均摩擦系数为0.561，所得熔覆层的平均摩擦系数为0.424，耐磨性较基体显著提高。从图6极化曲线图及对其拟合所得的腐蚀参数(见表1)可以看出，在3.5wt％氯化钠溶液中进行极化测试所得的镍铝青铜基体的自腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-0.657V和116μA/cm2，所得复合涂层的自腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-0.525V和39.65μA/cm2。
实施例3
本实例涉及一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层及其制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将镍铝青铜表面进行打磨去除氧化膜及油污，用丙酮溶液进行超声清洗10min，然后冷风吹干。
(2)将准备好的镍铝青铜置于干燥箱中100℃条件下干燥30min；非晶雾化粉末置于干燥箱中100℃干燥60min；之后将干燥后的非晶粉末与酒精调至粘稠状均匀地预置在镍铝青铜表面并自然风干，其厚度为1mm。
(3)用高能激光束对预置非晶雾化粉末的基体表面进行激光熔覆制备铜基非晶/晶体复合涂层，工艺参数为：激光束垂直于工件扫描，同时吹送氩气保护，气流量为15L/min，激光功率为600W，扫描速度为10mm/s，光斑直径为0.8mm，搭接率为50％。
实施效果
本实施例所得到的熔覆层由晶体相和非晶相组成，由jade软件进行拟合，得到熔覆层非晶含量为64.1％；熔覆层的顶部是由细小的等轴枝晶和无明显衬底的非晶相组成；熔覆层区域显微硬度最高可达720HV0.1，是基体的4倍左右。在3.5wt％氯化钠溶液中进行的湿摩擦实验中镍铝青铜基体的平均摩擦系数为0.561，所得熔覆层的平均摩擦系数为0.44，耐磨性较基体显著提高。在3.5wt％氯化钠溶液中进行极化测试所得的镍铝青铜基体的自腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-0.657V和116μA/cm2，所得复合涂层的自腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-0.621V和42.81μA/cm2。
实施例4
本实例涉及一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层及其制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将镍铝青铜表面进行打磨去除氧化膜及油污，用丙酮溶液进行超声清洗10min，然后冷风吹干。
(2)将准备好的镍铝青铜置于干燥箱中100℃条件下干燥30min；非晶雾化粉末置于干燥箱中100℃干燥60min；之后将干燥后的非晶粉末与酒精调至粘稠状均匀地预置在镍铝青铜表面并自然风干，其厚度为1mm。
(3)用高能激光束对预置非晶雾化粉末的基体表面进行激光熔覆制备铜基非晶/晶体复合涂层，工艺参数为：激光束垂直于工件扫描，同时吹送氩气保护，气流量为15L/min，激光功率为600W，扫描速度为5mm/s，光斑直径为0.8mm，搭接率为50％。
实施效果
本实施例所得到的熔覆层由晶体相和非晶相组成，由jade软件进行拟合，得到熔覆层非晶含量为39.09％；熔覆层的顶部是由细小的等轴枝晶和少量无明显衬底的非晶相组成；熔覆层区域显微硬度最高可达420HV0.1，是基体的2.3倍左右。在3.5wt％氯化钠溶液中进行的湿摩擦实验中镍铝青铜基体的平均摩擦系数为0.561，所得熔覆层的平均摩擦系数为0.519，耐磨性较基体显著提高。在3.5wt％氯化钠溶液中进行极化测试所得的镍铝青铜基体的自腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-0.657V和116μA/cm2，所得复合涂层的自腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-0.643V和52.34μA/cm2。
对比例1
本实例涉及一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层及其制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将镍铝青铜表面进行打磨去除氧化膜及油污，用丙酮溶液进行超声清洗10min，然后冷风吹干。
(2)将准备好的镍铝青铜置于干燥箱中100℃条件下干燥30min；非晶雾化粉末置于干燥箱中100℃干燥60min；之后将干燥后的非晶粉末与酒精调至粘稠状均匀地预置在镍铝青铜表面并自然风干，其厚度为1mm。
(3)用高能激光束对预置非晶雾化粉末的基体表面进行激光熔覆制备铜基非晶/晶体复合涂层，工艺参数为：激光束垂直于工件扫描，同时吹送氩气保护，气流量为15L/min，激光功率为600W，扫描速度为25mm/s，光斑直径为0.8mm，搭接率为50％。
实施效果
本实施例所得到的熔覆层不连续，表面起球严重，无法进行后续性能表征与测试。也说明扫描速度过快导致熔覆材料熔不透，容易出现起球现象。
对比例2
本实例涉及一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层及其制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将镍铝青铜表面进行打磨去除氧化膜及油污，用丙酮溶液进行超声清洗10min，然后冷风吹干。
(2)将准备好的镍铝青铜置于干燥箱中100℃条件下干燥30min；非晶雾化粉末置于干燥箱中100℃干燥60min；之后将干燥后的非晶粉末与酒精调至粘稠状均匀地预置在镍铝青铜表面并自然风干，其厚度为1mm。
(3)用高能激光束对预置非晶雾化粉末的基体表面进行激光熔覆制备铜基非晶/晶体复合涂层，工艺参数为：激光束垂直于工件扫描，同时吹送氩气保护，气流量为15L/min，激光功率为800W，扫描速度为20mm/s，光斑直径为0.8mm，搭接率为50％。
实施效果
本实施例所得到的熔覆层区域显微硬度为350HV0.1，在3.5wt％氯化钠溶液中进行的湿摩擦实验中镍铝青铜基体的平均摩擦系数为0.561，所得熔覆层的平均摩擦系数为0.785，耐磨性较基体显著下降。在3.5wt％氯化钠溶液中进行极化测试所得的镍铝青铜基体的自腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-0.657V和116μA/cm2，所得复合涂层的自腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-0.627V和62.79μA/cm2。也说明激光功率太高，导致稀释率变大，从而达不到改善的效果。

Claims (10)

1.一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层，其特征在于：所述非晶复合涂层为Cu45Zr47Al8合金涂层，其中非晶相的含量≥39％。
2.根据权利要求1所述的一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层，其特征在于：所述非晶复合涂层中，非晶相的含量≥62％。
3.根据权利要求1所述的一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层，其特征在于：所述非晶复合涂层的厚度为0.4-0.8mm。
4.制备如权利要求1～3所述的一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：将雾化Cu45Zr47Al8合金粉与酒精混合，然后涂覆于镍铝青铜表面，采用激光束对其进行激光熔覆，即获得镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层。
5.根据权利要求4所述的一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述雾化Cu45Zr47Al8合金粉为非晶态，粉末形状为球形，粒径为10-40μm。
6.根据权利要求4所述的一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述镍铝青铜按质量百分比计包含如下成份：铝9.65wt％，镍
4.57wt％，铁5.52wt％，锰0.93wt％，铜79.33wt％。
7.根据权利要求4所述的一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆过程中，激光功率为600W-800W，扫描速度为5mm/s-25mm/s。
8.根据权利要求4所述的一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆过程中，采用氩气保护，控制气流量为14-16L/min。
9.根据权利要求4所述的一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层的制备方法，其特征在于：所述激光熔覆过程中，搭接率为40-60％。
10.根据权利要求4所述的一种镍铝青铜表面熔覆非晶复合涂层的制备方法，其特征在于：所述激光熔覆过程中，光斑直径为0.7-0.9mm。
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