CN114250462B - 一种用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的合金熔覆层的制备方法 - Google Patents

一种用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的合金熔覆层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的合金熔覆层的制备方法。碳化物陶瓷颗粒合金材料的原料包括按质量分计的以下组分：Cr:18‑22 wt.%；Ti:16‑24wt.%；Al:8‑12wt.%；Si:0.5‑3wt.%；其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%；Ni:余量；WC:10‑15wt.%。待Ni和Cr完全熔化后加入Al、Si和Ti，将熔融的合金粉末保温得到熔融的合金溶液；雾化制粉得到Ni‑Cr‑Ti‑Al‑Si合金粉末材料；将合金粉末与WC颗粒置于行星式球磨机中球磨混匀，球磨完成后进行筛分，得到熔覆用粉末材料；采用多道搭接熔覆的方法制备熔覆层。本发明能有效改善海洋全浸区钢结构件因腐蚀、磨损导致的均匀腐蚀和局部腐蚀问题。

Description

一种用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的合金熔覆 层的制备方法
技术领域
本发明涉及腐蚀与磨损防护技术、表面工程技术、金属材料技术领域，具体涉及一种用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的合金熔覆层的制备方法。
背景技术
随着国家“海洋强国战略”的提出，海上风电开发作为其重要组成部分，不断取得了突破性进展和创新性成果。然而随着海上风电由近海向深远海的进一步发展及国家对可再生能源发电电价补贴“退坡”政策的加快推进，海上风电行业面临着全新的挑战，技术创新和降本增效迫在眉睫。据估算，海上风电场后期运维费用是建设费用的7倍，其中由于材料、构件腐蚀磨损造成的损失比较严重。因此，提高深远海风电场关键构件的腐蚀防护寿命，对降低风电场成本、提高风电场效益具有重要意义。
相比于内陆，海洋是非常严酷且复杂的腐蚀环境。海水中的溶解氧量、海浪冲击、干湿交替、日照时长、泥沙冲击、生物附着等因素都会加速钢结构的腐蚀，同时腐蚀程度还受到海水含盐量、pH值、Cl-离子浓度、温度变化等诸多因素的共同影响。因此海洋工程的防腐问题应当引起高度重视。然而目前海上风电工程基础设施以及风机的防腐措施主要来自于海上石油平台、破冰船以及海底管线等方面的防腐蚀经验，针对海上风电腐蚀与防护的研究还很少，相关经验较为匮乏。
海洋全浸区是指常年被海水浸没，直至海洋泥土表层的部分。由于高浓度Cl-离子的存在，钢材很难钝化，即使是不锈钢，其钝化膜稳定性也会下降，极易发生点蚀。全浸区平均腐蚀速率一般可达0.05-0.13mm/a，最大腐蚀速率可达平均值的2-3倍。由于全浸区的浅层水域存在海上漂浮物冲刷撞击、生物污染和化学玷污等现象，同时含氧量大、温度高，因此浅层水域腐蚀性更强，腐蚀速率更快。
目前全浸区采用涂料和阴极保护联合防腐技术。使用的必须是不透性涂料并且具有良好的耐电性和耐碱性。涂料一般采用底漆+中间漆+面漆的组合方式，涂料的类型主要是水性无机富锌漆（40μm左右），环氧树脂漆（300μm左右）和氯化橡胶漆（20μm左右）。防腐蚀涂料虽然施工简单，但是局限性较大：（1）结合强度不高。涂料在泥砂长期冲刷和撞击等条件下易剥落，失去防护效果；（2）易造成局部腐蚀，安全隐患大。在海水全浸区由于涂层电绝缘性差，阴极保护易产生过保护现象，涂层在过保护下析氢和碱性降解的破坏下易剥离、起泡从而造成局部腐蚀，降低整体防腐蚀效果；（3）难以解决生物污损问题。涂层需要达到对环境无毒害的要求，但是海生物易附着在涂层表面从而产生污损破坏现象。因此，当前针对海洋全浸区的涂料和阴极保护联合防腐技术中，涂料难以满足防腐需求，难以为阴极保护技术保驾护航。
为解决海洋全浸区钢结构的长效腐蚀防护问题，利用高速激光熔覆技术在钢结构表面制备具有良好冶金结合的耐磨耐蚀熔覆层，大幅度提升钢结构的耐磨耐蚀寿命，达到降本增效的目的。高速激光熔覆技术是当前世界上最先进的熔覆层制备技术之一，该技术具有能量密度高、稀释度低、工件热变形小等特点，能够在不影响结构件本身力学性能的前提下，大幅度提升结构件表面性能。利用激光熔覆技术制备的熔覆层组织致密，内部气孔裂纹数量少，与基体呈冶金结合，结合强度远远大于涂层，可有效解决涂层在遭受撞击时易磨损剥落的问题。同时熔覆层利用细晶强化原理、合金化原理、固溶强化原理及第二相颗粒弥散强化原理，大幅度提升钢构件表面硬度及耐海水腐蚀性能，从而有效解决防腐蚀涂层易剥落、易磨损、易局部腐蚀的难题，辅助阴极保护技术，可实现海上全浸区钢结构件的长效防护。
目前全浸区采用涂料和阴极保护联合防腐技术。使用的必须是不透性涂料并且具有良好的耐电性和耐碱性。涂料一般采用底漆+中间漆+面漆的组合方式，涂料的类型主要是水性无机富锌漆（40μm左右），环氧树脂漆（300μm左右）和氯化橡胶漆（20μm左右）。防腐蚀涂料虽然施工简单，但是局限性较大：（1）结合强度不高。涂料在泥砂长期冲刷和撞击等条件下易剥落，失去防护效果；（2）易造成局部腐蚀，安全隐患大。在海水全浸区由于涂层电绝缘性差，阴极保护易产生过保护现象，涂层在过保护下析氢和碱性降解的破坏下易剥离、起泡从而造成局部腐蚀，降低整体防腐蚀效果；（3）难以解决生物污损问题。涂层需要达到对环境无毒害的要求，但是海生物易附着在涂层表面从而产生污损破坏现象。因此，当前针对海洋全浸区的涂料和阴极保护联合防腐技术中，涂料难以满足防腐需求，难以为阴极保护技术保驾护航。
发明内容
本发明提供一种用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的合金熔覆层的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的碳化物陶瓷颗粒合金材料，
碳化物陶瓷颗粒合金材料原料（也叫熔覆用粉末材料，熔覆用粉末材料是由合金粉末材料和WC颗粒两部分组成，合金粉末材料是使用雾化制粉获得的，而熔覆用粉末材料是把雾化制粉后的材料和WC颗粒在球磨机中球磨混匀获得的）中包括合金粉末、WC颗粒（碳化钨颗粒）；
碳化物陶瓷颗粒合金材料的原料包括按质量分计的以下组分：
Cr: 18-22 wt.%； Ti: 16-24wt.%； Al: 8-12wt.%； Si: 0.5-3wt.%；其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%；Ni:余量；
WC：10-15wt.%。
优选地，WC粒度要求200-400目。
优选地，所述碳化物陶瓷颗粒合金材料原料中Ti与Al的质量比控制在1.8-3范围内，如果Ti与Al的质量比高于3，会降低熔覆层的强度。
优选地，所述合金粉末的原料中Si元素含量小于等于3wt%。实验表明过量的Si（>3wt%）会造成熔覆层样品出现较大的贯穿性裂纹。
所述的碳化物陶瓷颗粒合金材料用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的镍铬系合金熔覆层的制备方法，所述合金粉末的制备包括以下步骤：
（1）合金粉末的熔炼：先将金属粉末Ni置于真空中频感应炉中加热，待Ni完全熔化后加入Cr，，待Ni和Cr完全熔化后加入Al、Si和Ti，将熔融的合金粉末保温得到熔融的合金溶液；在熔炼合金粉末时，只加入金属粉末，不加入WC颗粒；
（2）雾化制粉：利用氮气保护雾化制粉技术制备合金粉末材料，所需雾化介质为氮气，将上述步骤（1）中熔融的合金溶液倒入雾化快速冷凝装置的坩埚中，利用该装置进行雾化制粉，得到Ni-Cr-Ti-Al-Si合金粉末材料；
（3）筛分得成品合金粉末材料：将步骤（2）制备的Ni-Cr-Ti-Al-Si合金粉末材料进行筛分，其粒度在200-400目范围内，得到合金粉末。
优选地，所述步骤（1）合金粉末的熔炼过程中，先将金属粉末Ni置于真空中频感应炉中加热，待Ni完全熔化后加入Cr，这两种元素呈现熔融状态后才加入其他合金元素。
优选地，所述步骤（1）合金粉末的熔炼过程中，将熔融的合金粉末在1100℃-1300℃温度下保温30-60min；所述步骤（2）雾化制粉中：熔融的合金溶液流动速率为0.6kg/min-1kg/min。
进一步优选地，所述镍铬系合金熔覆层的制备方法包括以下步骤：
S1：将合金粉末与WC颗粒置于行星式球磨机中球磨混匀，球磨完成后进行筛分，其粒度在200-400目范围内，得到熔覆用粉末材料；
S2：光纤激光器作为熔覆用热源，使用气动同步送粉器进行送熔覆用粉末材料，送粉器使用氮气进行送熔覆用粉末材料，使用氩气对熔池进行保护；
S3：采用多道搭接熔覆的方法制备熔覆层。
更进一步优选地，所述步骤S1中，球磨机转速为150r/min-200r/min，球磨时间为10h-12h；筛分粒度为200-400目。
更进一步优选地，所述步骤S2中，选用功率3-4kW的高功率光纤激光器作为熔覆用热源，激光束焦点光斑为1.5-3.5mm，使用气动同步送粉器进行送熔覆用粉末材料，送粉量为1.5-5kg/h，送粉器使用氮气进行送熔覆用粉末材料，送气量为12-24L/min，使用氩气对熔池进行保护，送气量为10-20L/min；
更进一步优选地，所述步骤S3：激光束与工件的相对速度为4-22cm/s，采用多道搭接熔覆的方法制备熔覆层，单次熔覆时，相邻两道熔覆层的搭接率为40-60％，单层熔覆所形成熔覆层厚度可在200-1000μm范围内选择。
本发明有益效果如下：
海洋全浸区、钢结构件、耐海水腐蚀、耐泥沙冲蚀、耐磨耐蚀、高结合强度、激光熔覆层、制备工艺参数优化。
本发明的目的是有效解决海洋全浸区钢结构件因海水冲蚀、泥沙磨损导致的均匀腐蚀及局部腐蚀等问题。
本发明提供了一种用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的碳化物陶瓷颗粒增强镍铬系合金熔覆层的制备方法。利用激光熔覆技术，在钢结构表面制备耐磨耐蚀熔覆层，通过多层搭接工艺，所制备的熔覆层厚度在300-1600μm范围内可调。熔覆层与基体的结合强度明显高于涂层，熔覆层的耐磨耐蚀性能显著优于钢板和传统防腐涂料。本发明能有效改善海洋全浸区钢结构件因为腐蚀、磨损导致的均匀腐蚀和局部腐蚀问题。
本发明利用激光熔覆技术，在服役环境为海洋全浸区的钢结构件表面制备耐磨耐蚀熔覆层，熔覆层成分均匀与基体呈冶金结合。本发明能解决由于防腐涂料与基体结合强度低、易脱落带来的腐蚀问题，能有效提高钢结构件的耐蚀与耐磨性能，降低其年腐蚀速率及局部点腐蚀倾向，从而显著提高钢结构件的安全性能，降低后期运行维护费用。
在熔覆用粉末材料中，陶瓷颗粒及各金属元素的具体作用如下：（1）WC陶瓷颗粒化学性质稳定，硬度很高，与金刚石相近，是电和热的良好导体。在熔覆用粉末材料中加入适量WC颗粒，可有效提高熔覆层的整体硬度，提高熔覆层的耐磨性能。（2）Ni的熔点较低，能够改善基体和熔覆层之间的润湿性，降低热膨胀系数，减少熔覆层中裂纹和孔洞的出现，降低局部腐蚀的可能性。（3）Cr的加入可以与Ni形成(Ni,Cr)ss固溶体，降低熔覆层的电极电位，提高熔覆层耐晶间腐蚀能力，同时Cr本身易钝化，成膜能力强，在腐蚀环境中可以形成极薄的钝化膜，提高熔覆层的耐均匀腐蚀能力。（4）Ti的加入，一方面是提高形核率，降低晶粒尺寸，细化熔覆层中的固溶体组织和网络状组织，利用细晶强化原理提高熔覆层的硬度；另一方面是当Ti与Al的质量比在1.8-3范围内时，Ti与Al会沿着网络状组织与固溶体相的晶界形成稳定的中间相Al3Ti，利用第二相强化原理，提高熔覆层的硬度；最后一方面是Ti的加入能降低WC的脆性，减少熔覆层出现裂纹的可能性。（5）Si的加入，一方面作为脱氧剂，提高熔覆层的流动性和成渣能力，降低熔覆层孔洞数量，在制备工艺角度优化熔覆层性能；另一方面元素Si在发生严重腐蚀时，易形成硅酸盐，通过吸附机制成膜，保护基体材料不受到进一步的腐蚀。所述合金粉末的原料中Si元素含量小于等于3wt%。实验表明过量的Si（>3wt%）会造成熔覆层样品出现较大的贯穿性裂纹。
如上所述，利用激光熔覆技术形成的WC陶瓷颗粒增强镍铬系激光熔覆层，具有基体组织结构成分均匀，陶瓷颗粒分布规律无团聚的特点。该方法与不添加WC陶瓷颗粒的熔覆层相比，优点是WC颗粒明显提高了熔覆层的耐磨性能，能实现海洋全浸区钢结构件在泥沙冲蚀和海水冲刷条件下的耐磨耐蚀防护。
本发明的具体有益效果为：
（1）提出碳化钨陶瓷颗粒增强镍铬系合金熔覆层的成分设计方案，该成分设计能在工艺角度上实现熔覆层的制备，制备的熔覆层组织均匀，无明显孔洞和裂纹，解决了外加颗粒引起熔覆层裂纹增多的难题；（2）制备的熔覆层具有较高的硬度，能抵抗海水冲刷、泥沙冲蚀对钢结构件的磨损；具有较高的开路电位，能提高钢结构件的耐海水腐蚀性能；具有较高的结合强度，能解决普通涂料涂层和热喷涂涂层在外力作用下出现的涂层脱落、局部腐蚀等问题。
附图说明
图1为实施例1中的碳化钨陶瓷颗粒增强镍铬系合金熔覆层的截面的微观组织结构图。
图2为实施例1中的碳化钨物陶瓷颗粒增强镍铬系合金熔覆层的硬度变化曲线。
图3为实施例1中碳化钨物陶瓷颗粒增强镍铬系合金熔覆层压缩试验的位移-力曲线。
图4为实施例3中的碳化钨物陶瓷颗粒增强镍铬系合金熔覆层的硬度变化曲线。
图5为实施例4中的碳化钨陶瓷颗粒增强镍铬系合金熔覆层经显色剂处理后的实物图。
图6为实施例5中的碳化钨陶瓷颗粒增强镍铬系合金熔覆层的表面实物图。
图7为实施例5中的碳化钨陶瓷颗粒增强镍铬系合金熔覆层的表面经过显色剂处理后的照片。
实施例1深远海风电场钢管桩基础表面碳化物陶瓷颗粒增强镍铬系合金耐磨耐蚀熔覆层的制备方法。
一、熔覆用粉末材料的成分设计与制备
1、 合金粉末材料的成分设计：
粉末材料中各金属粉末及陶瓷颗粒的质量百分数如下：
Cr: 20wt.%； Ti: 20wt.%； Al: 10wt.%； Si: 1wt.%； WC: 10wt.%；Ni:余量；其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%；WC粒度要求200-400目。
2、 合金粉末材料的制备
（1）合金粉末的熔炼
将金属粉末Ni、Cr、Ti、Al、Si及陶瓷颗粒WC按照以下质量分数配比：Cr: 20wt.%；Ti: 20wt.%； Al: 10wt.%； Si: 1wt.%； WC: 10wt.%； Ni:39wt.%。上述金属粉末和陶瓷颗粒的纯度均≥99.9%。先将金属粉末Ni置于真空中频感应炉中加热，待Ni完全熔化后加入Cr，待Ni和Cr完全熔化后加入Al、Si和Ti，将熔融的合金粉末在1200℃温度下保温50min。在熔炼合金粉末时，只加入金属粉末，不加入WC颗粒。
（2）雾化制粉
利用氮气保护雾化制粉技术制备合金粉末材料，所需雾化介质为氮气，合金溶液流动速率为0.8kg/min。将上述步骤（1）中熔融的合金溶液倒入雾化快速冷凝装置的坩埚中，利用该装置进行雾化制粉，得到Ni-Cr-Ti-Al-Si合金粉末材料。
（3）筛分得成品合金粉末材料
将步骤（2）制备的合金粉末材料进行筛分，其粒度在200-400目范围内。
3、 熔覆用粉末材料的制备
将步骤2合金粉末材料的制备步骤（3）中获得的成品合金粉末材料与步骤1合金粉末材料的成分设计中的WC陶瓷颗粒置于行星式球磨机中球磨混匀。球磨机转速为160r/min，球磨时间为10h。球磨完成后重复步骤2合金粉末材料的制备中的步骤（3），筛分得到熔覆用粉末材料，其粒度在200-400目范围内。
二、颗粒增强镍铬系合金熔覆层的制备方法
选用直径为6.5m的钢管桩进行熔覆，钢管桩主要为DH36材质，部分位置为DH36-Z35材质，钢管桩内外壁之间厚度为80mm。待熔覆区域为钢管桩外表面。利用高速激光熔覆技术，根据“步骤一”中所设计的具体熔覆用粉末材料成分，调整激光熔覆工艺参数，在钢管桩外表面制备碳化钨颗粒增强镍铬系合金熔覆层，具体步骤如下：
（1）利用机加工对钢管桩表面进行均匀减薄处理，减薄400μm。用丙酮对减薄后的钢管桩表面进行除油清洁处理后，将其固定在熔覆工作台上。
（2）将“一、熔覆用粉末材料的成分设计与制备”中所制备的熔覆用粉末材料装入气动送粉器的储粉容器中，采用钢管桩相对静止、激光头做相对运动、多道搭接的方式制备耐海水腐蚀熔覆层。熔覆过程中使用氩气作为保护气，送气量为17L/min；氮气作为送粉气，送气量为18L/min；使用气动同步送粉器进行送粉，送粉量为3kg/h。激光熔覆的主要参数为：光纤激光器输出功率为3kW，激光束焦点光斑直径为1.6mm，激光束焦点光斑与工件相对运动速度为11cm/s；相邻两道熔覆层的搭接率为50％，所形成熔覆层厚度约为600μm。
（3）对具有碳化钨颗粒增强镍铬系合金熔覆层的钢管桩表面进行机加工，将“二、颗粒增强镍铬系合金熔覆层的制备方法”步骤（2）中所制备的熔覆层减薄200μm，恢复钢管桩原有尺寸，并对其进行打磨直至光亮。最终钢管桩表面熔覆层的厚度为400μm。
由图1可知，在熔覆层内部及界面结合处均无明显空洞和裂纹，表明此成分设计可以在制备工艺角度实现熔覆层无明显缺陷。同时熔覆层与基体呈现良好的冶金结合，解决了传统防腐涂料与基体结合强度不高的问题。
由图2可知，熔覆层的硬度较基体材料有大幅度提高，熔覆层能明显提高基体材料的耐磨性能，解决了全浸区传统防腐涂料耐磨性差的问题。
如图3所示，最大力值为17.76kN，实验用熔覆层结合面积为1cm2，计算得熔覆层结合强度为177MPa。高结合强度保证了熔覆层在外力的作用下不容易脱落，解决了传统防腐涂料结合强度低的问题。
实施例2：跨海大桥钢管桩碳化物陶瓷颗粒增强镍铬系合金耐磨耐蚀熔覆层的制备方法
一、 熔覆用粉末材料的成分设计与制备
1、 合金粉末材料的成分设计：
粉末材料中各金属粉末及陶瓷颗粒的质量百分数如下：
Cr: 18wt.%； Ti: 16wt.%； Al: 8wt.%； Si: 2wt.%； WC: 12wt.%；Ni:余量，其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%；WC粒度要求200-400目。
2、 合金粉末材料的制备
（1）合金粉末的熔炼
将金属粉末Ni、Cr、Ti、Al、Si及陶瓷颗粒WC按照以下质量分数配比：Cr: 18wt.%；Ti: 16wt.%； Al: 8wt.%； Si: 2wt.%； WC: 12wt.%； Ni:44wt.%。上述金属粉末和陶瓷颗粒的纯度均≥99.9%。先将金属粉末Ni置于真空中频感应炉中加热，待Ni完全熔化后加入Cr，待Ni和Cr完全熔化后加入Al、Si和Ti，将熔融的合金粉末在1100℃温度下保温40min。在熔炼合金粉末时，只加入金属粉末，不加入WC颗粒。
（2）雾化制粉
利用氮气保护雾化制粉技术制备合金粉末材料，所需雾化介质为氮气，合金溶液流动速率为0.9kg/min。将上述步骤（1）中熔融的合金溶液倒入雾化快速冷凝装置的坩埚中，利用该装置进行雾化制粉，得到Ni-Cr-Ti-Al-Si合金粉末材料。
（3）筛分得成品合金粉末材料
将步骤（2）制备的合金粉末材料进行筛分，其粒度在200-400目范围内。
3、 熔覆用粉末材料的制备
将步骤（3）中的成品合金粉末材料与步骤1中的WC陶瓷颗粒置于行星式球磨机中球磨混匀。球磨机转速为200r/min，球磨时间为10h。球磨完成后重复步骤2合金粉末材料的制备中步骤（3），筛分得到熔覆用粉末材料，其粒度在200-400目范围内。
二、 颗粒增强镍铬系合金熔覆层的制备方法
待熔覆的工件为跨海大桥钢管桩基础，直径为1.6m，待熔覆区域为钢管桩外表面。利用高速激光熔覆技术，在钢管桩外表面制备碳化钨颗粒增强镍铬系合金熔覆层，具体步骤如下：
（1）利用机加工对钢管桩表面进行均匀减薄处理，减薄750μm。用丙酮和无水乙醇对减薄后的钢管桩表面进行除油清洁，并将其固定在熔覆工作台上。
（2）将“一、熔覆用粉末材料的成分设计与制备”中所制备的熔覆用粉末材料装入气动送粉器的储粉容器中，采用钢管桩相对静止、激光头做相对运动、多道搭接的方式制备耐海水腐蚀熔覆层。熔覆过程中使用氩气作为保护气，送气量为12L/min；氮气作为送粉气，送气量为15L/min；使用气动同步送粉器进行送粉，送粉量为1.5kg/h。激光熔覆的主要参数为：光纤激光器输出功率为3kW，激光束焦点光斑直径为2mm，激光束焦点光斑与工件相对运动速度为16cm/s；相邻两道熔覆层的搭接率为50％，所形成熔覆层厚度约为300μm。
（3）在相同区域重复“二、颗粒增强镍铬系合金熔覆层的制备方法”步骤（2）三次，制备出平均厚度约为900μm的耐海水腐蚀熔覆层。
（4）对“二、颗粒增强镍铬系合金熔覆层的制备方法”步骤（3）中所制备的具有碳化钨颗粒增强镍铬系合金熔覆层的钢管桩表面进行机加工处理，均匀减薄150μm同时抛光，使其达到原设计尺寸。
实施例3深远海风电场钢管桩基础表面碳化物陶瓷颗粒增强镍铬系合金耐磨耐蚀熔覆层的制备方法。（以实施例1为基础，其他相同，不同之处在于熔覆用粉末材料的成分中Ti:Al的质量比提高到9:1）
合金粉末材料的成分设计：
粉末材料中各金属粉末及陶瓷颗粒的质量百分数如下：
Cr: 20wt.%； Ti: 27wt.%； Al: 3wt.%； Si: 1wt.%； WC: 10wt.%；Ni:余量，其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%；WC粒度要求200-400目。
图4为实施例3中的碳化钨物陶瓷颗粒增强镍铬系合金熔覆层的硬度变化曲线，表明熔覆层的硬度在此成分下有下降趋势下降。
实施例4钢管表面碳化物陶瓷颗粒增强镍铬系合金耐磨耐蚀熔覆层的制备方法。（以实施例1为基础，熔覆用材料成分中其他部分相同，不同之处在于熔覆用粉末材料成分中Si的质量分数提高到5wt.%，实施例1中为1wt.%，熔覆层表面出现明显的裂纹。）
一、熔覆用粉末材料的成分设计与制备
1、合金粉末材料的成分设计：
粉末材料中各金属粉末及陶瓷颗粒的质量百分数如下：
Cr: 20wt.%； Ti: 20wt.%； Al: 10wt.%； Si: 5wt.%； WC: 10wt.%； Ni:余量，其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%；WC粒度要求200-400目。
具体熔覆过程和熔覆参数与实施例1一致。
熔覆层的制备方法与实施例1完全相同。以实施例1为基础，不同之处在于熔覆用粉末材料的成分中Si质量比提高到5wt.%。由图5可知，实验结果表明，在保证其他条件不便的前提下，将Si质量比提高到5wt.%，熔覆层表面出现了大量的裂纹，难以保证熔覆层的工艺质量。因此，从工艺的角度讲，熔覆用粉末材料成分中Si的质量分数应该控制在权利要求1范围之内。
实施例5钢板样件表面碳化物陶瓷颗粒增强镍铬系合金耐磨耐蚀熔覆层的制备方法。（以实施例1为基础，熔覆用材料成分中其他部分相同，不同之处在于熔覆用粉末材料成分中Si的质量分数提高到3.5wt.%，实施例1中为1wt.%，实施例5中熔覆层表面也出现了大量的明显的裂纹。）
一、熔覆用粉末材料的成分设计与制备
1、合金粉末材料的成分设计：
粉末材料中各金属粉末及陶瓷颗粒的质量百分数如下：
Cr: 20wt.%； Ti: 20wt.%； Al: 10wt.%； Si: 3.5wt.%； WC: 10wt.%； Ni:余量，其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%；WC粒度要求200-400目。
具体熔覆过程和熔覆参数与实施例1一致。
熔覆层的制备方法与实施例1完全相同。以实施例1为基础，不同之处在于熔覆用粉末材料的成分中Si质量比提高到3.5wt.%。由图6可知，实验结果表明，在保证其他条件不便的前提下，将Si质量比提高到3.5wt.%，熔覆层实物表面肉眼可见大量裂纹。图7为经过显色剂处理后的图6，由图7可有力的证明图6中制备的样品存在大量的裂纹。因此，从工艺的角度讲，熔覆用粉末材料成分中Si的质量分数应该控制在权利要求1范围之内。
通过上述实施例来解释本发明的技术方案，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述具体实施例才能实施。所属领域的技术人员在本发明基础上进行的任何改进，或者对本发明所选用的材料的等效替换等，均落在专利的保护范围之内。

Claims (7)

1.用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的镍铬系合金熔覆层的制备方法，其特征在于：所述镍铬系合金熔覆层采用碳化物陶瓷颗粒合金材料制得，碳化物陶瓷颗粒合金材料的原料包括按质量分数计的以下组分：
Cr: 18-22 wt.%；Ti: 16-24wt.%；Al: 8-12wt.%；Si: 0.5-3wt.%；其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%；WC:10-15wt.%；Ni:余量；
镍铬系合金熔覆层的制备方法包括以下步骤：
（1）合金粉末的熔炼：先加入Ni和Cr元素进行熔炼先将金属粉末Ni置于真空中频感应炉中加热，待Ni完全熔化后加入Cr，待Ni和Cr完全熔化后加入Al、Si和Ti，将熔融的合金粉末保温得到熔融的合金熔液；在熔炼合金粉末时，只加入金属粉末，不加入WC颗粒；
所述碳化物陶瓷颗粒合金材料原料中Ti与Al的质量比控制在1.8-3；
（2）雾化制粉：利用氮气保护雾化制粉技术制备合金粉末材料，所需雾化介质为氮气，将上述步骤（1）中熔融的合金熔液倒入雾化快速冷凝装置的坩埚中，利用该装置进行雾化制粉，得到Ni-Cr-Ti-Al-Si合金粉末材料；
（3）筛分得成品合金粉末材料：将步骤（2）制备的Ni-Cr-Ti-Al-Si合金粉末材料进行筛分，其粒度在200-400目范围内，得到合金粉末；
（4）：将合金粉末与WC颗粒置于行星式球磨机中球磨混匀，球磨完成后进行筛分，得到熔覆用粉末材料；
（5）：光纤激光器作为熔覆用热源，使用气动同步送粉器进行送熔覆用粉末材料，送粉器使用氮气进行送熔覆用粉末材料，使用氩气对熔池进行保护；
（6）：采用多道搭接熔覆的方法制备熔覆层，单次熔覆时，单层熔覆所形成熔覆层厚度在200-1000μm范围内选择。
2.根据权利要求1所述的用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的镍铬系合金熔覆层的制备方法，其特征在于：WC粒度要求200-400目。
3.根据权利要求1所述的用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的镍铬系合金熔覆层的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）合金粉末的熔炼过程中，先将金属粉末Ni置于真空中频感应炉中加热，待Ni完全熔化后加入Cr，这两种元素呈现熔融状态后才加入其他合金元素。
4.根据权利要求1所述的用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的镍铬系合金熔覆层的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）合金粉末的熔炼过程中，将熔融的合金粉末在1100℃-1300℃温度下保温30-60min；所述步骤（2）雾化制粉中：熔融的合金熔液流动速率为0.6kg/min-1kg/min。
5.根据权利要求1所述的用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的镍铬系合金熔覆层的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，球磨机转速为150r/min-200r/min，球磨时间为10h-12h；筛分粒度为200-400目。
6.根据权利要求1所述的用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的镍铬系合金熔覆层的制备方法，其特征在于：
所述步骤（5）中，选用功率3-4kW的高功率光纤激光器作为熔覆用热源，激光束焦点光斑为1.5-3.5mm，使用气动同步送粉器进行送熔覆用粉末材料，送粉量为1.5-5kg/h，送粉器使用氮气进行送熔覆用粉末材料，送气量为12-24L/min，使用氩气对熔池进行保护，送气量为10-20L/min。
7.根据权利要求1所述的用于提高海洋全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的镍铬系合金熔覆层的制备方法，其特征在于：
所述步骤（6）：激光束与工件的相对速度为4-22cm/s，采用多道搭接熔覆的方法制备熔覆层，单次熔覆时，相邻两道熔覆层的搭接率为40-60%。
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