CN115679148A - 一种激光制造应用于大型船用螺旋桨的耐磨耐蚀强化材料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于国际专利分类表中的C23C24/10(2006.01)I技术领域，涉及一种应用于激光制造海洋环境中大型船用螺旋桨的高强耐磨耐蚀材料。该材料粉末组成包括有Cu、Al、Mn、Fe、Zn、TiC、NbC，其中各组分质量百分比为：Al：9‑11%；Mn：0.5~1.5%；Si：0.05~0.1%；Fe：3~5%；Zn：1~3.5%；TiC：0.1~1.5%；NbC：0.1~1.5%；Cu：余量。这种高强耐磨耐蚀材料是在普遍应用的镍铝青铜材料的基础上，通过激光熔覆手段实现表面处理，该材料在解决传统问题的有害β′相析出的基础上，又进一步通过激光熔覆快速冷却的方式向组织中复合添加特定成分的TiC、NbC增强相增加其材料整体强度及耐磨性能。
Description
技术领域
本发明属于国际专利分类表中的C23C24/10(2006.01)I技术领域，涉及一种应用于激光制造海洋环境中大型船用螺旋桨的高强耐磨耐蚀材料。
背景技术
在地球70%的海洋环境中，船舶是其不可缺少的交通工具。船舶在货运、旅游和客运中起到关键性作用。舰船能够行驶是靠涡轮机或者螺旋桨驱动的，因而螺旋桨是船舰中至关重要的部件，决定着推进器的效率、运行稳定性、寿命和制造成本。世界上几乎所有的大型螺旋桨都是由镍铝青铜铸造的，铝青铜的海水腐蚀疲劳强度及抗拉强度比锰黄铜高，该材料具有优良的综合性能，非常适合应用于螺旋桨的制造。但是由于该合金铝含量较高，所以熔炼浇注时易氧化，而且吸气特征显著，镍铝青铜合金的铝含量较高，浇注过程中易形成 Al2O3 氧化夹杂这也是导致铸造大型船舰螺旋桨困难的原因。更重要的是，在船用螺旋桨服役过程中这种氧化夹杂会造成使用寿命较短，通常只有4-6个月。
并且近年来大量的文献已经论证，铝青铜合金作为船舰螺旋桨的材料只是综合考虑了大型备件的铸造性能、使用性能和经济性，其并不是耐海水腐蚀、抗空泡腐蚀性能等性能最适用的材料，但无奈受到机械加工手段的受限，目前行业内不能选择性能更优的单一铸造成型材料。
考虑诸多因素，增减材复合制造螺旋桨是解决铸造螺旋桨的问题最佳方法，将螺旋桨对制造工艺、强度等力学性能的需求和对于耐蚀性能、抗空泡腐蚀的需求分离考虑，各个击破，最后通过复合制造工艺再统一起来，这样在解决铸造问题的同时实现螺旋桨工作表面高性能材料的制备。
目前主要表面强化方式为热喷涂和电镀。喷涂和电镀涂层界面结合强度和致密度都难以满足螺旋桨有空泡腐蚀下的长久工作。电镀涂层受合金成分和厚度的限制难以同时满足螺旋桨对防污及抗气蚀性能的需求。热喷涂合金材料制备的涂层厚度受限，同时热喷涂的涂层不可避免的存在孔隙致密性差且氧含量高这都会破坏涂层的性能。
近年来，激光熔覆技术作为一种先进的制造技术，利用激光束聚集能量极高的特点，瞬间将具有特殊物理、化学或力学性能的合金粉（在基材表面预置或与激光同步自动送置）完全熔化，同时基材部分熔化，形成一种新的复合型材料，激光束扫描后快速凝固，获得与基体冶金结合的致密熔覆层，以达到特定的强化目的。
大型船用螺旋桨的工况条件虽然是应用在具有一定浓度的又有一定腐蚀性的液体中服役，但是单单只考虑耐腐蚀性能是远远不够的，这是因为传统意义上的静态耐腐蚀性能和在这种高流速海水环境下服役所需要体现出来的耐腐蚀性能完全不一样。高流速海水环境下的耐腐蚀性能会更多的考虑到材料的整体强度、疲劳性能、抗空泡腐蚀能力等，需要基体具有足够的强度、耐冲击性能，并且在表面能够足以抵抗海洋环境腐蚀的1+1>2的复杂服役环境。这个问题如果运用传统材料学去寻找一种单一材料铸造制备是具有极大难度的，所以亟待需要通过复合制造手段完成。
本发明就是从这个出发点，通过兼顾基体材料的整体强度，抗冲击强韧性，耐疲劳性能，以及在表面通过激光熔覆手段进行表面功能强化，添加如同铸造手段难以实现的耐腐蚀元素成分，并进行后热处理使得激光与基体材质的结合界面进行充分的元素扩散以及消应力处理，从而得到一种新型的适用于激光复合制造的大型船用螺旋桨的激光复合制造耐磨耐腐蚀强化材料。关于颗粒增强铜合金的科学研究并不是很多，所以本专利兼顾考虑上述几个方面，采用激光熔覆快冷方式增强表面并使用TiC、NbC硬质增强相来制备铝青铜，复合成型具有价值性和潜力的新型高强耐磨耐蚀材料，以期可以有效推动增材制造技术的进步。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种应用于激光制造海洋环境中大型船用螺旋桨的高强耐磨耐蚀材料。这种高强耐磨耐蚀材料是在普遍应用的镍铝青铜材料的基础上，通过激光熔覆手段实现表面处理，与以往耐磨耐蚀材料不同的是，该材料在解决传统问题的有害β′相析出的基础上，又进一步通过激光熔覆快速冷却的方式向组织中复合添加特定成分的TiC、NbC增强相增加其材料整体强度及耐磨性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种应用于激光制造海洋环境中大型船用螺旋桨的高强耐磨耐蚀材料，该材料粉末组成包括有Cu、Al、Mn、Fe、Zn、TiC、NbC，其中各组分质量百分比为：
Al：9-11%；Mn：0.5~1.5%；Si：0.05~0.1%；Fe：3~5%；Zn：1~3.5%；TiC：0.1~1.5%；NbC：0.1~1.5%；Cu：余量。
进一步地，所述材料粉末是通过真空熔炼、真空气雾化、筛选等工序制备，粒度为－150—+325目。
进一步地，所述材料粉末适用于全固态固体激光器，在应用所述粉末材料的熔覆工艺参数是：功率：700~1850W，光斑直径：1.8~3.8mm，扫描速度：25~50mm/s，置粉厚度：0.4~0.8mm。
本发明通过激光熔覆方式向镍铝青铜粉体材料中复合添加TiC和NbC硬质强化相，使得添加的硬质相弥散均匀分布在基体的金相组织中，进行质点强化，增加位错接触面积，在晶界处造成钉扎效应，从而增强基体的整体强度；并且由于添加的硬质相比重轻，总体积分数较大，在金相组织中的表面积较大，又进一步提升了材料的耐磨性能。此外，由于镍铝青铜材料在传统铸造手段里“缓冷脆性”导致材料性能恶化的情况发生，特别时耐蚀性能，在“缓冷脆性”过程中析出的β′相极易腐蚀，会降低镍铝青铜的耐蚀性能——所以通过激光熔覆手段进行快冷熔覆，规避了镍铝青铜的“缓冷脆性”，抑制了β相因为缓冷而引起的共析转变，防止发生脆化现象，最大程度上减少了有害相β′相的存在，提升了镍铝青铜的整体耐蚀性。除此之外，通过选择基体强化相的种类、设计各元素的百分比含量，使合金粉末获得优越的综合性能，从而实现了合金在具有较高的强度、耐磨性能的同时，又优化改善了自身有害相的转变，并且激光熔覆成型方式使粉体材料与基材形成致密的冶金结合层，完全满足大型穿用螺旋桨服役情况的使用要求。然而这种材料成分几乎不具备铸造性能，并且由于船用螺旋桨对表面材料的致密度要求较高，并且需要具备一定功能层厚度，所以热喷涂和电镀方式都不适合。但激光熔覆方式则可以很好的解决这个问题，所以通过工况分析研制出了一种适用于大型船用螺旋桨的激光复合高强耐磨耐蚀材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下。
（1）激光熔覆的快冷手段，规避了镍铝青铜的“缓冷脆性”，抑制了β相因为缓冷而引起的共析转变，防止发生脆化现象，保障提升了铝青铜合金的力学性能及耐蚀性。
（2）由金属间陶瓷颗粒的特性即密度普遍较低、但拥有较高的硬度和强度，导致了如果将其和铜合金结合，不仅能够得到密度相对更低的成型件，而且成型件的综合力学性能还能得到提升。本专利选用的TiC和NbC硬质相拥有着较高的硬度并且密度较低，以及热力学稳定性较好，这保证了复合成型件的成型质量与综合力学性能。
（3）通过添加两种硬质相强化，提高该合金粉末激光熔覆后的强度及耐磨性能，熔覆层内部致密度高，界面冶金结合性能良好，进而提高产品的整体使用寿命。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种应用于激光制造海洋环境中大型船用螺旋桨的高强耐磨耐蚀材料，该材料粉末组成包括有Cu、Al、Mn、Fe、Zn、TiC、NbC，其中各组分质量百分比为：
Al：9-11%；Mn：0.5~1.5%；Si：0.05~0.1%；Fe：3~5%；Zn：1~3.5%；TiC：0.1~1.5%；NbC：0.1~1.5%；Cu：余量。
进一步地，所述材料粉末是通过真空熔炼、真空气雾化、筛选等工序制备，粒度为－150—+325目。
进一步地，所述材料粉末适用于全固态固体激光器，在应用所述粉末材料的熔覆工艺参数是：功率：700~1850W，光斑直径：1.8~3.8mm，扫描速度：25~50mm/s，置粉厚度：0.4~0.8mm。
实施例1。
青岛某船厂的实船应用过程中，经常出现表面存在腐蚀尺寸缺失等情况，这种尺寸缺失严重时会形成中度钙质污损，会对推进效率产生消极影响。
使用本专利应用方法进行激光熔覆制造后，其中激光熔覆参数为：功率：1150W，光斑直径：1.9mm，扫描速度：25mm/s，置粉厚度：0.5mm，使用粒度是160目的该粉末进行熔覆，成分为：Al：10%；Mn：0.5%；Si：0.05%；Fe：3%；Zn：1.5%；TiC：1.5%；NbC：1.5%；Cu：余量。
通过适当的熔覆工艺设计后恢复原有设计要求的尺寸和精度。上机在实际工况下服役，使用时间到14个月后，熔覆层几乎没有观察到表面存在腐蚀情况，也没有肉眼可以观察到的尺寸缺失。也就是证明该材料的设计完全符合设计指标，而且使用寿命，得到了大幅度提高。
实施例2。
浙江某船厂的实船应用过程中，经常出现表面存在腐蚀尺寸缺失等情况，并且短周期内存在藤壶、管虫等污损海生物，严重时会形成中度钙质污损；这些情况都会对推进效率产生影响。
使用该材料进行激光熔覆。激光熔覆参数为功率：1350W，光斑直径：1.8mm，扫描速度：30mm/s，置粉厚度：0.5mm，使用粒度是160目的该粉末进行熔覆，成分为：Al：9%；Mn：0.5%；Si:0.05%；Fe：5%；Zn：3.5%；TiC：1.5%；NbC：1.5%；Cu：余量。
通过适当的熔覆工艺设计后恢复原有设计要求的尺寸和精度。上机在实际工况下服役，使用时间到16个月后，熔覆层几乎没有观察到表面存在腐蚀情况，也没有肉眼可以观察到的尺寸缺失，未见任何污损海生物，涂层整体非常完整。也就是证明该材料的设计完全符合设计指标，而且使用寿命，得到了大幅度提高。
Claims (3)
1.一种应用于激光制造海洋环境中大型船用螺旋桨的高强耐磨耐蚀材料，其特征在于，该材料粉末组成包括Cu、Al、Mn、Fe、Zn、TiC、NbC，其中各组分质量百分比为：
Al：9-11%；Mn：0.5~1.5%；Si：0.05~0.1%；Fe：3~5%；Zn：1~3.5%；TiC：0.1~1.5%；NbC：0.1~1.5%；Cu：余量。
2.如权利要求1所述的一种应用于激光制造海洋环境中大型船用螺旋桨的高强耐磨耐蚀材料，其特征在于，所述材料粉末是通过真空熔炼、真空气雾化、筛选等工序制备，粒度为－150—+325目。
3.如权利要求1所述的一种应用于激光制造海洋环境中大型船用螺旋桨的高强耐磨耐蚀材料，其特征在于，所述材料粉末适用于全固态固体激光器，在应用所述粉末材料的熔覆工艺参数是：功率：700~1850W，光斑直径：1.8~3.8mm，扫描速度：25~50mm/s，置粉厚度：0.4~0.8mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230203 |