一種耐蝕的CuAlFeNi激光熔覆涂層材料及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】一種耐蝕的CuAlFeNi激光熔覆涂層材料及其制備方法屬于表面涂層領(lǐng)域。制備能提高表面耐蝕性能的銅合金球形粉末，其質(zhì)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。采用波長(zhǎng)為800nm-10.6μm連續(xù)激光熱源制備CuAlFeNi熔覆涂層，激光功率為1500-2500W，掃描速度為180-600mm/min，離焦20-30mm，搭接率30-60％，熔覆過(guò)程氬氣保護(hù)氣流量為10-15L/min，送粉速率15-40g/min。采用此種工藝，獲得一定厚度的熔覆涂層，冶金質(zhì)量良好，組織分布均勻且耐蝕性能優(yōu)異。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種耐蝕的CuAIFeNi激光熔覆涂層材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及制備銅合金材料領(lǐng)域，尤其涉及銅合金的耐海水腐蝕材料體系和金屬表面激光熔覆涂層的方法。

【背景技術(shù)】
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[0002]銅合金具有良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能和耐腐蝕性能，摩擦系數(shù)較小，且具有較高的強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工及汽車(chē)等工業(yè)中。鋁銅合金具有良好的耐海水腐蝕和抗海洋生物附著能力，可用來(lái)制造耐腐蝕零件，如螺旋槳、閥門(mén)、管道，在海洋工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是鋁青銅合金作為一些耐磨零件和耐蝕零件時(shí)，因磨損與腐蝕失效帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失是相當(dāng)嚴(yán)重的。對(duì)于工業(yè)中使用的銅合金器件，為保證其具備良好的減摩、耐腐蝕等性能，常規(guī)工藝均采用整體成形方法加工銅合金零件，銅合金消耗大，成本高，而零件的失效經(jīng)常發(fā)生在表面。因此，我們可在機(jī)械零件表面激光熔覆一定厚度的銅合金涂層，以代替整體銅合金零件。激光熔覆是一個(gè)非平衡態(tài)的快速冷卻過(guò)程，在凝固組織中能形成大量過(guò)飽和固溶體、介穩(wěn)相及析出新相并細(xì)化組織，并與基體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，可得到綜合性能良好的涂層。
[0003]以鋁為主要添加元素的銅合金粉末，一般形成以α相為基體相，具有良好的力學(xué)性能和塑形變形能力。少量的鐵、鈦、鉻可以阻止相變重結(jié)晶作用而細(xì)化晶粒，從而提高合金的力學(xué)性能。Fe的添加同時(shí)可以抑制Y1相的形成和結(jié)網(wǎng)，提高耐蝕性能。銅和鎳可無(wú)限互溶形成連續(xù)固溶體，鎳的存在使銅鎳合金表面Cu2O膜具有更大的穩(wěn)定性，銅離子有毒，使得銅鎳合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和抗生物污染的能力，且隨著鎳的加入，加強(qiáng)了 Fe元素的擴(kuò)散作用，使涂層中大量Fe元素固溶進(jìn)α-Cu中，不再以α-Fe單質(zhì)形式析出；另一方面，電極表面生成的氧化鎳的能阻擋Cu離子進(jìn)入溶液，氧化鎳的存在使銅鎳合金電極表面Cu2O膜具有更大的穩(wěn)定性。采取此種銅合金粉末體系并結(jié)合激光熔覆技術(shù)，獲得的熔覆涂層具有一定厚度、冶金質(zhì)量良好、組織分布均勻、較優(yōu)異耐蝕性能等特點(diǎn)，在機(jī)械、化工及石油等工業(yè)有良好的應(yīng)用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]發(fā)明涉及一種耐蝕的CuAlFeNi激光熔覆涂層材料及其制備方法。
[0005]一種耐蝕的CuAlFeNi激光熔覆涂層材料及其制備方法，其特征在于質(zhì)量百分比如下:75-88wt % Cu、8-llwt % Al,0.l_3wt % Fe,0.1-0.5wt % Cr、0.1-0.5wt % Ti 和
1.5-9wt% Ni。
[0006]其制備過(guò)程包括以下步驟:
[0007](I)設(shè)計(jì)好銅合金粉末配比，稱(chēng)量、配置原料，將合金材料熔煉后采用霧化的方式得到銅合金粉體，合金過(guò)篩后得到10-100 μ m的球形粉末；或者采用粒度為10-120 μ m的單元素粉末按照上述合金配比在球磨機(jī)中進(jìn)行粉末混合2-5小時(shí)，以得到混合均勻的粉末；
[0008](2)將粉末放置在干燥箱內(nèi)4小時(shí)，干燥溫度設(shè)置為100_150°C ；
[0009](3)選取機(jī)械零件作為載體，利用同步送粉激光熔覆技術(shù)在零件表面上制備一定厚度的銅合金涂層，激光熔覆工藝參數(shù)為:所輸送的粉末束流與激光束呈40-60度角，粉末束流與激光束相交于零件表面，激光功率為1500-2500W，激光掃描速度為180-600mm/min，搭接率為30-60%，熔覆過(guò)程氬氣保護(hù)氣流量為10-15L/min，送粉速率15_40g/min。
[0010]按照此發(fā)明得到的銅合金熔覆涂層特征為:組織致密、無(wú)裂紋氣孔等缺陷、涂層同基體完全冶金結(jié)合。選擇不同的送粉速率、搭接率等參數(shù)，能獲得厚度為0.6-3.2mm的涂層，銅合金涂層組織枝晶均勻分布，主要由ct -Cu、a - (Fe, Ni)、A1Cu3、Cu9A14等物相組成,銅合金涂層整體硬度差異不大，在3.5% NaCl中性電解液條件下進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，熔覆涂層的腐蝕電流2.31 X 10〃-6.53X 1^7A.mnT2,耐蝕性能優(yōu)異。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是實(shí)例1、2激光熔覆銅鎳合金耐蝕材料涂層界面SEM照片
[0012]圖2是實(shí)例I激光熔覆銅鎳合金耐蝕材料微觀組織SEM照片
[0013]圖3是實(shí)例I激光熔覆銅鎳合金耐蝕材料XRD照片
[0014]圖4是實(shí)例2激光熔覆銅鎳合金耐蝕材料涂層硬度照片
[0015]圖5是實(shí)例1-3激光熔覆銅鎳合金耐蝕材料動(dòng)電位極化曲線照片

【具體實(shí)施方式】
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[0016]實(shí)施例1:
[0017]包括如下步驟:
[0018](I)銅合金粉末的各組分按質(zhì)量百分比分別為:88wt% Cu>8wt% Α1、1.5t% Fe、
1.5wt% N1、0.5wt% Cr和0.5wt% Ti。按上述組分的質(zhì)量百分比稱(chēng)量、配置原料，將合金材料熔煉后采用霧化的方式得到銅合金粉體，過(guò)篩后得到10-100 μ m的粉末。
[0019](2)基體材料使用尺寸為150X 120X3mm板狀的304不銹鋼材料，采用波長(zhǎng)為10.6 μ mC02激光器，安裝和調(diào)試好激光熔覆裝置，送粉工作頭跟激光光束角度為60°，保護(hù)氣噴嘴離加工件10mm，氬氣氣體流量為15L/min，調(diào)入控制程序，開(kāi)啟循環(huán)冷卻水和激光設(shè)備。激光功率為2500W，正離焦20mm，掃描速度為600mm/min，搭接率為60%，粉末速度為40g/mino
[0020]實(shí)施例1所得的熔覆涂層界面微觀形貌如圖1所示，涂層與基體間呈良好的冶金結(jié)合，基體與涂層的熔合線清晰可見(jiàn)，界面處有很多柱狀晶粒和花朵狀枝晶從基體向涂層方向生長(zhǎng)。由圖2的微觀組織可以看出涂層晶粒均勻分布，Ni元素加強(qiáng)了 Fe元素的擴(kuò)散作用，使涂層中大量Fe元素固溶進(jìn)基體α-Cu中，未發(fā)現(xiàn)呈樹(shù)枝狀、圓球狀的α-Fe晶粒。黑色區(qū)域?yàn)榛w相，富含Cu ；白色區(qū)域?yàn)榫Я＞Ы纾缓琋1、Fe、Al等合金元素。涂層主要由α -Cu、α -(Fe，Ni)、A1Cu3、Cu9A14等物相組成(見(jiàn)圖3)，耐蝕性能良好，在3.5% NaCl中性電解液條件下進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，銅鎳熔覆涂層的腐蝕電流5.89X 10_7Α.πιπΓ2，自腐蝕電位為-0.271V (SCE)。
[0021]實(shí)施例2:
[0022]其與實(shí)施例1除以下步驟外均相同。
[0023](I)銅合金粉末的各組分按質(zhì)量百分比計(jì)分別為:84wt% Cu>9wt% A1>1.9wt%Fe,4.5wt% Ni,0.3wt% Cr和(λ 3wt% Ti，采用粒度為10-100 μ m的單元素粉末按照上述合金配比在球磨機(jī)中進(jìn)行粉末混合3小時(shí)，混合后得到均勻粉體；將粉末在干燥箱內(nèi)烘干4小時(shí)，干燥溫度為120°C。
[0024](2)基體材料使用直徑為20mm的圓柱狀45#鋼，安裝在機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)上，利用波長(zhǎng)為800nm-l 10nm的半導(dǎo)體激光器在表面進(jìn)行熔覆。激光功率為2000W，光斑正離焦30mm，送粉工作頭跟激光光束角度為40°，工件線速度為3000mm/min，轉(zhuǎn)臺(tái)角速度為1719° /min，搭接率為30%，激光器X軸掃描方向的速度為8.75mm/min，送粉速度為20g/min。
[0025]實(shí)施例2所得的銅合金熔覆涂層厚度為1.4mm，涂層與基體之間冶金結(jié)合，熔覆層無(wú)裂紋、氣孔等缺陷。涂層整體硬度差異不大(見(jiàn)圖4)，添加Ni元素生成的熔覆層組織分布較均勻，Ni元素加強(qiáng)了 Fe元素的擴(kuò)散作用。在3.5% NaCl中性電解液條件下進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，熔覆涂層的腐蝕電流2.31 X 1^7A.mm 2，自腐蝕電位為-0.243V(SCE)，耐蝕性能良好。
[0026]實(shí)施例3:
[0027]其與例I除以下步驟外均相同。
[0028](I)銅合金粉末的各組分按質(zhì)量百分比計(jì)分別為:77wt% Cu>llwt% Al>2.8wt%Fe、9.0wt% N1、0.1wt% Cr 和 0.1wt% Ti。。
[0029](2)基體材料使用尺寸700 X 250 X 20mm的316L不銹鋼，采用波長(zhǎng)為1070nm光纖激光器，激光功率為1500W，光斑正離焦25mm，送粉工作頭跟激光光束角度為50°，掃描速度為200mm/min，搭接率為50%，氬氣保護(hù)氣氣體流量為12L/min，送粉速度為17g/min。
[0030]實(shí)施例3所得的銅合金熔覆涂層性能良，在3.5% NaCl中性電解液條件下進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，熔覆涂層的腐蝕電流5.72 X 1^7A.mm2，自腐蝕電位為-0.296V (SCE)，其耐蝕性能良好。
【權(quán)利要求】
1.一種耐蝕的CuAlFeNi激光熔覆涂層材料，其特征在于合金粉末質(zhì)量百分比如下:75-88wt % Cu,8-llwt% Α1、0.l-3wt % Fe、0.1-0.5wt % Cr、0.1-0.5wt % Ti 和 1.5-9wt %Ni。
2.制備如權(quán)利要求1所述的耐蝕的CuAlFeNi激光熔覆涂層材料的方法，采用波長(zhǎng)為800nm-10.6ym連續(xù)激光熱源制備CuAlFeNi熔覆涂層，激光功率為1500-2500W，激光掃描速度為180-600mm/min，離焦20-30mm，搭接率30-60 %，熔覆過(guò)程氬氣保護(hù)氣流量為10_15L/min,送粉速率 15_40g/min。
【文檔編號(hào)】C23C24/10GK104328430SQ201410533040
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】楊膠溪, 文強(qiáng), 李子陽(yáng), 肖志勇 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)