本發(fā)明屬于材料科學與工程技術領域，具體涉及一種用于水下激光熔覆的銅基合金粉末預置涂層及其制備方法。

背景技術：

近年來，銅及銅合金已經(jīng)在海洋工程領域得到了廣泛的應用，比如，船舶螺旋槳用的黃銅和鋁青銅、海水泵用的青銅和海底輸油管道用的銅及銅合金都在各自領域起到了至關重要的作用。就如今的金屬材料市場來看，銅的價格日益攀升使得銅合金零部件的造價大幅提高，這大大增加了原來需要進行換件維修的工程設施的維修成本。海洋工程銅合金零部件多以斷裂和磨損腐蝕的形式失效，尤其是銅合金零件在海洋環(huán)境中的腐蝕磨損嚴重的影響了海洋工程設施的使用壽命，造成了巨大的經(jīng)濟損失。因此尋求有效的銅合金零部件水下維修方法是眾多科研人員的研究目標。

近期發(fā)展起來的激光熔覆技術是金屬零件損傷表面修復的重要技術方法，激光熔覆就是以大功率密度激光束做熱源，加熱預制在金屬表面的粉末材料使之全部熔化，同時基體表面也在微量熔融，加熱結束后表面迅速凝固，形成與基體金屬結合得很牢的涂覆層。采用激光熔覆技術可以在普通材料表面制備出冶金結合的高性能涂層，具有可提高零件特定工作面服役性能及整體工件壽命的特點，在零件的表面改性及高附加值零件的修復方面具有廣闊的發(fā)展前景。

盡管激光熔覆技術在鋼鐵表面強化方面取得了一定的成果和經(jīng)濟效益，但銅及銅合金特殊的物理化學性能，如良好的導熱性及對激光低的吸收率導致銅表面激光熔覆成為難點。除此之外，金屬基材料水下環(huán)境的激光熔覆更是面臨著天然的難點，水環(huán)境的引入給整個激光熔覆過程帶來了諸多不可避免的有害因素。首先，水環(huán)境的下的金屬材料將擁有更好的散熱性能，更快的散熱速度意味著激光熔覆層內具有更大的殘余應力；其次，水環(huán)境下的激光熔覆過程會產(chǎn)生氫氣、氧氣等諸多附加的有害氣體，這些附加的有害氣體將會使熔覆層甚至使基體材料產(chǎn)生氫脆、氣孔、微裂紋等有害影響。

通過水環(huán)境下激光熔覆層的制備獲得性能優(yōu)良的銅基合金涂層，一方面可以考慮避免上述水環(huán)境所帶來的不利影響盡量營造與大氣環(huán)境相同的干燥環(huán)境，基于這種思想已經(jīng)發(fā)展出了局部干法水下激光熔覆系統(tǒng)和完全干法激光熔覆系統(tǒng)，該方法的優(yōu)點是可以實現(xiàn)多數(shù)金屬材料的水下激光熔覆，制備的激光熔覆層性能基本與大氣環(huán)境下的產(chǎn)品性能相當。但其缺點也相對明顯，其一，局部干燥環(huán)境的營造難度大，且受制于靜水壓力，而完全干法壓力倉的設計及生產(chǎn)成本高，其設計制造同樣受制于靜水壓力；其二，附加的壓力倉將增加負載機器人的載重，會影響熔覆精度；其三，局部干法并不能完全排除水環(huán)境的影響，不能保證熔覆層的相關性能。除了采用這種局部干法的類似思想之外，直接接觸水環(huán)境的激光熔覆方法具有很好地實際生產(chǎn)效應，采用這種思想的目的是將水環(huán)境對激光熔覆過程帶來的不利影響降到最低，同時利用水環(huán)境帶來的有利條件制備性能更加優(yōu)良的銅基合金涂層。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有水環(huán)境下激光熔覆方法制備的合金涂層與基體冶金結合不好，易產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾雜等缺陷的問題，而提供一種用于水下激光熔覆的銅基合金粉末預置涂層及其制備方法。

本發(fā)明用于水下激光熔覆的銅基合金粉末預置涂層由合金粉末層和熔覆保護藥皮組成，其中合金粉末層由銅基合金粉末與α-氰基丙烯酸乙酯粘結劑混合而成，熔覆保護藥皮按質量百分數(shù)由40％～45％的caf2，4％～5％的cuo，15％～18％的caco3，10％～11％的tio2，4％～5％的cu，1％～2％的si，2％～3％的al，1％～2％的mn，2％～5％的α-氰基丙烯酸乙酯和余量的活性炭組成。

本發(fā)明熔覆材料采用預置的方式，預置合金粉末涂層為防水涂層，該涂層為合金粉末層和表面保護層組成，表面保護層為熔覆保護藥皮。

本發(fā)明用于水下激光熔覆的銅基合金粉末預置涂層的制備方法按以下步驟實現(xiàn)：

一、將銅合金基體表面粗化處理后清洗干凈，得到粗化后的銅合金基體；

二、在粗化后的銅合金基體表面上涂覆合金粉末層，靜置后在合金粉末層表面涂覆熔覆保護藥皮，靜置后得到帶有預置涂層的銅合金基體；

三、將帶有預置涂層的銅合金基體置于水下環(huán)境中，采用激光器進行熔覆，熔覆路徑采用正向熔覆反向重熔的往復雙路徑，完成水環(huán)境下激光熔覆層的制備；

其中步驟二所述的合金粉末層由與銅合金基體同質的銅基合金粉末及粘結劑混合而成；所述的熔覆保護藥皮按質量百分數(shù)由40％～45％的caf2，4％～5％的cuo，15％～18％的caco3，10％～11％的tio2，4％～5％的cu，1％～2％的si，2％～3％的al，1％～2％的mn，2％～5％的α-氰基丙烯酸乙酯和余量的活性炭組成。

本發(fā)明所述保護藥皮具有防水、除氣、造渣等作用，其中caf2、cuo的添加，其目的是去除激光與水作用產(chǎn)生的氫氣；caco3的添加，其目的是與激光作用產(chǎn)生co2以此來降低激光熔池氣團的氫氣和氧氣的分壓；cu、al、mn等金屬粉末的添加，其目的是補充基體中燒蝕的金屬元素；其余成分的添加，其目的是除氧、除氫及造渣。

本發(fā)明用于水下激光熔覆的銅基合金粉末預置涂層的制備方法得到的熔覆層成形質量好，無裂紋夾雜氣孔等缺陷，并且與基體形成良好的冶金結合，該方法工藝簡單易實施，熔覆層制備成本較低，且易于實現(xiàn)自動化，整個過程具有效率高、無污染、成本低的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為實施例中未覆蓋保護藥皮的水下環(huán)境銅合金激光熔覆層的形貌圖；

圖2為實施例中覆蓋保護藥皮的水下環(huán)境銅合金激光熔覆層的形貌圖；

圖3為實施例中鋁青銅激光熔覆層組織圖。

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式用于水下激光熔覆的銅基合金粉末預置涂層由合金粉末層和熔覆保護藥皮組成，其中合金粉末層由銅基合金粉末與α-氰基丙烯酸乙酯粘結劑混合而成，熔覆保護藥皮按質量百分數(shù)由40％～45％的caf2，4％～5％的cuo，15％～18％的caco3，10％～11％的tio2，4％～5％的cu，1％～2％的si，2％～3％的al，1％～2％的mn，2％～5％的α-氰基丙烯酸乙酯和余量的活性炭組成。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是合金粉末層的厚度為1～2mm。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是熔覆保護藥皮的厚度為0.2～0.5mm。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是合金粉末層按質量比為200～450:1由銅基合金粉末與α-氰基丙烯酸乙酯粘結劑混合而成。

具體實施方式五：本實施方式用于水下激光熔覆的銅基合金粉末預置涂層的制備方法按以下步驟實施：

一、將銅合金基體表面粗化處理后清洗干凈，得到粗化后的銅合金基體；

二、在粗化后的銅合金基體表面上涂覆合金粉末層，靜置后在合金粉末層表面涂覆熔覆保護藥皮，靜置后得到帶有預置涂層的銅合金基體；

三、將帶有預置涂層的銅合金基體置于水下環(huán)境中，采用激光器進行熔覆，熔覆路徑采用正向熔覆反向重熔的往復雙路徑，完成水環(huán)境下激光熔覆層的制備；

其中步驟二所述的合金粉末層由與銅合金基體同質的銅基合金粉末與粘結劑混合而成；所述的熔覆保護藥皮按質量百分數(shù)由40％～45％的caf2，4％～5％的cuo，15％～18％的caco3，10％～11％的tio2，4％～5％的cu，1％～2％的si，2％～3％的al，1％～2％的mn，2％～5％的α-氰基丙烯酸乙酯和余量的活性炭組成。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式五不同的是步驟一通過砂紙對銅合金基體表面打磨進行粗化處理。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式五相同。

具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式五或六不同的是步驟二在粗化后的銅合金基體表面上涂覆厚度為1～2mm的合金粉末層，靜置10～20min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式五或六相同。

具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式五至七之一不同的是步驟二在合金粉末層表面涂覆厚度為0.2～0.5mm的熔覆保護藥皮，靜置5～10min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式五至七之一相同。

具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式五至八之一不同的是步驟二中銅基合金粉末的粒徑為30～50μm。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式五至八之一相同。

具體實施方式十：本實施方式與具體實施方式五至九之一不同的是步驟三采用nd:yag激光器進行熔覆，控制熔覆過程激光功率為2500w，熔覆頭行進速度為4mm/s，激光光束的傾斜角為1°～2°。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式五至九之一相同。

本實施方式所述的激光光束的傾斜角是指激光光束與水平面內法線方向的夾角為1～2°。

實施例：本實施例用于水下激光熔覆的銅基合金粉末預置涂層的制備方法按以下步驟實施：

一、采用60#砂紙將鋁青銅板表面粗化處理，用丙酮清洗干凈、自然烘干，得到粗化后的銅合金基體；

二、在粗化后的銅合金基體表面上涂覆厚度為1mm的合金粉末層，靜置15min后在合金粉末層表面涂覆厚度為0.2mm的熔覆保護藥皮，靜置10min后得到帶有預置涂層的銅合金基體；

三、在水槽中盛放深度為19mm的水，將帶有預置涂層的銅合金基體置于水下環(huán)境中(深入水面2～4mm)，調整激光熔覆槍頭至距離水面100mm處，調整激光焦距使聚光光斑落在預置涂層處，采用激光器進行熔覆，控制熔覆過程激光功率為2500w，熔覆頭行進速度為4mm/s，熔覆頭與水平面內法線方向的傾斜角度為1～2°，熔覆路徑采用正向熔覆反向重熔的往復雙路徑，完成水環(huán)境下激光熔覆層的制備；

其中步驟二所述的合金粉末層由質量比為400:1的鋁青銅合金粉與α-氰基丙烯酸乙酯粘結劑混合而成；所述的熔覆保護藥皮按質量百分數(shù)由45％的caf2，4.5％的cuo，18％的caco3，11％的tio2，5％的cu，1.8％的si，3％的al，2％的mn，5％的α-氰基丙烯酸乙酯和余量的活性炭組成。

本實施例中鋁青銅板的長×寬×高的尺寸為130mm×100mm×14mm。

本實施例銅合金水下環(huán)境激光熔覆的過程，采用防水膠粘合預置涂層覆以保護藥皮的方式，有效避免了熔覆層雜質、氣孔、裂紋等缺陷過多的問題，該熔覆層的形貌如圖2所示。

由于水環(huán)境下的銅合金散熱能力極強，采用此方法制備的熔覆層組織細小，與基體形成了良好的冶金結合，如圖3所示，其綜合性能良好。

本實施例采用了保護藥皮，其成分具備金屬合金化的特點，制備出的銅合金在組織性能方面較基體材料有所改善。