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一种用于海工液压活塞杆的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层及其制备方法.pdf

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一种 用于 液压 活塞杆 抗磨耐蚀镍基 碳化硅 复合 涂层 及其 制备 方法
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摘要
申请专利号:

CN201910106080

申请日:

20190201

公开号:

CN109628927A

公开日:

20190416

当前法律状态:

公开

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 公开
IPC分类号: C23C24/10;C22C19/05;C22C32/00 主分类号: C23C24/10;C22C19/05;C22C32/00
申请人: 水利部杭州机械设计研究所
发明人: 陈小明;张磊;刘德有;伏利;赵坚;刘伟;毛鹏展
地址: 310012 浙江省杭州市西湖区学院路102号
优先权:
专利代理机构: 33200 代理人: 万尾甜;韩介梅
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法律状态
申请(专利)号:

CN201910106080

授权公告号:

法律状态公告日:

20190416

法律状态类型:

公开

摘要

本发明公开了一种用于海工液压活塞杆的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层及其制备方法,该涂层的组成及质量分数为:镍基合金粉末60~90%、纳米碳化硅粉末5~25%、金属钽粉末1~10%、石墨烯粉末1~5%;其制备方法如下:以该配方为激光熔覆材料,通过自动送粉器将粉末配方送至经过预处理的活塞杆?#31181;?#22522;材表面,并同时通过激光辐射使粉末熔覆在活塞杆表面,最终形成厚度为0.5~2.0mm的涂层,该涂层均匀致密、与基材呈冶金结合、稀释率低,具有优良的耐蚀性、抗磨性和抗含沙海水冲刷性能,?#19978;?#33879;提高海工液压活塞杆的使用寿命。

权利要求书

1.一种用于海工液压活塞杆的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层,其特征在于,该涂层配方按照质量百分比为,Ni基合金粉末60~90%、纳米碳化硅粉末5~25%、金属钽粉末1~10%、石墨烯1~5%。 2.一种用于海工液压活塞杆的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层,其特征在于,所述的Ni基合金粉末的化学成分按质量百分比为,C0.5-0.8%、Si4.0-4.5%、Cr11.5-13.5%、Fe3.0-3.5%、其它为Ni。 3.根据权利要求1所述的一种用于海工液压活塞杆的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层,其特征在于,Ni基合金粉末的粒度为150~300μm。 4.根据权利要求1所述的一种用于海工液压活塞杆的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层,其特征在于,纳米碳化硅粉末中SiC的纯度≥99.9%。 5.根据权利要求1所述的一种用于海工液压活塞杆的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层,其特征在于,金属钽粉末中Ta的纯度≥99.9%。 6.根据权利要求1所述的一种用于海工液压活塞杆的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层,其特征在于,石墨烯粉末中石墨烯的纯度≥99%。 7.制备如权利要求1-6?#25105;?#19968;项所述的用于海工液压活塞杆的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层,其特征在于,包括以下步骤: 步骤一:合金粉末配方制备 1)按配?#28909;?#21508;组分,并在球磨机内混合12~15小时获得均匀的复合粉末; 2)将步骤1)得到的复合粉末置于干燥箱内,100~150℃,干燥3~5h后备用; 步骤二:活塞杆表面预处理 1)将活塞杆夹装到卧式转台上,对活塞杆表面进行除油、除污、除锈,并用酒精或丙酮清洗干净; 2)用感应加热器将活塞杆加热到100~120℃; 步骤三?#26477;?#20809;熔覆制备镍基抗磨耐蚀涂层 1)设动转送线速度为10mm/s; 2)将复合粉末装入自动送粉器,用99.99%的高纯氮气将粉末送至步骤二处理后的活塞杆表面,同时采用同轴激光设备将活塞杆表面的粉末熔化形成熔池,冷却凝固后获得厚度为0.5~2.0mm的均匀致密的熔覆合金层; 步骤四:机械加工活塞杆尺寸及粗糙度 对激光熔覆后的活塞杆表面涂层进行常规机械加工,使其表面尺寸和粗糙度达到设计要求。 8.根据权利要求7所述的用于海工液压活塞杆的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层的制备方法,其特征在于,所述步骤三中激光熔覆工艺的参数如下:光斑?#26412;?#20026;3-6mm,搭接率40-60%,激光功率为1.8~3.5kW,熔头扫描速度为8-25mm/s,送粉速率为10~80g/min。

说明书


一种用于海工液压活塞杆的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层及其制备方法
技术领域


本发明属于海洋工?#30899;?#27839;海水利工程液压活塞杆表面抗磨耐蚀防护领域,具体涉
及一种用于海工液压活塞杆的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层及其制备方法。


背景技术


活塞杆是海洋工?#30899;?#27839;海水利工程闸门液压启闭机的关键核心部件之一,由于活
塞杆长期暴露于腐蚀性海水、潮湿气氛、日照暴晒等恶劣环境而受到严重的腐蚀,另外强涌
潮区高速流动的海水及其裹挟的沙砾石子对活塞杆表面产生强?#39029;?#21047;磨损,导致活塞杆表
面易发生化学腐蚀和物理磨损,以致液压?#20302;?#23494;封失效以至于漏油而无法使用,进而影响
闸门正常启闭。因此活塞杆通常需要进行表面防护以提高其耐蚀性和耐磨性。目前,活塞杆
表面防护技术多数为电镀铬或电镀镍,其中以镀铬为主。然而六价铬而存在严重的环境污
染和健康危害,电镀铬工?#36213;?#22269;际上及我国也已逐渐禁止使用并将最终淘汰。因此,替代电
镀铬技术近年来成为研究热点,目前主要有火焰喷涂、等离子喷涂、氩弧或等离子堆焊等,
但火焰喷涂和等离子涂层普遍存在孔隙率高、结合强度低和涂层裂纹?#28909;?#38519;,易发生点蚀、
鼓泡、涂层脱落;堆焊层则存在稀释率高、组织缺陷严重和疲劳强度不足?#20219;?#39064;。


激光熔覆是一种先进、绿色的表面技术,有望成为替代电镀铬的新技术之一。目
前,常用的涂层材料主要有Fe基、Ni基和Co基熔覆层,其中Ni基碳化物复合涂层兼具良好的
强度和韧性,因其良好的耐腐蚀性和抗磨损性能而得到广泛重视。然而,激光熔敷Ni基碳化
物复合涂层较少应用于海洋工程装备部件,主要是因为WC、Cr3C2等传统的碳化物颗粒?#27927;?br>且与粘结相的润湿性较差,在熔敷过程中容易产生高脆性导致涂层产生裂纹,影响了工件
在海洋环境中的耐蚀性。?#36865;猓?#30899;化钨(WC)、碳化铬(Cr3C2)等碳化物价格较高,进一步限制
了其推广和应用。


发明内容


针对现有的激光熔覆镍基碳化物涂层技术存在的不足,本发明提供一种可用于海
洋环境的海工液压活塞杆的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层及其制备方法。


本发明采用的技术方案如下:


用于海洋环境的海工液压活塞杆的镍基碳化硅复合涂层,它的组分及其质量分数
如下:


Ni基合金粉末60~90%、纳米碳化硅粉末5~25%、金属钽粉末1~10%、石墨烯1
~5%,所有组?#31181;?#21644;为100%。


所述的Ni基合金粉末的化学成分按质量百分比为,C0.5-0.8%、Si4.0-4.5%、
Cr11.5-13.5%、Fe3.0-3.5%、其它为Ni。


且Ni基合金粉末的粒度优选为150~300μm。


其中纳米碳化硅粉末中SiC的纯度通常应≥99.9%。


金属钽粉末中Ta的纯度通常应≥99.9%。


石墨烯粉末中石墨烯的纯度通常应≥99%。


本发明?#22266;?#20379;用于海工液压活塞杆的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层的制备方法,
包括以下步骤:


步骤一:合金粉末配方制备


1)按上述配?#28909;?#21508;组分,并在球磨机内混合12~15小时获得均匀的复合粉末;


2)将步骤1)得到的复合粉末置于干燥箱内,100~150℃,干燥3~5h后备用;


步骤二:活塞杆表面预处理


1)将活塞杆夹装到卧式转台上,对活塞杆表面进行除油、除污、除锈,并用酒精或
丙酮清洗干净;


2)用感应加热器将活塞杆加热到100~120℃;


步骤三?#26477;?#20809;熔覆制备镍基抗磨耐蚀涂层


1)设动转送线速度为10mm/s;


2)将复合粉末装入自动送粉器,用99.99%的高纯氮气将粉末送至步骤二的活塞
杆表面。同时采用同轴激光设备将活塞杆表面的粉末熔化形成熔池,冷却凝固后获得厚度
为0.5~2.0mm的均匀致密的熔覆合金层;


步骤四:机械加工活塞杆尺寸及粗糙度


对激光熔覆后的活塞杆表面涂层进行常规机械加工,使其表面尺寸和粗糙度达到
具体要求。


所述步骤三中激光熔覆工艺的参数如下:光斑?#26412;?#20026;3-6mm,搭接率40-60%,激光
功率为1.8~3.5kW,熔头扫描速度为8-25mm/s,送粉速率为10~80g/min。


本发明配方中镍基合金本身具有优良的耐蚀性,能够有效?#31181;?#28023;洋环境对活塞杆
的腐蚀作用。纳米碳化硅因其小尺寸效应与镍基粘结相具有良好的润湿性,?#26723;?#20102;涂层的
裂纹敏感性。碳化硅除了本身的第二相增强作用,部分碳化硅分解产生的多种碳化物能对
镍基合金起到固溶强化的作用。金属钽能够?#31181;?#28034;层中粗大Cr7C3等初生碳化物的长大,降
低涂层脆硬性和裂纹敏感性。钽能与配方中的高活性石墨烯原?#29615;?#24212;生成高硬度的细小
TaC,弥散与镍基相中起到固溶强化和提高涂层抗磨粒切削性能的作用。该发明所得涂层均
匀致密无裂纹、与基材呈冶金结合、稀释率低,具有优良的耐蚀性、抗磨性和抗含沙海水冲
刷性能。


本发明具有以下优点:


(1)本发明提出的合金粉末配方含有耐蚀性优良镍基合金成分、抗磨性优良的硬
质陶瓷成分、?#32435;?#28034;层组织结构和韧性的成分,使涂层兼有优良的耐蚀性、抗磨性和抗含沙
海水冲刷性能,适用于海洋环境的强腐蚀和强冲刷磨损环境。


(2)本发明采用激光熔覆工艺,熔覆层与活塞杆基材呈完全冶金结合,涂层致密均
匀,克服了电镀层、热喷涂涂层的裂纹或孔隙多、与基材结合强度差?#28909;?#38519;。


(3)激光熔?#24067;尤人?#24230;快,基体热影响区小,熔覆层稀释率低(一般<5%)。相比等
离子堆焊等传统冶金结合涂层,激光熔覆层稀释率低,晶粒粒度细,其耐蚀性和耐磨性能更
好。


附图说明


图1为活塞杆激光熔覆镍基抗磨耐蚀涂层方法的工艺流程图。


具体实施方式


实施例1:


(1)涂层配方成分及配比


按质量分数取各组分:Ni基合金粉末:89%、纳米碳化硅粉末:8%、金属钽粉末:
2%、石墨烯粉末:1%。并在球磨机内混合12~15小时,获得均匀的复合粉末。将复合粉末置
于干燥箱内,100℃干燥5h后备用。


(2)活塞杆表面预处理


将材质为2205钢的活塞杆夹装到卧式转台上,对活塞杆表面进行除油、除污、除
锈,并用酒精或丙酮清洗干净;用感应加热器将活塞杆加热到100℃。


(3)激光熔覆制备镍基抗磨耐蚀涂层


设置动转送线速度为10mm/s。将复合粉末装入自动送粉器,用99.99%的高纯氮气
将粉末送至活塞杆表面。同时采用同轴激光设备将活塞杆表面的粉末熔化形成熔池,冷却
凝固后获得厚度为1.5mm的致密的熔覆合金层;


激光熔覆工艺参数如下:光斑?#26412;?#20026;5mm,搭接率50%,激光功率为2.4kw,熔头扫
描速度为10mm/s,送粉速率为25g/min。


(4)机械加工活塞杆尺寸及粗糙度


对激光熔覆后的涂层进行常规机械加工,使粗糙度小于Ra 0.25μm。


所述的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层均匀无裂纹,厚度为1.5mm。涂层的显微硬度
为795HV
0.2,粗糙度为Ra 0.21μm。在含?#27785;?#28023;水中涂层的冲刷失重量仅为基体不锈?#36136;?#37325;
量的35%。带有熔覆层活塞杆试件通过1500h盐雾试验,涂层无气泡、锈蚀等现象。


实施例2:


(1)涂层配方成分及配比


按质量分数取各组分:Ni基合金粉末:76%、纳米碳化硅:15%、金属Ta粉末:6%、
石墨烯粉末:3%。并在球磨机内混合12~15小时,获得均匀的复合粉末。将复合粉末置于干
燥箱内,120℃干燥4h后备用。


(2)活塞杆表面预处理


将材质为Q355钢(即原Q345)的活塞杆夹装到卧式转台上,对活塞杆表面进行除
油、除污、除锈,并用酒精或丙酮清洗干净;用感应加热器将活塞杆加热到100℃。


(3)激光熔覆制备镍基抗磨耐蚀涂层


设置动转送线速度为10mm/s。将复合粉末装入自动送粉器,用99.99%的高纯氮气
将粉末送至活塞杆表面。同时采用同轴激光设备将活塞杆表面的粉末熔化形成熔池,冷却
凝固后获得厚度为1.1mm的致密的熔覆合金层;


激光熔覆工艺参数如下:光斑?#26412;?#20026;5mm,搭接率45%,激光功率为2kW,熔头扫描
速度为15mm/s,送粉速率为20g/min。


(4)机械加工活塞杆尺寸及粗糙度


对激光熔覆后的涂层进行常规机械加工,使粗糙度小于Ra 0.25μm。


所述的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层均匀无裂纹,厚度为1.1mm。涂层的显微硬度
为842HV
0.2,粗糙度为Ra 0.24μm。在含?#27785;?#28023;水中涂层的冲刷失重量仅为基体不锈?#36136;?#37325;
量的28%。含熔覆层活塞杆试件通过1500h盐雾试验,涂层无气泡、锈蚀等现象。


实施例3:


(1)涂层配方成分及配比


按质量分数取各组分:Ni基合金粉末:65%、纳米碳化硅:20%、金属Ta粉末:10%、
石墨烯粉末:5%。并在球磨机内混合12~15小时,获得均匀的复合粉末。将复合粉末置于干
燥箱内,150℃干燥3h后备用。


(2)活塞杆表面预处理


将材质为Q355钢(即原Q345)活塞杆夹装到卧式转台上,对活塞杆表面进行除油、
除污、除锈,并用酒精或丙酮清洗干净;用感应加热器将活塞杆加热到100℃。


(3)激光熔覆制备镍基抗磨耐蚀涂层


设置动转送线速度为10mm/s。将复合粉末装入自动送粉器,用99.99%的高纯氮气
将粉末送至活塞杆表面。同时采用同轴激光设备将活塞杆表面的粉末熔化形成熔池,冷却
凝固后获得厚度为0.5mm的均匀致密的熔覆合金层;


激光熔覆工艺参数如下:光斑?#26412;?#20026;5mm,搭接率50%,激光功率为1.8kW,熔头扫
描速度为20mm/s,送粉速率为20g/min。


(4)机械加工活塞杆尺寸及粗糙度


对激光熔覆后的涂层进行常规机械加工,使粗糙度小于Ra 0.25μm。


所述的抗磨耐蚀镍基碳化硅复合涂层均匀无裂纹,厚度为0.8mm。涂层的显微硬度
为967HV
0.2,粗糙度为Ra 0.23μm。在含?#27785;?#28023;水中涂层的冲刷失重量仅为基体不锈?#36136;?#37325;
量的24%。熔覆层层活塞杆试件通过1500h盐雾试验,涂层无气泡、锈蚀等现象。


实施例4:


(1)涂层配方成分及配比


按质量分数取各组分:Ni基合金粉末:80%、纳米碳化硅:20%。并在球磨机内混合
12~15小时,获得均匀的复合粉末。将复合粉末置于干燥箱内,150℃干燥3h后备用。


(2)活塞杆表面预处理


将材质为Q355钢(即原Q345)活塞杆夹装到卧式转台上,对活塞杆表面进行除油、
除污、除锈,并用酒精或丙酮清洗干净;用感应加热器将活塞杆加热到100℃。


(3)激光熔覆制备镍基抗磨耐蚀涂层


设置动转送线速度为10mm/s。将复合粉末装入自动送粉器,用99.99%的高纯氮气
将粉末送至活塞杆表面。同时采用同轴激光设备将活塞杆表面的粉末熔化形成熔池,冷却
凝固后获得厚度为0.45mm的熔覆合金层;发现涂层有裂纹。


激光熔覆工艺参数如下:光斑?#26412;?#20026;5mm,搭接率50%,激光功率为1.8kW,熔头扫
描速度为20mm/s,送粉速率为20g/min。


(4)机械加工活塞杆尺寸及粗糙度


对激光熔覆后的涂层进行常规机械加工,使粗糙度小于Ra 0.25μm。在加工中发现
少量涂层剥落;


显微硬度915HV
0.2,显微硬度压痕也有裂纹。盐雾试验效果很差,由于涂层存在贯
穿裂纹,发生基体腐蚀,出现比较严重锈迹。


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