一种抗空蚀用热喷涂金属陶瓷涂层的激光重熔方法技术

本发明专利技术涉及耐空蚀涂层技术领域，公开了一种利用热喷涂与激光重熔复合工艺制备耐空蚀涂层的方法，包括如下步骤：(1)在基体上利用热喷涂制备金属陶瓷复合涂层；(2)对步骤(1)的金属陶瓷复合涂层进行激光重熔处理，金属陶瓷复合涂层在激光的高密度能量下，金属陶瓷涂层表面重新熔化形成了新的结构，冷却后涂层组织性能得到增强，涂层抗空蚀性能得到极大提高。本发明专利技术有效消除了陶瓷粉末直接激光熔覆在基体表面沉降的问题，所得到的涂层孔隙率低、表面致密平整，具有优异的耐空蚀性能，可广泛应用于螺旋桨、水轮机叶片等易受空蚀损伤的设备中，可延长其服役时间，极大的降低设备因空蚀破坏的维修频率，提高设备的使用效率。

【技术实现步骤摘要】
一种抗空蚀用热喷涂金属陶瓷涂层的激光重熔方法
本专利技术涉及耐空蚀涂层
，具体涉及一种抗空蚀用热喷涂金属陶瓷涂层的激光重熔方法。
技术介绍
空化剥蚀简称空蚀，又称气蚀，空蚀是指在高速多相流条件下，液体介质中局部压力变化致使空泡形成和溃灭，在高速液体中含有空泡，使磨损腐蚀十分严重，材料连续受到高压、高速微射流冲击作用而使得金属的表面产生了破坏。这样一来就会使得金属表面的保护膜发生一定的破坏，使得金属粒子发生一定的撕裂，表现在金属的表面就是金属的表面出现了破口，发生的腐蚀，最终金属表面生成致密而深的孔，外表很粗糙。金属空蚀经常发生在泵叶轮和水力透平机等设备上，使材料性能急剧下降，严重影响了这些设备的使用寿命和使用的质量。目前对金属材料抗空蚀的处理，通常是可以在金属材料的表面镀上一个涂层，强化其抗空蚀能力，相应的表面处理技术包括：激光表面熔覆、激光表面合金化、激光表面熔凝等激光表面改性技术，这类技术是基于高能量的激光辐照热作用，在材料表面制备出不同种类的抗空蚀涂层，但这些表面处理技术都存在着仪器设备昂贵、成本高、操作复杂的特性，在实践过程中很难推广应用。另外提高材料抗空蚀性能的方法还有等离子体表面改性技术、热喷涂技术、表面渗氮处理技术等，其中热喷涂技术具有对基体热影响小、变形小和生产效率高等特点广受关注。等离子喷涂技术是一种热喷涂技术，采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。具有超高温的特性，便于进行高熔点材料的喷涂；同时喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。超音速火焰是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气与高压氧气在燃烧室内，或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温、高速燃烧焰流，是一种新型热喷涂技术，超音速火焰速度很高，但温度相对较低，涂层不仅结合强度高，且致密，耐磨损性能优越，其耐磨损性能大幅度超过等离子喷涂层，与爆炸喷涂层相当，也超过了电镀硬铬层、喷熔层，应用极其广泛。但这些热喷涂技术制备的涂层仍然存在微孔、微裂纹的缺陷，需要进一步的改进来获得更均匀、更低孔隙率的、生产效率更高的涂层。CN104213065A公开了一种热喷涂-激光原味反应复合工艺制备玻璃陶瓷涂层的方法，先通过热喷涂的方式制得CrFeAlTiC热喷涂涂层，然后进行激光重熔处理，在激光重熔过程中，复合粉末中的Cr、Fe、Al、Ti元素与O2、N2发生反应，生成玻璃陶瓷涂层，该涂层不仅界面结合性能好，表面也较为平整，综合质量较高，且可以通过调节激光功率、光斑尺寸、扫描速度等参数与CrFeAlTiC复合粉末的成分配比、反应气体成分来控制原位反应生成的玻璃陶瓷涂层的厚度(5～300μm)与整体质量。但其所采用的CrFeAlTiC涂层材料最终获得的涂层硬度不佳，很难实现较好的耐空蚀性能。碳化钨(WC)具有非常高的硬度，高硬度有利于提高涂层的抗空蚀性，但WC颗粒熔点太高，现有的喷涂、烧结等技术很难将纯WC形成致密涂层，得纯WC涂层有微孔和微裂纹的缺陷，由于空蚀坑会沿着涂层缺陷生长，所以喷涂、烧结等形成的纯WC涂层反而不利于抗空蚀。因此想获得抗空蚀性能好的涂层仍是本领域的一个技术难点。
技术实现思路
由于陶瓷和金属的热膨胀系数不同，热喷涂涂层存在少量微孔和微裂痕的缺陷，本专利技术旨在降低热喷涂涂层的孔隙率，利用热喷涂技术和激光重熔复合工艺制备厚度可调，孔隙率低的耐空蚀涂层。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种抗空蚀用热喷涂金属陶瓷涂层的激光重熔方法，包括如下步骤：(1)在基体上利用热喷涂制备金属陶瓷复合涂层；(2)对步骤(1)的金属陶瓷复合涂层进行激光重熔处理。热喷涂将涂层材料加热熔化，用高速气流将其雾化成极细的颗粒，并以很高的速度喷射到基体表面，形成涂层；再利用激光重熔的激光束将涂层表面熔化，将涂层中的杂质、气孔、化合物释放出来，同时由于迅速冷却而使晶粒得到细化，使得表面组织改善，获得的涂层结构更加规整，缺陷更少，形成的涂层与基体结合良好，抗空蚀性能优异。本方法可用于镍铝青铜、铝青铜、AISI316、0Cr13Ni5Mo、CrMnN不锈钢、Ni-Ti合金、20SiMn低合金钢等各种基体上。所述的基体在热喷涂之前进行预处理；所述的预处理包括：除锈、除油污和喷砂粗化中至少一种，通过预处理可清洁基体表面，去除杂质、油污等，利于后续喷涂材料与基体的结合。本专利技术中预处理先利用乙醇、丙酮等清洗基体表面的污物，等干燥后再利用喷砂机进行喷砂粗化，所述的喷砂粗化的工艺参数为：空气压力0.3～1.0MPa，喷砂时间10s～2min，喷砂用砂为40～200目。所述的热喷涂为等离子体喷涂或超音速火焰喷涂。当热喷涂为等离子体喷涂时，热喷涂的参数设置：氩气的压力为0.3～0.8MPa，流量为2～5m3/h；氢气的压力0.2～0.5MPa，流量为0.2～0.5m3/h；电流为300～600A，电压为45～70V，载气流量为0.8～1.5m3/h，喷涂距离为50～150mm，喷涂速率为50～80g/min。当热喷涂为超音速火焰喷涂时，热喷涂的参数设置：燃气为丙烷，燃气流量为40～80L/min，氧气流量为60～120L/min；载气为氩气或高纯氮气，载气流量为10～30L/min；送粉量为40～70g/min；喷雾距离为35～70mm。所述的热喷涂用的材料为金属粉末和陶瓷粉末的混合物，由于陶瓷与金属的热膨胀系数不同，直接热喷涂会存在部分微孔和微裂痕的缺陷，这些缺陷将降低热喷涂涂层的耐空蚀性，因此采用热喷涂和激光重熔的复合工艺，其中陶瓷粉末可作为硬质相，提高涂层的硬度和强度，金属粉末可作为连接相，将陶瓷粉末连接成致密的涂层，可弥补单独使用陶瓷粉末制备的涂层存在的孔隙大，耐空蚀性弱的缺陷。进一步地，所述的热喷涂用的材料按体积份数包括：25～80份金属粉末和20～75份陶瓷粉末。进一步地，金属粉末为纯镍，粒径为5～45μm；所述的陶瓷粉末为碳化钨(WC)粉末，粒径为5～60μm。若喷涂材料的粒径过大，则不利于粉末粒子的融化，导致涂层结构存在缺陷，大大降低涂层强度和抗空蚀性。优选的金属镍具有良好的耐高温性，在空蚀射流瞬间高温时，能形成一层稳定的氧化膜，而WC具有非常高的硬度，有利于提高涂层的抗空蚀性，两者结合所形成的涂层以镍为连续相，WC为硬质相，耐空蚀性能优异。所述的热喷涂所使用的设备为共进料系统。由于陶瓷和金属密度相差巨大，使用共进料系统可避免因混合不同密度的粉末而造成的混合困难，同时也可以避免机械混合而对粉末造成的损坏，热喷涂之后的涂层粒子与粒子之间结合力好，并且与基体的结合不仅有机械结合，也存在部分冶金结合，这样热喷涂涂层与基体结合性更优秀。当所述的热喷涂采用共进料系统时，陶瓷粉末和金属粉末是从单独的料斗中送入喷枪的，通过控制进料速度，使得在基体上可以按比需要的比例沉积金属陶瓷复合粉末涂层。所述的激光重熔的参数设置：功率为500～2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗空蚀用热喷涂金属陶瓷涂层的激光重熔方法，包括如下步骤：/n(1)在基体上利用热喷涂制备金属陶瓷复合涂层；/n(2)对步骤(1)的金属陶瓷复合涂层进行激光重熔处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种抗空蚀用热喷涂金属陶瓷涂层的激光重熔方法，包括如下步骤：
(1)在基体上利用热喷涂制备金属陶瓷复合涂层；
(2)对步骤(1)的金属陶瓷复合涂层进行激光重熔处理。


2.根据权利要求1所述的抗空蚀用热喷涂金属陶瓷涂层的激光重熔方法，其特征在于，所述的热喷涂为等离子体喷涂或超音速火焰喷涂。


3.根据权利要求1所述的抗空蚀用热喷涂金属陶瓷涂层的激光重熔方法，其特征在于，所述的基体在热喷涂之前进行预处理；所述的预处理包括：除锈、除油污和喷砂粗化中至少一种。


4.根据权利要求3所述的抗空蚀用热喷涂金属陶瓷涂层的激光重熔方法，其特征在于，所述的喷砂粗化的工艺参数为：空气压力0.3～1.0MPa，喷砂时间10s～2min，喷砂用的砂粒径为40～200目。


5.根据权利要求1所述的抗空蚀用热喷涂金属陶瓷涂层的激光重熔方法，其特征在于，所述的热喷涂用的材料为金属粉末和陶瓷粉末的混合物；所述的热喷涂用的材料按体积份数包括25～80份金属粉末和20～75份陶瓷粉末。


6.根据权利要求5所述的抗空蚀用热喷涂金属陶瓷涂层的激光重熔方法，其特征在于，所述的金属粉末为纯镍，粒径5～45μm；所述的陶瓷粉末为碳化钨粉末，粒径5～60μm。


7.根据权利要求5所述的抗空蚀用热喷涂金属陶瓷涂层的激光重熔方法，其特征在于，所述的冷喷涂采用共进料系统，陶瓷粉末和金属粉末分别从单独的料斗送入喷枪。


8.根据权利要求1所述的抗空蚀用热喷涂金属陶瓷涂层的激光重熔方法，其特征在于，当热喷涂为等离子体...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈秀勇，田野，张波涛，黄晶，所新坤，刘奕，李华，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，中国科学院宁波工业技术研究院慈溪生物医学工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33