利用冷喷涂与激光重熔复合工艺制备耐空蚀涂层的方法技术

本发明专利技术涉及耐空蚀涂层技术领域，公开了一种利用冷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)在基体上利用冷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。本发明专利技术采用冷喷涂与激光重熔复合工艺对材料表面进行处理，以冷喷涂技术在材料表面形成金属陶瓷复合涂层，之后利用激光重熔工艺对冷喷涂后的金属陶瓷表面进行处理。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，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，延长其服役时间。

Preparation of cavitation resistant coating by cold spraying and laser remelting

【技术实现步骤摘要】
利用冷喷涂与激光重熔复合工艺制备耐空蚀涂层的方法
本专利技术涉及耐空蚀涂层
，具体涉及一种利用冷喷涂与激光重熔复合工艺制备耐空蚀涂层的方法。
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。激光重熔是用激光束将表面熔化而不加任何金属元素，达到表面组织改善的目的，用激光重熔可以把杂质、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，使得组织有较高的涂层。但单独使用激光重熔对基体涂覆陶瓷涂层时，基体表面的陶瓷颗粒很容易出现向下沉积的情况。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，但热喷涂技术制备的涂层存在微孔、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。冷喷涂指在常温下或较底的温度下，由超音速气、固两相气流将涂层粉末击射到基板形成质密涂层，冷喷涂技术中不存在高温加热涂层材料粉末颗粒，也就不存在高温氧化、气化、熔化、晶化等影响涂层性能的效应出现。与传统的热喷涂技术相比，冷喷涂技术具有喷涂材料氧化少，残余应力小，无需高温热源，涂层厚度可调等众多优点，但所获得的涂层也存在技术的微孔、微裂纹的缺陷。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
本专利技术旨在提供一种制备耐空蚀涂层的方法，利用冷喷涂与激光重熔复合工艺，有效解决陶瓷颗粒直接激光熔覆过程中向下沉积的问题，获得耐空蚀性能优异的金属陶瓷复合涂层。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种利用冷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)在基体上利用冷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。本方法可用于镍铝青铜、铝青铜、AISI316、0Cr13Ni5Mo、CrMnN不锈钢、Ni-Ti合金或20SiMn低合金钢等各种基体上。在这些基体表面利用冷喷涂技术在基体上沉积一层较厚金属陶瓷复合涂层，然后再利用激光重熔处理涂层，使得涂层表面形成以陶瓷为外骨骼，金属与陶瓷的合金为缓冲层的新型抗空蚀结构，使得涂层的抗空蚀性提高巨大。并且激光重熔之后的涂层与冷喷涂之间形成过渡层，从而使得激光重熔涂层应力分散，这将大大降低激光重熔涂层由于巨大的应力而易整体脱落的几率。所述的基体在冷喷涂之前可进行预处理；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：气压0.3～1.0MPa，喷砂时间10s～2min，喷砂用砂的粒径为40～200目。所述的冷喷涂用的材料为金属粉末和陶瓷粉末的混合物。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，也可弥补单独使用金属粉末制备的涂层硬度差的问题；所述的冷喷涂用的材料按体积份数包括：25～80份金属粉末和10～70份陶瓷粉末。进一步地，金属粉末为纯镍，粒径为5～50μm；所述的陶瓷粉末为碳化钨(WC)粉末，粒径为5～100μm。由于空蚀射流会产生瞬间高温，并且会加速氧的传导，导致材料加速腐蚀，金属镍具有良好的耐高温性能，并且其表面在潮湿环境下会形成一层稳定的氧化膜，而WC具有非常高的硬度，高硬度有利于提高涂层的抗空蚀性，这可以减缓空蚀情况下材料的腐蚀情况。涂层中镍作为粘结相，WC作为硬质相，形成金属陶瓷复合涂层抗空蚀性能优异。但由于陶瓷和金属密度相差巨大，直接混合会存在混合不均的情况，因此所述的冷喷涂所使用设备采用共进料系统，可以有效解决这一问题，同时还可避免机械混合而对粉末造成的损坏，冷喷涂之后的涂层孔隙率低，与基体结合良好。所述的冷喷涂的参数设置：载气为高纯氮气或氩气，载气压力为0.4～6MPa，喷涂的材料在进入喷嘴前温度为350～750℃，基体和喷嘴出口间隔距离为5～60mm，喷枪移动速度为15～50mm/s。其他参数采用本领域常规使用的参数。高纯氮气或者氩气都为惰性气体，常规条件下难以和材料反应，利用其惰性可以起到保护气体作用，隔绝空气。在以上参数范围内，涂层的综合性能最好。当所述的冷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200～3000w，光斑直径为0.3～3mm，光斑移动速度为100～500mm/min，保护气体压力：0.2～1.2MPa，流量为速度3～12L/min，其他参数采用本领域常规使用的参数。进一步优选的，所述的保护气体为高纯氮气或者氩气等惰性气体，防止涂层氧化。所述的冷喷涂的参数和激光重熔的参数可根据涂层材料的配比不同而调节。当冷喷涂用的材料按体积份本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用冷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：/n(1)在基体上利用冷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】
1.一种利用冷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)在基体上利用冷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所述的利用冷喷涂与激光重熔复合工艺制备耐空蚀涂层的方法，其特征在于，所述的基体为镍铝青铜、铝青铜、AISI316、0Cr13Ni5Mo、CrMnN不锈钢、Ni-Ti合金或20SiMn低合金钢。


3.根据权利要求1所述的利用冷喷涂与激光重熔复合工艺制备耐空蚀涂层的方法，其特征在于，所述的基体在冷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所述的利用冷喷涂与激光重熔复合工艺制备耐空蚀涂层的方法，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，喷砂用砂的粒径为40～200目。


5.根据权利要求1所述的利用冷喷涂与激光重熔复合工艺制备耐空蚀涂层的方法，其特征在于，所述的冷喷涂用的材料为金属粉末和陶瓷粉末的混合物；所述的冷喷涂用的材料按体积份数包括：25～80份金属粉末和10～70份陶瓷粉末。


6.根据权利要求5所述的利用冷喷涂与激光重熔复合工艺制备耐空蚀涂层的方法，其特征在于，所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈秀勇，田野，黄晶，张波涛，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