用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层及制备方法。合金材料的原料包括按质量分计的以下组分：W:40

【技术实现步骤摘要】
用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层及制备方法


[0001]本专利技术涉及腐蚀与磨损防护技术、表面工程技术、金属材料
，具体涉及一种用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层及制备方法。

技术介绍

[0002]为达成“碳达峰、碳中和”战略目标，绿色低碳清洁能源的发展成为了国家重点任务之一。风力发电是当前可再生能源领域中最成熟、最具有大规模开发条件、最具有商业化发展前景的发电方式之一。与陆上风电相比，海上风电具有就近满足沿海城市的用电需求、资源丰富、发电利用小时高、发电量大、不占用土地资源等优点，成为了全球风电发展的最新前沿。
[0003]相比于内陆，海洋的腐蚀环境非常严酷且复杂，金属材料在海洋环境下的腐蚀速率是常规腐蚀环境下的数倍甚至数十倍。海水中的溶解氧量、海浪冲击、干湿交替、日照时长、泥沙冲击、生物附着等因素都会加速钢结构的腐蚀，同时腐蚀程度还受到海水含盐量、pH值、Cl
‑
离子浓度、温度变化等诸多因素的共同影响。因此海上风机的防腐问题应当引起高度重视。目前海上风电工程基础设施以及风机的防腐措施主要来自于海上石油平台、破冰船以及海底管线等方面的防腐蚀经验，针对海上风电腐蚀与防护的研究还很少，相关经验较为匮乏。
[0004]海上风机塔架的防腐比起陆上风机复杂得多。海上风机分为两种，即在浅海和沿海滩涂的底座式风机以及在近海和深海的漂浮式风机。底座式风机是在钢管桩上浇筑钢筋混凝土承台，承台上树立风机塔筒。其中钢管桩、混凝土承台部分由于在海上现场施工，环境复杂、气候恶劣，盐雾多，湿度大，潮汐间隔短，施工难度大，后续维修困难，所以其防腐要求较为严格，防腐周期越长越好。漂浮式风机类似于船舶和海工平台。但是，由于深海海上风电场无人居住，并且严格限制人员接近，因此漂浮式风机相比海工平台更难做到定期防腐维护检修，所以其对腐蚀防护的要求最为严格。海上风机塔架的腐蚀又可根据其结构件所处环境的不同细分为海洋大气腐蚀、飞溅区、潮差区、海泥区和全浸区。其中全浸区的腐蚀非常严重，腐蚀速率非常高。全浸区常年被海水浸没，由于高浓度Cl
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离子的存在，钢材很难钝化，极易发生点蚀。全浸区平均腐蚀速率一般可达0.05
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0.13mm/a，最大腐蚀速率可达平均值的2
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3倍。同时，全浸还存在海上漂浮物冲刷撞击、生物污染和化学玷污等现象，防腐涂层极易破坏，加剧了腐蚀现象。
[0005]目前全浸区采用涂料和阴极保护联合防腐技术。涂料一般采用底漆+中间漆+面漆的组合方式，涂料的类型主要是水性无机富锌漆(40μm左右)，环氧树脂漆(300μm 左右)和氯化橡胶漆(20μm左右)。防腐蚀涂料虽然施工简单，但是局限性较大： (1)结合强度不高，不耐磨。涂料与基体结合强度低，在泥砂长期冲刷和撞击等条件下易剥落，失去防护效果；(2)易造成局部腐蚀。在海水全浸区由于涂层电绝缘性差，阴极保护易产生过保护现象，涂
层在过保护下析氢和碱性降解的破坏下易剥离、起泡从而造成局部腐蚀，降低整体防腐蚀效果；(3)难以解决生物污损问题。涂层需要达到对环境无毒害的要求，但是海生物易附着在涂层表面从而产生污损破坏现象。因此，当前针对海水全浸区的涂料和阴极保护联合防腐技术中，涂料难以满足防腐需求，难以为阴极保护技术保驾护航。

技术实现思路

[0006]本专利技术为解决海水全浸区钢结构因海水冲刷、泥沙磨损、Cl
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离子浓度高导致的均匀腐蚀及局部腐蚀等问题，提供一种用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层及制备方法，利用激光熔覆技术能量高、快速熔凝的优势，实现六边形形状的WC增强颗粒的原位合成，在钢结构件表面制备具有良好冶金结合的特定成分的耐蚀耐磨熔覆层，熔覆层成分均匀与基体呈冶金结合，大幅度提升钢结构件的耐蚀耐磨寿命，达到降本增效的目的。利用激光熔覆技术制备的熔覆层组织致密，与基体呈冶金结合，其结合强度远远大于涂层，可有效解决涂层在遭受撞击时易磨损剥落的问题。同时熔覆层利用细晶强化原理、合金化原理、固溶强化原理及第二相颗粒弥散强化原理，大幅度提升钢构件表面硬度、耐磨性能及耐海水腐蚀性能，从而有效解决防腐蚀涂层易剥落、易磨损、易局部腐蚀的难题，辅助阴极保护技术，可实现海水全浸区钢结构件的长效防护。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层，
[0009]所述方法采用的熔覆用粉末材料包括按质量分计的以下组分：
[0010]W:40
‑
56wt.％；C:5
‑
7wt.％；Ni:5
‑
15wt.％；Al:0.5
‑
1.5wt.％；Co:4
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6wt.％；
[0011]Si:0.5
‑
1wt.％；Ti:1
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3wt.％；
[0012]Fe:余量；
[0013]其他杂质元素总量要求≤0.15wt.％；
[0014]优选地，W粉末粒度为600
‑
800目。
[0015]优选地，W与C的质量分数比控制在(7
‑
9):1。
[0016]进一步优选地，W与C的质量分数比控制在8:1。
[0017]优选地，Ni和Al的质量分数比控制在(8
‑
12):1；Ti与Al的质量比控制在(1.5
‑
2.5):1。
[0018]进一步优选地，Ni和Al的质量分数比控制在10:1；Ti与Al的质量比控制在2:1。
[0019]在熔覆用粉末材料中，各元素的具体作用如下：(1)W与C的质量分数比控制在(7
‑
9):1时，其原子百分比在2:1到1:1之间，有利于形成六边形形状的WC颗粒。六边形形状的WC颗粒比常规三角形形状的WC颗粒的耐磨性能更好，整体硬度更高。可有效提高熔覆层的耐磨性能。(2)Co的熔点相对较低，能够改善原位合成的 WC颗粒与合金基体之间的润湿性，降低热膨胀系数和局部应力，减少熔覆层中裂纹和孔洞的出现。(3)Ni和Al的质量分数比控制在(8
‑
12):1，能有效提高熔覆层的腐蚀电位，降低腐蚀倾向。同时Ni和Al生成稳定的中间相Ni3Al，能提高熔覆层的硬度和耐磨性能。(4)Ti的加入，一方面是提高形核率，降低晶粒尺寸，细化熔覆层中的固溶体组织，利用细晶强化原理提高熔覆层的硬度；另一方面是当Ti与Al的质量比达到(1.5
‑
2.5):1时，Ti与Al会形成稳定的中间相Al3Ti，利用第二相强化原理，
提高熔覆层的硬度；最后一方面是Ti的加入能降低WC的脆性，减少熔覆层出现裂纹的可能性。(5)Si的加入，主要作为脱氧剂，提高熔覆层的流动性和成渣能力，降低熔覆层孔洞数量，在制备工艺角度优化熔覆层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层，其特征在于：所述方法采用的熔覆用粉末材料包括按质量分计的以下组分：W: 40
‑
56 wt.%；C: 5
‑
7 wt.%；Ni: 5
‑
15 wt.%； Al: 0.5
‑
1.5 wt.%； Co: 4
‑
6 wt.%；Si: 0.5
‑
1wt.%； Ti: 1
‑
3wt.%；Fe:余量；其他杂质元素总量要求≤0.15wt.%。2.根据权利要求1所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层，其特征在于：W粉末粒度为600
‑
800目。3.根据权利要求1所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层，其特征在于：W与C的质量分数比控制在（7
‑
9）:1。4.根据权利要求1所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层，其特征在于：Ni和Al的质量分数比控制在（8
‑
12）:1；Ti与Al的质量比控制在（1.5
‑
2.5）:1。5.权利要求1
‑
4任意一项所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层的制备方法，其特征在于：所述合金粉末的制备包括以下步骤：（1）合金粉末的熔炼：待Ti和Fe完全熔化后加入Co、Ni和Al，最后加入Si；（2）雾化制粉：利用氮气保护雾化制粉技术制备合金粉末材料，所需雾化介质为氮气，将上述步骤（1）中熔融的合金溶液倒入雾化快速冷凝装置的坩埚中，利用该装置进行雾化制粉，得到Fe
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Co
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Ni
‑
Al
‑
Ti
‑
Si合金粉末材料；（3）筛分得成品合金粉末材料：将步骤（2）制备的Fe
‑
Co
‑
Ni
‑
Al
‑
Ti
‑
Si合金粉末材料进行筛分，其粒度在200
‑
400目范围内，得到合金粉末。6.根据权利要求5所述的用于提高海水全浸区钢结构件耐磨耐蚀寿命的原位合成WC增强铁合金基熔覆层的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：高远，邹祖冰，
申请(专利权)人：中国长江三峡集团有限公司，
类型：发明
国别省市：