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与流程

本发明属于海洋工程及沿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：

活塞杆是海洋工程及沿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烈冲刷磨损，导致活塞杆表面易发生化学腐蚀和物理磨损，以致液压系统密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，电镀铬工艺在国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等缺陷，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等问题。

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较大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。此外，碳化钨(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。

技术实现要素：

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％，所有组分之和为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％。

本发明还提供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)按上述配比取各组分，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：激光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：光斑直径为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，能够有效抑制海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，降低了涂层的裂纹敏感性。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。金属钽能够抑制涂层中粗大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位反应生成高硬度的细小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、改善涂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、与基材结合强度差等缺陷。

(3)激光熔覆加热速度快，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：光斑直径为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ra0.25μm。

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795hv0.2，粗糙度为ra0.21μm。在含沙流海水中涂层的冲刷失重量仅为基体不锈钢失重量的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：光斑直径为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ra0.25μm。

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842hv0.2，粗糙度为ra0.24μm。在含沙流海水中涂层的冲刷失重量仅为基体不锈钢失重量的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：光斑直径为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ra0.25μm。

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967hv0.2，粗糙度为ra0.23μm。在含沙流海水中涂层的冲刷失重量仅为基体不锈钢失重量的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：光斑直径为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ra0.25μm。在加工中发现少量涂层剥落；

显微硬度915hv0.2，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。