本发明属于激光涂覆
技术领域：
，具体涉及一种牵引电机转子表面强化防腐处理工艺。
背景技术：
：轨道交通用牵引电机的工作原理与一般直流电动机相同，但有特殊的工作条件：空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制；在机车运行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动；大、小齿轮啮合不良时电枢上会产生强烈的扭转振动；在恶劣环境中运用，雨、雪、灰沙容易侵入等。因此牵引电动机在设计要充分利用机体内部空间使结构紧凑，要采用较高级的绝缘材料和导磁材料，零部件需有较高的机械强度和刚度，整台电机需有良好的通风散热条件和防尘防潮能力，同时转子在装配前还要有一序为表面强化工序，目前欧美较为发达国家采用的是对转子装配前进行喷砂或者抛丸处理，而无论是喷砂还是抛丸，都存在以下几个缺陷：(1)喷砂/抛丸的致密性和均匀性全凭经验参数，同一时间段，抛丸喷砂随时间长短，抛丸颗粒大小，风力大小，电源稳定等因素影响，强化不均匀，造成抗腐蚀不达标的风险；(2)喷砂和抛丸会产生大量有毒有害的粉尘，不但对环境造成污染，而且对于操作工的健康产生严重的威胁；现有技术多采用激光熔覆替代传统喷砂/抛丸，通过同步或预置材料的方式，将外部材料添加至基体经激光辐照后形成的熔池中，并使二者共同快速凝固形成包覆层的工艺方法。但是传统激光熔覆存在熔覆过程中成分及组织不均匀以及涂层粉末致密性低容易形成气孔，影响熔覆层与基体的结合强度。此外，激光熔覆对于电机转子这种不平整的表面结构，熔覆的粉材流动会造成熔覆层最终整体组织厚度不均的情况出现。技术实现要素：针对以上存在的技术问题，本发明提供一种牵引电机转子表面强化防腐处理工艺。本发明的技术方案：一种牵引电机转子表面强化防腐处理工艺，包括以下步骤：(1)表面预处理：先采用酸洗钝化液对牵引电机转子表面去油除锈，清水冲洗后烘干，得到表面预处理后的牵引电机转子；(2)制备合金粉末：按照质量百分比为：19％-20％ti、19％-20％zr、19％-20％v、19％-20％mo，余量为cr称取原料，采用真空感应熔炼成合金熔液，将所述合金熔液采用气雾化制粉，得到合金粉末，(3)制备涂层材料粉末：过筛选取粒径为20um-40um之间的合金粉末，将所述合金粉末与石墨烯按照质量比为1：5-20加入球磨机中，球磨处理20-40h，得到涂层材料粉末；(4)表面涂覆处理：将所述涂层材料装入冷喷涂机中，在步骤(1)预处理后的牵引电机转子表面采用冷喷涂法均匀喷涂一层涂层材料作为强化基体，在牵引电机转子接通1500-2100a电流的条件下，采用激光机对强化基体进行熔覆，冷却后即在牵引电机转子表面形成由五金属碳化物构成的具有强化防腐功能的熔覆层。进一步地，ti为纯度为99.96％的ta1纯钛板，zr采用纯度为99.99％的高纯锆块，v采用纯度为99.95％的高纯钒粒，mo采用纯度为99.99％的钼块，cr采用99.95％的铬板。进一步地，步骤(2)中真空感应熔炼的工艺步骤为：第一步，将ti、zr、v、mo、cr原料加入真空熔炼炉内的氧化钙陶瓷坩埚中，升温至700℃-800℃，保温5min-10min；第二步，以20-30℃/min逐步升温至2750℃-2800℃，保温20-25min，使原料全部熔化；第三步，以5-10℃/min逐步降温至2500℃-2600℃保温15-20min，得到合金熔浆。进一步地，步骤(3)中所述制备涂层材料粉末的具体方法包括以下步骤：(31)过筛选取粒径为20um-40um之间的合金粉末，将所述合金粉末与石墨烯按照质量比为1：5-20加入球磨机中；(32)将聚a-烯烃和体积分数为20-50％的乙醇溶液按照体积比为1:60-90混合，26-30khz频率下超声乳化30min，得到研磨液；(33)将所述研磨液分3-5次加入球磨机中，研磨液总质量占比合金粉末与石墨烯混合物总质量的20％-30％，球料比为10:1，球磨机转速为300rpm，球磨时间为20-40h；聚a-烯烃具有良好的润滑性并且抗氧化性能优良，能够防止合金粉末在长时间研磨过程中被氧化，还能够辅助石墨烯均匀分散在合金粉末上，有利于激光熔覆时形成更加均匀的碳化物。(34)球磨完成后取出产物，真空干燥后，得到表面包覆有石墨烯的合金粉末，可作为冷喷涂的涂层材料粉末使用。进一步地，步骤(4)中所述冷喷涂的工艺方法为：将制备涂层材料粉末装入冷喷涂设备中，在喷涂过程中冷喷涂出的制备涂层材料粉末以1500-1750m/s速度撞击牵引电机转子表面，制备涂层材料粉末在固态下发生塑性变形在牵引电机转子表面沉积形成厚度为1-3mm的涂层，冷喷涂的工艺参数为：气体压力为1.5-1.7mpa，气体加热温度为150-170℃，送粉量控制在8-12g/min，喷枪出口距离沉积表面控制在10-20mm，喷枪移动速度为60-80mm/min。冷喷涂相对温度低，不会熔化制备涂层材料粉末，利用压缩空气加速制备涂层材料粉末到临界速度(超音速)，制备涂层材料粉末撞扁在牵引电机转子表面并牢固附着，为激光熔覆提供厚度更加均匀的粉体材料，相较于同步送粉式更加适用于基体表面结构复杂的情况。进一步地，步骤(4)中所述电流为脉冲电流，脉冲频率为1000-3000hz，通入脉冲频率至牵引电机转子表面升温至600-700℃，然后采用激光机对强化基体进行激光熔覆。强脉冲电流所产生的电磁匝缩效应会在强化防腐层和转子表层金属被激光熔融的过程中产生切变应力，导致枝晶断裂或部分重熔，从而使晶粒细化。进一步地，步骤(4)中所述激光机对强化基体进行熔覆的具体参数为：熔覆激光功率为4500-5000w，光斑直径为2mm，扫描速度为7-8mm/s，搭接率为40％，激光入射角度为与牵引电机转子表面呈60度夹角。进一步地，步骤(4)中冷却方法为采用-20℃至-10℃低温空气以10-15m/s的速度吹扫牵引电机转子表面。采用低温快速冷却表面的熔覆层，能够使凝固组织细化，增加强化防腐层的强度。本发明的有益效果为：(1)本发明采用ti、zr、v、mo、cr五种金属元素与石墨烯进行配伍，在通入脉冲电流条件下结合激光熔覆形成五金属碳化物，依赖晶体结构中存在缺陷增加熔覆层材料的强度，强化转子表面物理性能；(2)本发明采用冷喷涂机代替co2激光熔覆送粉器在转子基体表面预置粉末，冷喷涂相对温度低，不会熔化制备涂层材料粉末，利用压缩空气加速制备涂层材料粉末到超音速的临界速度，制备涂层材料粉末撞扁在牵引电机转子表面并牢固附着，为激光熔覆提供厚度更加均匀的粉体材料，而co2激光熔覆送粉器送粉易发生流动，造成熔覆层最终整体组织厚度不均，从而影响熔覆层的致密度，降低其防腐性能。总之，本发明在电机转子表面所制得的熔覆层光滑、组织致密、结构均匀、熔覆层与基体结合度高，表面无气孔和裂纹，显著改善电机转子表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化或电气特性。具体实施方式实施例1一种牵引电机转子表面强化防腐处理工艺，包括以下步骤：(1)表面预处理：采用深圳市鑫昌源科技有限公司市售产品铜材专用酸洗钝化液和水按照体积比为1:15配比稀释而成，在30℃条件下，将将牵引电机转子浸入3分钟后取出，去除牵引电机转子表面油污和锈迹，清水冲干后，70℃烘干，得到表面预处理后的牵引电机转子；(2)制备合金粉末：按照质量百分比为：19％ti、19％zr、19％v、19％％mo，余量为cr称取原料，其中，ti为纯度为99.96％的ta1纯钛板，zr采用纯度为99.99％的高纯锆块，v采用纯度为99.95％的高纯钒粒，mo采用纯度为99.99％的钼块，cr采用99.95％的铬板。将称取的原料采用真空感应熔炼成合金熔液，真空感应熔炼的工艺步骤为：第一步，将ti、zr、v、mo、cr原料加入真空熔炼炉内的氧化钙陶瓷坩埚中，升温至700℃，保温5min；第二步，以20℃/min逐步升温至2750℃，保温20min，使原料全部熔化；第三步，以5℃/min逐步降温至2500℃保温15min，得到合金熔浆。然后将所述合金熔液采用气雾化制粉，得到合金粉末，所述气雾化制粉的工艺参数为：控制氮气喷出速率为850m/s；所述氮气和所述合金熔液的流量比为20:1。(3)制备涂层材料粉末：过筛选取粒径为20um之间的合金粉末，将所述合金粉末与石墨烯按照质量比为1：5加入球磨机中；将聚a-烯烃和体积分数为20％的乙醇溶液按照体积比为1:60混合，26khz频率下超声乳化30min，得到研磨液；将所述研磨液分3-5次加入球磨机中，研磨液总质量占比合金粉末与石墨烯混合物总质量的20％，球料比为10:1，球磨机转速为300rpm，球磨时间为20h；聚a-烯烃具有良好的润滑性并且抗氧化性能优良，能够防止合金粉末在长时间研磨过程中被氧化，还能够辅助石墨烯均匀分散在合金粉末上，有利于激光熔覆时形成更加均匀的碳化物。球磨完成后取出产物，真空干燥后，得到表面包覆有石墨烯的合金粉末，可作为冷喷涂的涂层材料粉末使用。(4)表面涂覆处理：第一步，将制备涂层材料粉末装入冷喷涂设备中，在喷涂过程中冷喷涂出的制备涂层材料粉末以1500m/s速度撞击牵引电机转子表面，制备涂层材料粉末在固态下发生塑性变形在牵引电机转子表面沉积形成厚度为1mm的涂层作为强化基体，冷喷涂的工艺参数为：气体压力为1.5mpa，气体加热温度为150℃，送粉量控制在8g/min，喷枪出口距离沉积表面控制在10mm，喷枪移动速度为60mm/min。冷喷涂相对温度低，不会熔化制备涂层材料粉末，利用压缩空气加速制备涂层材料粉末到临界速度(超音速)，制备涂层材料粉末撞扁在牵引电机转子表面并牢固附着，为激光熔覆提供厚度更加均匀的粉体材料，相较于同步送粉式更加适用于基体表面结构复杂的情况。第二步，为牵引电机转子接通脉冲频率为1000hz，电流大小为1500a的脉冲电流，至牵引电机转子表面升温至600℃，然后采用激光机对强化基体进行激光熔覆。强脉冲电流所产生的电磁匝缩效应会在强化防腐层和转子表层金属被激光熔融的过程中产生切变应力，导致枝晶断裂或部分重熔，从而使晶粒细化。第三步，在牵引电机转子接通脉冲电流的条件下，采用二氧化碳激光机对强化基体进行熔覆，二氧化碳激光机对强化基体进行熔覆的具体参数为：熔覆激光功率为4500w，光斑直径为2mm，扫描速度为7mm/s，搭接率为40％，激光入射角度为与牵引电机转子表面呈60度夹角。第四步，采用-10℃低温空气以10m/s的速度吹扫牵引电机转子表面使其快速冷却，形成由五金属碳化物构成的具有强化防腐功能的熔覆层。采用低温快速冷却表面的熔覆层，能够使凝固组织细化，增加强化防腐层的强度。实施例2一种牵引电机转子表面强化防腐处理工艺，包括以下步骤：(1)表面预处理：采用深圳市鑫昌源科技有限公司市售产品铜材专用酸洗钝化液和水按照体积比为1:15配比稀释而成，在45℃条件下，将将牵引电机转子浸入4分钟后取出，去除牵引电机转子表面油污和锈迹，清水冲干后，70℃烘干，得到表面预处理后的牵引电机转子；(2)制备合金粉末：按照质量百分比为：19.5％ti、19.5％zr、19.5％v、19.5％mo，余量为cr称取原料，其中，ti为纯度为99.96％的ta1纯钛板，zr采用纯度为99.99％的高纯锆块，v采用纯度为99.95％的高纯钒粒，mo采用纯度为99.99％的钼块，cr采用99.95％的铬板。将称取的原料采用真空感应熔炼成合金熔液，真空感应熔炼的工艺步骤为：第一步，将ti、zr、v、mo、cr原料加入真空熔炼炉内的氧化钙陶瓷坩埚中，升温至750℃，保温10min；第二步，以25℃/min逐步升温至2800℃，保温23min，使原料全部熔化；第三步，以8℃/min逐步降温2500℃保温18min，得到合金熔浆。然后将所述合金熔液采用气雾化制粉，得到合金粉末，所述气雾化制粉的工艺参数为：控制氮气喷出速率为870m/s；所述氮气和所述合金熔液的流量比为21:1。(3)制备涂层材料粉末：过筛选取粒径为30um之间的合金粉末，将所述合金粉末与石墨烯按照质量比为1：15加入球磨机中；将聚a-烯烃和体积分数为35％的乙醇溶液按照体积比为1:75混合，28khz频率下超声乳化30min，得到研磨液；将所述研磨液分4次加入球磨机中，研磨液总质量占比合金粉末与石墨烯混合物总质量的25％，球料比为10:1，球磨机转速为300rpm，球磨时间为30h。球磨完成后取出产物，真空干燥后，得到表面包覆有石墨烯的合金粉末，可作为冷喷涂的涂层材料粉末使用。(4)表面涂覆处理：第一步，将制备涂层材料粉末装入冷喷涂设备中，在喷涂过程中冷喷涂出的制备涂层材料粉末以1600m/s速度撞击牵引电机转子表面，制备涂层材料粉末在固态下发生塑性变形在牵引电机转子表面沉积形成厚度为1.5mm的涂层作为强化基体，冷喷涂的工艺参数为：气体压力为1.6mpa，气体加热温度为160℃，送粉量控制在10g/min，喷枪出口距离沉积表面控制在15mm，喷枪移动速度为70mm/min。第二步，为牵引电机转子接通脉冲频率为2000hz，电流大小为2000a的脉冲电流，至牵引电机转子表面升温至650℃，然后采用激光机对强化基体进行激光熔覆。第三步，在牵引电机转子接通脉冲电流的条件下，采用二氧化碳激光机对强化基体进行熔覆，二氧化碳激光机对强化基体进行熔覆的具体参数为：熔覆激光功率为4700w，光斑直径为2mm，扫描速度为7.5mm/s，搭接率为40％，激光入射角度为与牵引电机转子表面呈60度夹角。第四步，采用-15℃低温空气以12m/s的速度吹扫牵引电机转子表面使其快速冷却，形成由五金属碳化物构成的具有强化防腐功能的熔覆层。采用低温快速冷却表面的熔覆层，能够使凝固组织细化，增加强化防腐层的强度。实施例3一种牵引电机转子表面强化防腐处理工艺，包括以下步骤：(1)表面预处理：采用深圳市鑫昌源科技有限公司市售产品铜材专用酸洗钝化液和水按照体积比为1:15配比稀释而成，在60℃条件下，将将牵引电机转子浸入5分钟后取出，去除牵引电机转子表面油污和锈迹，清水冲干后，70℃烘干，得到表面预处理后的牵引电机转子；(2)制备合金粉末：按照质量百分比为：19.7％ti、19.7％zr、19.7％v、19.7％mo，余量为cr称取原料，其中，ti为纯度为99.96％的ta1纯钛板，zr采用纯度为99.99％的高纯锆块，v采用纯度为99.95％的高纯钒粒，mo采用纯度为99.99％的钼块，cr采用99.95％的铬板。将称取的原料采用真空感应熔炼成合金熔液，真空感应熔炼的工艺步骤为：第一步，将ti、zr、v、mo、cr原料加入真空熔炼炉内的氧化钙陶瓷坩埚中，升温至800℃，保温10min；第二步，以30℃/min逐步升温至2800℃，保温25min，使原料全部熔化；第三步，以10℃/min逐步降温至2600℃保温20min，得到合金熔浆。然后将所述合金熔液采用气雾化制粉，得到合金粉末，所述气雾化制粉的工艺参数为：控制氮气喷出速率为900m/s；所述氮气和所述合金熔液的流量比为22:1。(3)制备涂层材料粉末：过筛选取粒径为40um之间的合金粉末，将所述合金粉末与石墨烯按照质量比为1：20加入球磨机中；将聚a-烯烃和体积分数为50％的乙醇溶液按照体积比为1:90混合，30khz频率下超声乳化30min，得到研磨液；将所述研磨液分3-5次加入球磨机中，研磨液总质量占比合金粉末与石墨烯混合物总质量的30％，球料比为10:1，球磨机转速为300rpm，球磨时间为40h。球磨完成后取出产物，真空干燥后，得到表面包覆有石墨烯的合金粉末，可作为冷喷涂的涂层材料粉末使用。(4)表面涂覆处理：第一步，将制备涂层材料粉末装入冷喷涂设备中，在喷涂过程中冷喷涂出的制备涂层材料粉末以1750m/s速度撞击牵引电机转子表面，制备涂层材料粉末在固态下发生塑性变形在牵引电机转子表面沉积形成厚度为3mm的涂层作为强化基体，冷喷涂的工艺参数为：气体压力为1.7mpa，气体加热温度为170℃，送粉量控制在12g/min，喷枪出口距离沉积表面控制在20mm，喷枪移动速度为80mm/min。第二步，为牵引电机转子接通脉冲频率为3000hz，电流大小为2100a的脉冲电流，至牵引电机转子表面升温至700℃，然后采用激光机对强化基体进行激光熔覆。第三步，在牵引电机转子接通脉冲电流的条件下，采用二氧化碳激光机对强化基体进行熔覆，二氧化碳激光机对强化基体进行熔覆的具体参数为：熔覆激光功率为5000w，光斑直径为2mm，扫描速度为8mm/s，搭接率为40％，激光入射角度为与牵引电机转子表面呈60度夹角。第四步，采用-20℃低温空气以15m/s的速度吹扫牵引电机转子表面使其快速冷却，形成由五金属碳化物构成的具有强化防腐功能的熔覆层。采用低温快速冷却表面的熔覆层，能够使凝固组织细化，增加强化防腐层的强度。测试实施例1-3中在牵引电机转子表面形成的强化防腐层的性能，其中，硬度采用维氏硬度测量，单位为hv；熔覆层与转子阶梯结合强度采用gb/t6396-2008检测，单位为mpa，外观检测采用显微镜检测；防腐性能采用按照标准的腐蚀实验规范(astmg54-77)进行操作，高温腐蚀时间为168h，计算腐蚀增重量。性能检测结果如表1所示：表1实施例1-3在牵引电机转子表面形成的熔覆层的性能测试结果从表1中可以看出实施例2的制备方法处的熔覆层效果最优。实验例4本实施例用于研究不同球磨条件对牵引电机转子表面熔覆层性能的影响。研究以实施例2为实验例，设置对比例1和对比例2，对比例1采用干法球磨，不使用研磨液；对比例2单采用乙醇作为研磨液进行湿法球磨，而实验例是采用乙醇和聚a-烯烃作为研磨液进行湿法球磨。实施例2和对比例1-2其余条件均相同，牵引电机转子表面熔覆层性能测试结果如表2所示：表2实施例2和对比例1-2在牵引电机转子表面形成的熔覆层的性能测试结果从表2可以看出，采用乙醇和聚a-烯烃作为研磨液进行湿法球磨得到的合金粉末，由于石墨烯充分混合包裹在合金粉末上，可防止在冷喷涂时石墨烯因为质量轻而发生飞粉，从而影响了合金粉末与石墨烯的最终配比。实验例5本实施例用于研究不同表面涂覆处理方式对牵引电机转子表面性能熔覆层的影响。研究以实施例2为实验例，设置对比例1-3，实施例2和对比例1-3其余制备工艺步骤均相同，不同之处在见表3，不同表面涂覆处理后的牵引电机转子表面熔覆层性能测试结果如表4所示：表3实施例2和对比例1-3的不同表面涂覆处理方式合金粉末铺设方式是否通入电流冷却方式实施例2冷喷涂机是-15℃低温空气吹扫对比例1co2激光熔覆送粉器是-15℃低温空气吹扫对比例2冷喷涂机否-15℃低温空气吹扫对比例3冷喷涂机是自然冷却表4实施例2和对比例1-3不同表面涂覆处理后的牵引电机转子表面熔覆层性能测试结果由表4可以看出，对比例1与实施例2相比可知，采用冷喷涂机预置合金粉末相比采用co2激光熔覆送粉器预置合金粉末，熔覆层与转子基体的结合强度更高，且在不平整的转子表面形成的熔覆层组织更加均匀。对比例2和实施例2相比各项性能都显著下降，这是因为在没有电流辅助合金材料内电子迁移形成空穴，单凭激光熔融很难将五种金属元素和石墨烯混杂形成五碳化合物，因此在转子表面形成的熔覆层硬度和结合强度都有明显下降。对比例3和实施例2相比可以看出经过低温快速冷却方式比自然冷却的熔覆层外观组织更加均匀和致密。当前第1页12