一种抗空蚀用热喷涂金属陶瓷涂层的激光重熔方法与流程

本发明涉及耐空蚀涂层技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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，本发明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，本发明采用的技术方案是：

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。

本发明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500～2000w，光斑直径为0.5～3mm，光斑移动速度为200～500mm/min，保护气体压力0.4～1.2mpa，保护气体流量4～10l/min。

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。

所述的热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，其他参数采用本领域常规使用的参数。

当所述的冷喷涂用的材料按体积份数包括：30-60份金属粉末和30-70份陶瓷粉末时，步骤(1)采用超音速火焰喷涂，其参数设置：燃气为丙烷，燃气流量为40～60l/min，氧气流量为60～100l/min；载气为氩气或高纯氮气，载气流量为10～30l/min；送粉量为40～60g/min；喷雾距离为40～70mm；

步骤(2)中所述的激光重熔的参数设置：功率为500～1000w，光斑直径为0.5～1.5mm，光斑移动速度为200～500mm/min，保护气体压力0.5～0.8mpa，保护气体流量5～6l/min。

本发明公开的方法可应用于螺旋桨、水轮机叶片上等，延长设备的服役时间，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。也可应用于螺旋桨、水轮机叶片等设备的修复。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的方法与直接激光熔覆陶瓷材料制备的涂层相比，消除了陶瓷粉末在基体表面沉降的问题。

(2)本发明的方法与单独使用热喷涂技术制备的涂层相比，激光重熔能够将基体表面的涂层再次熔融，形成新的结构，包括部分的陶瓷和金属的冶金结合，降低涂层的孔隙率，解决了直接热喷涂的涂层存在的微孔和微裂痕的缺陷，使涂层的耐空蚀性大大提高。

(3)热喷涂时采用共进料系统，避免陶瓷和金属粉末因密度不同导致的混合困难，也避免了机械混合时对粉末的损伤。

(4)本发明的方法在基体表面制备的涂层具有非常好的抗空蚀性，可应用于螺旋桨、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。

附图说明

图1为实施例1制备的耐空蚀涂层表面扫描电镜图。

图2为实施例1制备的耐空蚀涂层截面扫描电镜图。

图3为实施例1制备的耐空蚀涂层的超声空蚀10小时后表面扫描电镜图。

图4为实施例1制备的有耐空蚀涂层的316不锈钢与未处理的316不锈钢超声空蚀10小时后累计空蚀损失体积对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。

实施例1

本实施例中，基体材料选用316不锈钢，在其表面制备耐空蚀涂层的步骤包括：

(1)利用乙醇对316不锈钢的表面清洗基体表面的污物，待干燥后采用80目棕刚玉砂对基体表面喷砂粗化，喷砂的气压为0.6mpa，喷砂时间为60秒，使其粗糙度达到喷涂要求；

(2)在喷砂后的基体利用热喷涂制备金属陶瓷复合涂层：以wc粉末和镍粉末为原料，wc粉末与镍粉末的体积比为45:55，采用超音速火焰喷涂在基体表面形成厚度约0.2～0.3mm的金属陶瓷复合涂层，参数设置：燃气为丙烷，燃气流量为50～60l/min，氧气流量为80～90l/min，载气为氩气或者氮气，载气流量为15～20l/min；送粉量为55g/min；喷雾距离为50mm；

(3)对步骤(2)热喷涂处理后的基体进行激光重熔处理：激光重熔的参数为：激光功率800w，激光光斑直径为1mm，光斑移动速度500mm/s，激光路径重复率为55％，使用高纯氮气或者氩气进行侧吹保护，保护气体压力0.7mpa，流量6l/min。

最终在316不锈钢的表面用热喷涂与激光重熔复合工艺制得耐空蚀涂层，将处理后的耐空蚀涂层进行电镜扫描，结果如图1和图2所示，从图1可以看出经热喷涂与激光重熔复合工艺制备的耐空蚀涂层的表面均匀平整，致密，孔隙小。从图2可以看出，其中较亮的白色块为wc颗粒，与镍完全相容，并且wc颗粒出现连接，使得整个涂层表面结构致密，从而大大提高基体的耐空蚀性。

将经上述步骤处理后的316不锈钢与未处理的316不锈钢进行耐空蚀性能测试，测试具体如下：用2000目的砂纸对基体或处理后的基体表面进行打磨和抛光处理，利用超声空蚀设备按照astm-g32-2010标准测试材料的耐空蚀性。

超声空蚀设备频率设置为20khz，振幅为±50μm，超声空蚀头和样品表面之间的距离为1mm，空蚀头浸入水中23±2mm，测试溶液为去离子水，水温保持为25±2℃。

经超声空蚀20h后耐空蚀涂层的扫描电镜如图3所示，表面只出现少量小孔。有耐空蚀涂层的316不锈钢与未处理的316不锈钢超声空蚀20小时后累计空蚀损失体积对比图如图4所示，超声空蚀20h后，未处理的316不锈钢累计空蚀损失体积为13mm³，而有耐空蚀涂层的316不锈钢累计空蚀损失体积为8.7mm³，耐空蚀性提高1.5倍，耐空蚀性能大大提高。