一种冶金结合的钢表面复合钛合金涂层及其制备方法

本发明属于金属腐蚀和防护，具体涉及一种冶金结合的钢表面复合钛合金涂层及其制备方法。

背景技术：

1、海洋工程中，由于海洋的特定环境，对其服役材料有很多特殊要求，最关键的便是耐海水腐蚀问题。许多水下设备往往由于腐蚀而报废，其次是深海下密封壳体结构的强度问题，这对于长期进行水下作业的设备尤为重要，因此研究高强、轻质、耐海水腐蚀、低成本的材料以及合理的结构设计和选材，已成为海洋工程的关键技术之一。

2、钛及钛合金具有很强的抗海水及各种介质腐蚀的特性，并且比强度高，是用于海洋工程的理想材料。随着钛工业的发展，钛材在水下工程的应用逐渐增多，但是由于其价格较贵，限制了其应用范围。相关技术中，研究人员通过在钢材或非金属材料表面覆盖一层钛合金涂层的方式提高材料利用率。然而，fe和ti之间极小的稀释率和较大的热膨胀系数差异，导致钛合金涂层制备过程中极易形成fe-ti脆性相、匙孔和裂纹，因此，有必要开发一种新的材料及其制备方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种冶金结合的钢表面复合钛合金涂层，该涂层利用激光熔覆技术先制备过渡中间层，可以有效解决钛合金涂层与钢材之间fe-ti脆性相和裂纹的形成。

2、本发明还提供了一种冶金结合的钢表面复合钛合金涂层的制备方法。

3、本发明的第一方面提供了一种冶金结合的钢表面复合钛合金涂层，制备原料包括合金粉末a和合金粉末b，所述合金粉末a包括铜合金粉末、镍合金粉末、铌合金粉末、钼合金粉末、铝合金粉末和镁合金粉末中的至少一种；所述合金粉末b包括钛合金粉末，所述合金粉末a和合金粉末b的质量比为(2～8)：1；所述冶金结合的钢表面复合钛合金涂层包括自基板开始，由所述合金粉末a形成的中间层和所述合金粉末b形成的表面层；

4、所述钛合金粉末中，以质量百分比计，元素含量为：

5、al:5.5％～6.75％；

6、v:3.5％～4.5％；

7、fe:≤0.03％％；

8、c:≤0.08％％；

9、o:≤0.20％；

10、n:≤0.05％；

11、h:≤0.015％；

12、余量为ti和杂质元素。

13、本发明关于冶金结合的钢表面复合钛合金涂层的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

14、本发明的冶金结合的钢表面复合钛合金涂层，包括自基板开始，依次设置的中间层和表面层，界面处为冶金结合，通过设置中间层，可以有效解决钛合金涂层与钢材之间fe-ti脆性相和裂纹的形成，fe-ti脆性相和裂纹明显减少，因此涂层致密性好、结合强度高、耐蚀性优异，具有更长的服役寿命。也具有更大的显微硬度和更好的耐磨性和耐磨损腐蚀性。

15、本发明的冶金结合的钢表面复合钛合金涂层，可以采用激光熔覆技术制备，自动化程度高、生产周期短，可制备复杂形状的冶金结合的钢表面复合钛合金涂层零部件。

16、本发明的冶金结合的钢表面复合钛合金涂层，无需热处理即可制备得到，制备流程简单、成本低、低碳环保无污染，可工业化生产和应用于多种工况环境。

17、本发明的冶金结合的钢表面复合钛合金涂层中，涂层结合方式为冶金结合。

18、根据本发明的一些实施方式，所述合金粉末a为铜合金粉末，所述铜合金粉末中，除了铜元素以外，o:≤0.1％，fe:≤0.03％％，杂质元素总量:≤0.08％。

19、根据本发明的一些实施方式，所述合金粉末a还可以为其他常见的工程应用金属合金粉末中的一种或几种的组合。

20、根据本发明的一些实施方式，所述的冶金结合的钢表面复合钛合金涂层的总厚度为400μm～1600μm。

21、根据本发明的一些实施方式，所述中间层的厚度为100μm～600μm。

22、根据本发明的一些实施方式，所述表面层的厚度为400μm～1600μm。

23、根据本发明的一些实施方式，所述冶金结合的钢表面复合钛合金涂层中，金相组织包括针状α(α′)相、精细β相、层片状α相、等轴晶、枝晶和柱状晶、金属中间相和未熔融的钛合金颗粒。

24、金相组织包括针状α(α′)相、精细β相、层片状α相、等轴晶、枝晶和柱状晶、金属中间相和未熔融的钛合金颗粒，由此，本发明制备的冶金结合的钢表面复合钛合金涂层具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐磨损腐蚀性、耐热性、塑性、韧性和比强度，针状α(α′)相、精细β相、层片状α相、等轴晶和枝晶能够提高冶金结合的钢表面复合钛合金涂层的机械性能；柱状晶有利于抑制涂层中匙孔和微裂纹等缺陷的形成，未熔融颗粒有利于抑制涂层中的裂纹扩展行为，从而提高冶金结合的钢表面复合钛合金涂层的力学性能。

25、根据本发明的一些实施方式，所述合金粉末a中，其他单个杂质元素的含量≤0.01wt％。

26、根据本发明的一些实施方式，所述合金粉末a中，杂质元素的总量≤0.08wt％。

27、根据本发明的一些实施方式，合金粉末a颜色为玫红色、黄铜色。

28、根据本发明的一些实施方式，所述合金粉末b中，其他单个杂质元素的含量≤0.01wt％。

29、根据本发明的一些实施方式，所述合金粉末b中，杂质元素的总量≤0.05wt％。

30、根据本发明的一些实施方式，所述耐磨耐蚀钛合金涂层的显微硬度为350hv0.1～700hv0.1。

31、根据本发明的一些实施方式，所述耐磨耐蚀钛合金涂层的抗剪强度为200mpa～500mpa。

32、根据本发明的一些实施方式，所述合金粉末a和合金粉末b的颗粒形态包括球形颗粒、类球形颗粒、正方体颗粒和不规则型颗粒。

33、合金粉末a和合金粉末b的颗粒形态为球形颗粒时，激光熔覆过程中颗粒流动性最佳，制备的冶金结合的钢表面复合钛合金涂层具有均匀致密的金相组织。

34、合金粉末a和合金粉末b的颗粒形态为类球形颗粒，颗粒之间不易粘结、孔隙率较低，制备的冶金结合的钢表面复合钛合金涂层中不易形成匙孔，有利于涂层的力学性能。

35、合金粉末a和合金粉末b的颗粒形态为正方体颗粒，颗粒熔化速率一致，熔融后的粉末凝固过程中容易形成连续光滑的表面，制备的冶金结合的钢表面复合钛合金涂层致密性高、匙孔极少。

36、合金粉末a和合金粉末b的颗粒形态为不规则型颗粒，小颗粒的粉末可以填充到大颗粒的空隙中，从而提高粉末堆积密度，有利于提高冶金结合的钢表面复合钛合金涂层的表面质量和强度。

37、根据本发明的一些实施方式，所述合金粉末a和合金粉末b的平均颗粒粒度为30μm～300μm。

38、合金粉末a和合金粉末b的平均颗粒粒度小于30μm，会导致熔凝过程中出现球化现象，造成涂层厚度不均匀；大于300μm，会导致粉末熔融速率的降低和熔池凝固速率的增加，涂层中易形成脆性金属中间相，使得钢表面复合钛合金涂层的力学性能降低。由此，30μm～300μm是适宜的平均颗粒粒度范围。

39、根据本发明的一些实施方式，合金粉末a的熔点为800℃～1600℃。

40、本发明的第二方面提供了一种制备所述的冶金结合的钢表面复合钛合金涂层的方法，所述方法为：在惰性气氛环境中，通过激光熔覆，依次用所述合金粉末a和合金粉末b对基板表面进行扫描。

41、本发明关于冶金结合的钢表面复合钛合金涂层的制备方法中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

42、本发明冶金结合的钢表面复合钛合金涂层的制备方法，无需热处理，制备流程简单、成本低，可工业化生产，可应用于多种工况环境。与有机涂料防腐技术相比，实现了低碳环保、无污染。

43、本发明冶金结合的钢表面复合钛合金涂层的制备方法，可以采用激光熔覆技术制备，自动化程度高，生产周期短，可制备复杂形状的钛合金涂层零部件。

44、本发明冶金结合的钢表面复合钛合金涂层的制备方法，利用激光熔覆技术制备过渡中间层，可以有效解决钛合金涂层与钢材之间fe-ti脆性相和裂纹的形成。

45、根据本发明的一些实施方式，所述激光熔覆采用连续扫描的形式，扫描轨道相互搭接，轨道搭接率为20％～80％。

46、根据本发明的一些实施方式，所述激光熔覆的激光功率为800～2000w。

47、根据本发明的一些实施方式，所述激光熔覆的激光扫描速率为4mm/s～32mm/s。

48、根据本发明的一些实施方式，所述激光熔覆的送粉方式包括三管道同轴送粉。

49、根据本发明的一些实施方式，所述激光熔覆的送粉速率为0.5r/min～4r/min。

50、根据本发明的一些实施方式，冶金结合的钢表面复合钛合金涂层的制备方法包括以下步骤：

51、步骤一：将合金粉末a和合金粉末b干燥处理，以去除粉末表面吸附的水分；

52、步骤二：将钢板表面磨抛、清洗、干燥，以去除表面杂质和缺陷；

53、步骤三：以钢板为基体，合金粉末b为覆材，利用激光熔覆技术进行连续扫描，得到样品a；

54、步骤四：待步骤三得到的样品a自然降温至室温，进行磨抛、清洗、干燥处理，得到合金中间层；

55、步骤五：以合金中间层为基体，合金粉末a为覆材，利用激光熔覆技术进行连续扫描，得到样品b；

56、步骤六：待步骤五得到的样品b自然降温至室温，进行磨抛处理，即得到冶金结合的钢表面复合钛合金涂层。

57、根据本发明的一些实施方式，步骤二中，钢板包括碳钢、低合金钢、不锈钢及常见其他牌号的工程应用钢材。

58、根据本发明的一些实施方式，钢板厚度为6mm～10mm。

59、根据本发明的一些实施方式，钢板优选采用q235钢。

60、根据本发明的一些实施方式，利用sic砂纸对钢板进行磨抛处理，sic砂纸最大磨抛目数为800目，磨抛后的钢板表面具有金属光泽且没有肉眼可见的缺陷。

61、根据本发明的一些实施方式，可以利用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的钢板进行清洗，清洗后的钢板立即用电吹风吹干表面，避免钢板生锈。

62、根据本发明的一些实施方式，步骤三中，激光熔覆技术采用三管道同轴送粉的方式，激光熔覆过程在保护气环境中进行，包括空气、氮气、氩气和氦气，熔池表面温度为1300℃～1600℃。

63、根据本发明的一些实施方式，步骤三中，激光熔覆采用连续扫描的形式，扫描轨道相互搭接，轨道搭接率为20％～70％，激光功率为800～1400w，激光扫描速率为4～32mm/s，送粉速率为0.5～4r/min。

64、根据本发明的一些实施方式，步骤四中，利用角磨机或钢刷对样品a进行磨抛处理，以去除表面的氧化层，磨抛后的表面具有金属光泽；利用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的表面进行清洗，清洗后的表面立即用电吹风吹干。

65、根据本发明的一些实施方式，步骤五中，激光熔覆技术采用三管道同轴送粉的方式，激光熔覆过程在惰性气氛环境中进行，包括氩气和氦气；激光熔覆过程中采用连续扫描的形式，扫描轨道相互搭接，轨道搭接率为20％～80％，激光功率为800～2000w，激光扫描速率为4～32mm/s，送粉速率为0.5～4r/min；熔池表面温度为1500～2000℃。

66、根据本发明的一些实施方式，步骤五中，钛合金粉末的激光熔覆方向有两种，一种为合金粉末b扫描轨迹与合金粉末a扫描轨迹平行，一种为合金粉末b扫描轨迹与合金粉末a扫描轨迹垂直。