激光涂覆耐腐蚀涂层工艺讲解

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1、激光涂覆耐腐蚀涂层工艺的研发项目可行性报告申报时间：二。一三年五月目录一、立项的背景和意义 3.二、国内外研究现状和发展趋势 3.三、研究开发内容和技术关键 5.四、预期目标（主要技术经济指标、知识产权申请情况、应用前景） 6五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解 7.六、计划进度安排 8.七、现有工作基础和条件 9.八、经费预算 9.#、立项的背景和意义由于阀门密封面长期处于高温介质之中并受到介质的冲刷和腐蚀， 即使采用 耐腐蚀性能较好的哈氏合金， 也不能解决耐磨、 耐腐性能的问题， 而且成本也很 高。泵阀作为温州传统优势产业，目前大多采用超音速喷涂、等离子喷涂、硬化 合金等方法，虽然超

2、音速喷涂的结合强度较高，但是变形量较大；等离子喷涂、 硬化合金的方法又存在涂层疏松、 缺陷多、基体热影响区大、 生产周期长等缺点。 因此一种结合强度高，耐腐蚀性能好，且价格较低廉的涂层成为一种主流方式。随着激光熔覆技术的蓬勃发展， 开辟了一条新途径。 采用激光熔覆技术可在 廉价的钢材表面获得高性能的耐磨、耐蚀涂层，且熔覆层均匀致密、缺陷少、成 品率高。作为一种先进的表面覆层技术， 由于激光熔覆的涂层是合金化的， 与各 种传统的堆焊、热喷涂、喷焊等制备熔覆层的技术，只是机械连接相比，其熔覆 层质量和使用性能更优异。激光熔覆层对金属的表面进行合金化处理有很多优 点：不受表面形貌的限制，处理后的组织

3、均匀细小，硬度及耐磨性耐蚀性更好； 热影响区小，覆材的稀释率低；表面处理受热面积小，能量高，不影响基体组织 和性能，且不易产生变形。因此，本项目采用激光熔覆技术， 可在阀门工件表面上获得高性能耐磨、 耐 腐蚀涂层，强化后的截止阀、 安全阀密封面， 其质量明显优于传统工艺强化的密 封面，具有更好的耐摩擦磨损、耐冲蚀和耐腐蚀等性能，寿命明显提高，减少了 因阀门密封面事故造成的停产损失， 阀门使用量减少， 提高了生产线的安全性与 可靠性；并且在阀座内腔环型密封面的加工上，激光束可直接扫描，而堆焊、喷 焊等工艺因焊具不便进入或操作不便而不能加工或不能保证质量。 提高产品市场 竞争力，对加快建设资源节约

4、型和环境友好型社会， 全面提高可持续发展能力有 着重大意义。二、国内外研究现状和发展趋势激光熔覆研究始于20世纪70年代初，是由美国Gnanamulhu最早发明并从 事这项技术的研究工作。 当时技术条件的限制， 在最初一段时间这项技术发展得 十分缓慢。到了 70 年代后半期出于对战略材料的考虑，以及对半导体激光退火 的广泛研究，促使该项技术得到迅速发展，到了 80 年代初已发展成为材料表面 工程领域的前沿课题。 随着激光熔覆研究的不断深入， 无论在熔覆材料体系的开 发及工艺研究方面，还是在熔覆硬件系统的设计方面，都取得了相当大的成就。1、国内研究现状我国已从上世纪 90 年代初期就对激光熔覆开

5、始了初步研究，涉及研究内容 如下： 建立熔池的物理模型，对熔池内外的温度场与流场进行了计算模拟，对 激光熔覆过程中传热和传质情况进行了分析，如天津工业大学等。 激光熔覆工艺参数的研究，如清华大学、哈尔滨工业大学，北京工业大 学、华中科技大学等。 在激光熔覆过程中， 向自熔性合金粉末中添加 La2O3、TiO2、MgO、Ln2O3 等稀土氧化物，以抑制粗大块状硬质相的生长，改善枝晶分布，细化组织晶粒， 提高涂层韧性，从而降低激光熔覆层的裂纹敏感性，如清华大学、郑州大学等。 激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能，华中理工大学的陶曾毅 教授等在 A3 钢表面制备了 Ni-WC 激光熔覆层，显著提

6、高了金属表面耐磨性。 张思玉等在 45#钢基体上熔覆 WC-TiN-C 。硬质合金，表面化学成分和显微组织 发生根本性变化， 硬度和耐磨性得到提高。 吴运新等在不锈钢表面进行了镍铬激 光熔覆研究，发现钢体表面耐磨性明显提高。2、国外研究现状 激光熔覆基础理论研究，如英国利物浦大学。 采用激光熔覆的方法快速修复大型成套设备， 如西班牙中央冶金研究所和 德国夫朗和佛光束技术研究所。 研究涂层设计及工艺参数对激光熔覆显微裂纹的影响，如R.JagdheesI等。 激光熔覆改善阀座、 活塞、 汽缸等汽车发动机关键零件表面性能， 如日本 丰田、尼桑汽车公司等。与本项目研究相关的耐腐蚀性熔覆层一般都以不锈钢

7、、 钴基、镍基自熔合金 及以它们为基的陶瓷复合粉末材料为主。 Wang A H 等在 Al-Si 合金激光熔覆 SiC 增强 ZK60 镁基复合材料， 发现复合材料极化曲线出现了显著的钝化现象， 使得腐蚀电位有了明显的提高，腐蚀电流密度也有较大的降低。胡乾午用2KW-Nd:YAG 激光器对 Mg-SiC 复合材料进行铜合金熔覆，在研究中发现：熔 覆层与基材的结合良好，熔覆试样的腐蚀电位 Ecorr 比未处理的试样提高了 3.7 倍，而腐蚀电流密度 Jcorr 降低近了 22 倍。激光熔覆时， 添加稀土或稀土氧化物到自熔性合金粉末中， 能显著的提高熔 覆层的耐磨、耐蚀性能，其主要原因有两个： 一

8、是通过添加稀土或稀土化合物后， 使熔覆层表面组织更加均细， 同时因为稀土原子对氢的陷阱作用， 从而明显降低 氢的活度，导致阴极反应减缓；二是稀土化合物具有弥散强化及净化晶界的作用， 能进一步改善晶界的微观组织， 从而降低晶界中的缺陷， 显著降低由于微缺陷导 致而形成原电池产生的腐蚀， 这样熔覆层的钝化性能即可得到明显得提高。 颜永 根等使用5KW-CO2激光器对Q235低碳钢表面进行Ni60-CeO2复合粉末的熔覆， 观察阳极极化曲线发现：当添加1.5%纳米CeO2时腐蚀电流急剧减小，从而证明 熔覆层的耐蚀性能得到提高。赵高敏等在激光熔覆铁基合金时添加了一定量的 La2O3,实验表明：La2O

9、3能细化晶粒、净化晶界、因此使熔覆层组织更趋于均匀， 同时也减少了缺陷的出现，使熔覆层的耐腐蚀能力明显提高。综上所述，激光熔覆耐磨、耐腐蚀性涂层的发展趋势朝着以研究熔覆材料， 工艺参数研究等方向发展。然而截止当前，工业生产中激光熔覆技术应用于民用阀门零部件的技术少有 报道。三、研究开发内容和技术关键研究开发内容：(1) 研究适用于耐磨、耐蚀性激光熔覆涂层专用材料。 目前采用的熔覆材料是从喷涂合金材料中套用过来的，不能体现激光熔覆技术本身的优越性，因此对常用基材根据需求采用的熔覆材料做系统性定量分 析。(2) 系统研究激光工艺参数对熔覆层耐磨、耐蚀性的影响。 通过改变激光功率、输出模式、扫描速度

10、、光斑直径或宽度、送粉速度等工艺参数，采用相关检测设备对所得到的熔覆层性能的进行极化曲线、腐蚀速 率、硬度检测，初步阀门制定激光熔覆的工艺参数。(3) 激光熔覆层裂纹研究与控制 通过对激光熔覆过程控制、熔覆材料、工艺参数的变化，研究熔覆层裂纹 的产生原因与机理，对激光熔覆工艺、熔覆材料、工艺参数进行优化，对熔覆 层裂纹提出行之有效的解决办法。技术关键 :由于熔覆材料和基体材料热物理性能的差异、 工艺参数、工艺流程、 工装夹 具等配套参数较为复杂，使得质量不易控制，导致激光熔覆层存在裂纹、气孔、 氧化和烧损，本项目的技术关键主要有以下几个方面：(1)开发一种超强超韧性复合熔覆材料，成分包括二硫化

11、钼、WC、玻璃粉、 CeO2 等，提高阀门关键件的硬度、 韧性、耐蚀性、 自熔性， 及基体结合力。( 2)开发阀门部件激光熔覆的关键性关键技术及工艺参数， 制备低应力无 裂纹熔覆层，获得熔覆调制层的比值。四、预期目标(主要技术经济指标、知识产 权申请情况、应用前景)1 、主要技术经济指标( 1 )耐强酸腐蚀在 pH 值为 1.8 的强酸介质中，采用该技术涂覆的涂层腐蚀电位比基体材料 正移 0.2mV 以上；( 2)熔覆层腐蚀速率采用该技术涂覆的涂层在 5%NaCI中性溶液中的腐蚀速率W 0.005mm/a。( 3)熔覆层硬度采用该技术涂覆的涂层的平均显微硬度 600HV0.2。2、知识产权申请

12、情况 在国内外核心刊物上发表论文 1 篇，申请专利 12 项。3、应用前景本项目所涉及的激光熔覆耐蚀性涂层工艺，研究并开发一套包含熔覆参数、 熔覆层专用材料。研究结果涉及面广， 除了上述提到的柱塞、 涡轮发动机叶片、 电厂汽轮机叶 片、鼓风机叶片、汽车发动机轴颈、齿轮、气门、挺杆、阀门等之外，还可以在 汽车工业、模具、航空航天、石油行业等其他方面有所作为，经济与社会效益显 著。五、研究方案、技术路线、组织方式与课题 分解1. 研究方案（1）利用 4KW 半导体横流激光器在 316 不锈钢表面激光熔覆钴基合金涂层； 分析激光功率、输出模式、扫描速度、光斑直径或宽度、送粉速度等工艺参数对 组织与性

13、能的影响， 通过电化学分析仪对耐蚀性能进行筛选， 选出有显著影响或 有影响的因素， 再选择几组水平对其进行多因素正交实验， 确定熔覆涂层材料基 础成分。（ 2）在确定基础成分的基础上，选择 Cr3C2、 WC 及稀土氧化等作为基础材 料的添加剂，研究其单独、 复合作用对金属耐腐蚀性能的影响， 与未添加情况下 进行分析比较，确定添加剂的种类，加入量等。（3）采用 OM 、FSEM、 EDS 和 XRD 等各种分析和观察手段，对激光熔覆 涂层的组织形貌、 物相等进行分析研究。 对其耐蚀机理作初步分析讨论， 来指导 工业化应用。（4）研究送粉量、 激光功率、 扫描速度等与稀释率与基体冶金结合情况等之

14、 间的内在联系，以获得高表面质量与耐腐蚀性能较好的涂层。2. 技术路线：项目技术路线如图 1 所示。图1技术路线3.组织方式与课题分解：项目可分解成熔覆材料的研发、激光工艺的优化及耐蚀涂层质量的控制等三 个方面。六、计划进度安排时间起始年月进度目标要求2013.06 至 2013.09完成熔覆材料的研发工作2013.10 至 2013.12完成激光熔覆工艺的优化工作2014.01 至 2014.03完成涂层的质量控制及工装夹具的研发工作2014.04 至 2015.05整理结题资料，完成项目总结和验收#七、现有工作基础和条件申请者及参与人员对项目研究具有明确的技术思路及方案， 且在之前对该项

15、目做过大量的基础研究工作， 获得极为理想的结果。 所在单位具备相应的研究条 件。本项目组成员由老师与在校学生组成。 成员结构合理， 具有较强的科研创新 能力，可以确保达到项目研究的预期目标。项目依托系部拥有轻工化学研究院实验室、 光机电实验室以及先进的科研设 备能进行材料和产品的显微组织观察、 成分分析、结构分析以及性能测试等仪器， JTL-YW400 激光焊接机， DRXL-I 导热系数测试仪， POT 型光学实验平台， WDW-300 型微机控制电子万能试验机， DM2500 德国徕卡金相显微镜， 402MVD 美国产显微硬度计，瑞士 ARL 公司生产的 X 荧光光谱仪、美国 FEI 公司生产的 场发射扫描电镜等常规分析检测实验仪器设备等。 因此，本项目已具备良好的研 发基础和相应工作条件。八、经费预算（单位：元）序号预算科目名称专项经 费预算依据编制说明(1)（2）（3）（4）1一、经费总计500021、材料费2000相关药品、材料费用不应列支普通办公耗材；大宗及 贵重材料应重点说明；避免与设 备费、测试化验加工费重复列支32、测试化验加工费700耐蚀性、结合力测 试，材料加工费支付给外单位的检验、测试、化 验及加工等费用43、差旅费600