一种稳态电磁场辅助激光熔覆管道内壁钴合金涂层的方法与流程

本发明属于金属表面工程与激光增材制造，涉及一种稳态电磁场辅助激光熔覆管道内壁钴合金涂层的方法。

背景技术：

1、硬质合金涂层是改善管路表面性能的有效方法。钴合金中含有cr、ni、w、mo、fe等元素，具有优异的耐磨、耐蚀、抗冲击和抗高温氧化性能，是制造耐磨耐蚀管道涂层的理想材料。然而，传统的熔覆技术仍面临诸多问题：电弧堆焊涂层组织内容易存在成分偏析，耐磨性不足；热喷涂涂层与基体合金冶金结合效果差，在受到较大冲击时涂层易发生脱落。

2、激光熔覆技术作为一种新型的表面改性技术，在高能激光束作用下，合金粉末与基体表面层急速熔化和冷却，可获得组织致密、成分均匀、冶金结合良好的合金涂层。近年来，化工管道已开始采用激光熔覆改性技术，一定程度上改善了管道内壁的耐磨性和耐蚀性。然而，研究表明激光熔覆合金涂层组织中的晶粒和硬质相粗大，导致合金涂层的强韧性不足。虽然通过调整激光工艺参数和焊后热处理能够减小组织中晶粒和硬质相的尺寸，但晶粒细化效果有限，且热处理工艺大大增加企业的生产成本，阻碍了激光熔覆技术在化工管道制造领域的大范围推广。

3、现有技术中，关于掺杂wc粉末的钴合金涂层研究取得了进展，但过多的wc颗粒会造成钴合金的脆化倾向，如何兼具提高钴合金的耐磨性和强韧性成为研究难点。稀土元素ceo2能够净化合金杂质、细化晶粒，在耐磨合金表面改性领域具有应用价值，但过量的ceo2粉末容易在合金涂层中团聚沉淀。电磁场辅助激光成形技术在细化合金涂层硬质相方面已有研究，但存在硬质相颗粒在熔体中分布不均匀、颗粒尺寸差异性较大等问题。

4、因此，开发一种能够同时细化晶粒和硬质相、提高钴合金涂层强韧性和耐磨性的方法，对于化工管道内壁的表面强化具有重要的工程应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中激光熔覆钴合金涂层中晶粒和硬质相粗大导致强韧性不足的问题，提供一种稳态电磁场辅助激光熔覆管道内壁钴合金涂层的方法。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种稳态电磁场辅助激光熔覆管道内壁钴合金涂层的方法，包括以下步骤：

4、s1，对耐热钢管道内壁基体材料表面进行打磨、清洗和烘干预处理；

5、s2，将cocrmo合金粉末、wc粉末和ceo2粉末按比例混合，配制复合粉末；wc粉末的粒径为1.0-5.0μm，添加量为复合粉末总质量的10-40%；ceo2粉末的粒径为50-200nm，添加量为复合粉末总质量的1.0-3.0%；

6、s3，采用激光器作为热源，通过送粉装置将步骤二配制的复合粉末输送至管道内壁表面，在稳态电磁场辅助下进行激光熔覆处理；激光熔覆的工艺参数为：激光功率0.8-2.0kw，激光扫描速率0.3-0.7m/min，送粉速率4.0-12.0g/min，扫描间距0.8-1.6mm，搭接率30-50%，预热温度300-400℃；

7、s4，在激光熔覆过程中，通过稳态电磁场发生装置施加稳态电磁场，稳态电磁场包括稳态磁场和稳态电场，稳态磁场方向垂直于激光扫描方向，稳态电场方向平行于激光扫描方向，磁场与电场相互垂直，产生恒定的洛伦兹力作用于熔池中的硬质相颗粒；稳态电磁场的参数为：磁场强度0.5-2.0t，直流电强度0-200a，电磁场频率50-100hz；

8、s5，激光熔覆完成后，将管道在保护气氛中随炉冷却至室温，获得管道内壁钴合金涂层。

9、所述s1中耐热钢为12cr2mo钢，其化学成分按质量百分比为：cr 2.12%、mo 0.32%、c 0.12%、ni 0.4%、fe为平衡余量、si 0.3%、mn 0.84%、p 0.03%；所述打磨为机械打磨至表面粗糙度ra≤3.2μm，所述清洗为依次用丙酮和无水乙醇超声清洗各10-20min，所述烘干温度为150-200℃。

10、所述s2中cocrmo合金粉末的化学成分按质量百分比为：co为平衡余量、cr 28.0%、mo 6.2%、c 0.8%、ni 0.5%、fe 0.75%、w 0.2%、si 1.2%、mn 0.3%、p 0.03%、n 0.15%，粒径范围为45-150μm；所述混合为将粉末置于v型混粉机中以80-120r/min的转速混合4-6小时，混合后在真空干燥箱中以80-100℃干燥2-4小时。

11、所述s2中wc粉末的优选粒径为3.0μm，添加量为复合粉末总质量的20%；所述ceo2粉末的优选粒径为100nm，添加量为复合粉末总质量的1.0%。

12、所述s3中激光器为半导体激光器，激光波长为1.07μm，激光光斑直径为3-5mm；所述送粉装置为气载送粉器，送粉气体为氩气；所述保护气氛为氩气，气体流量为8-15l/min。

13、所述s3中激光熔覆采用多层多道搭接方式，单层熔覆厚度为0.8-1.5mm，总熔覆层数为1-3层，熔池温度控制在1200-1400℃，熔池深度为0.5-2.0mm。

14、所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率1.2kw，激光扫描速率0.5m/min，送粉速率4.0g/min，扫描间距0.8mm，激光光斑直径4mm，搭接率40%，预热温度350℃，保护气氛为氩气，气体流量12l/min。

15、所述s4中稳态电磁场的参数为：磁场强度1.0t，直流电强度100a，电磁场频率50hz。

16、所述s5中保护气氛为氩气，冷却方式为随炉冷却。

17、根据前述方法制备的管道内壁钴合金涂层，所述钴合金涂层与基体呈冶金结合，涂层中晶粒尺寸为5-12μm，硬质相尺寸为2-6μm，硬质相在涂层中均匀分布；钴合金涂层的硬度为hv0.5480-610，拉伸强度为780-860mpa，冲击韧性为45-52j/cm2，磨损率为1.8-2.5×10-6mm3/(n·m)。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

19、本发明中稳态电磁场的恒定洛伦兹力促进熔液对流，增加硬质相与熔液的摩擦，降低其生长速率，克服了交变电磁场紊流状态导致分布不均和尺寸差异大的缺陷；ceo2变质剂增加非自发形核质点数量细化晶粒，wc颗粒形成硬质相。协同实现晶粒与硬质相的双重细化，使涂层综合性能显著提升，拉伸强度和冲击韧性提高30%以上，磨损率降低30%以上，有效延长了化工管道使用寿命，降低了设备维护和更换成本。

20、本发明无需后续热处理即可获得高性能涂层，避免了高温热处理对管道基体的不利影响，显著缩短了生产周期、降低了能耗和制造成本，有利于规模化推广。同时通过调节稳态电磁场参数和激光工艺参数，配合复合变质剂含量的灵活调整，可精确控制涂层微观结构，实现涂层强韧性和耐磨性的按需调控，满足不同工况条件下的使用要求。

1.一种稳态电磁场辅助激光熔覆管道内壁钴合金涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种稳态电磁场辅助激光熔覆管道内壁钴合金涂层的方法，其特征在于，所述s1中耐热钢为12cr2mo钢，其化学成分按质量百分比为：cr 2.12%、mo0.32%、c 0.12%、ni 0.4%、fe为平衡余量、si 0.3%、mn 0.84%、p 0.03%；所述打磨为机械打磨至表面粗糙度ra≤3.2μm，所述清洗为依次用丙酮和无水乙醇超声清洗各10-20min，所述烘干温度为150-200℃。

3.如权利要求1所述的一种稳态电磁场辅助激光熔覆管道内壁钴合金涂层的方法，其特征在于，所述s2中cocrmo合金粉末的化学成分按质量百分比为：co为平衡余量、cr28.0%、mo 6.2%、c 0.8%、ni 0.5%、fe 0.75%、w 0.2%、si 1.2%、mn 0.3%、p 0.03%、n 0.15%，粒径范围为45-150μm；所述混合为将粉末置于v型混粉机中以80-120r/min的转速混合4-6小时，混合后在真空干燥箱中以80-100℃干燥2-4小时。

4.如权利要求1所述的一种稳态电磁场辅助激光熔覆管道内壁钴合金涂层的方法，其特征在于，所述s2中wc粉末的优选粒径为3.0μm，添加量为复合粉末总质量的20%；所述ceo2粉末的优选粒径为100nm，添加量为复合粉末总质量的1.0%。

5.如权利要求1所述的一种稳态电磁场辅助激光熔覆管道内壁钴合金涂层的方法，其特征在于，所述s3中激光器为半导体激光器，激光波长为1.07μm，激光光斑直径为3-5mm；所述送粉装置为气载送粉器，送粉气体为氩气；所述保护气氛为氩气，气体流量为8-15l/min。

6.如权利要求1所述的一种稳态电磁场辅助激光熔覆管道内壁钴合金涂层的方法，其特征在于，所述s3中激光熔覆采用多层多道搭接方式，单层熔覆厚度为0.8-1.5mm，总熔覆层数为1-3层，熔池温度控制在1200-1400℃，熔池深度为0.5-2.0mm。

7.如权利要求1所述的一种稳态电磁场辅助激光熔覆管道内壁钴合金涂层的方法，其特征在于，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率1.2kw，激光扫描速率0.5m/min，送粉速率4.0g/min，扫描间距0.8mm，激光光斑直径4mm，搭接率40%，预热温度350℃，保护气氛为氩气，气体流量12l/min。

8.如权利要求1所述的一种稳态电磁场辅助激光熔覆管道内壁钴合金涂层的方法，其特征在于，所述s4中稳态电磁场的参数为：磁场强度1.0t，直流电强度100a，电磁场频率50hz。

9.如权利要求1所述的一种稳态电磁场辅助激光熔覆管道内壁钴合金涂层的方法，其特征在于，所述s5中保护气氛为氩气，冷却方式为随炉冷却。

10.根据权利要求1-9任一项所述方法制备的管道内壁钴合金涂层，其特征在于：所述钴合金涂层与基体呈冶金结合，涂层中晶粒尺寸为5-12μm，硬质相尺寸为2-6μm，硬质相在涂层中均匀分布；钴合金涂层的硬度为hv0.5 480-610，拉伸强度为780-860mpa，冲击韧性为45-52j/cm2，磨损率为1.8-2.5×10-6mm3/(n·m)。