高炜,俞宏英,蒋旭洲,斯佳佳,孙冬柏.激光功率对低碳钢表面激光熔覆钛合金涂层组织和性能的影响[J].表面技术,2023,52(3):246-254, 265.
GAO Wei,YU Hong-ying,JIANG Xu-zhou,SI Jia-jia,SUN Dong-bai.Effects of Laser Power on Microstructure and Properties of Titanium Alloy Coatings Prepared on Low Carbon Steel by Laser Cladding[J].Surface Technology,2023,52(3):246-254, 265
激光功率对低碳钢表面激光熔覆钛合金涂层组织和性能的影响
Effects of Laser Power on Microstructure and Properties of Titanium Alloy Coatings Prepared on Low Carbon Steel by Laser Cladding
  
DOI:10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.03.022
中文关键词:  激光熔覆  钛合金涂层  低碳钢  结合强度  耐蚀性能  海洋应用
英文关键词:laser cladding  titanium alloy coating  low carbon steel  adhesive strength  corrosion resistance  marine application
基金项目:广东省促进经济高质量发展专项资金海洋经济发展项目(GDOE[2019]A16);南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)创新团队建设项目(311020012)
作者单位
高炜 中山大学 材料学院,广东 深圳 518107 
俞宏英 中山大学 材料学院,广东 深圳 518107;南方海洋科学与工程广东省实验室珠海,广东 珠海 519080 
蒋旭洲 中山大学 材料科学与工程学院,广州 510006 
斯佳佳 中山大学 材料学院,广东 深圳 518107;南方海洋科学与工程广东省实验室珠海,广东 珠海 519080 
孙冬柏 中山大学 材料科学与工程学院,广州 510006;南方海洋科学与工程广东省实验室珠海,广东 珠海 519080 
AuthorInstitution
GAO Wei School of Materials, Sun Yat-sen University, Guangdong Shenzhen 518107, China 
YU Hong-ying School of Materials, Sun Yat-sen University, Guangdong Shenzhen 518107, China;Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory Zhuhai, Guangdong Zhuhai 519080, China 
JIANG Xu-zhou School of Material Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006, China 
SI Jia-jia School of Materials, Sun Yat-sen University, Guangdong Shenzhen 518107, China;Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory Zhuhai, Guangdong Zhuhai 519080, China 
SUN Dong-bai School of Material Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006, China;Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory Zhuhai, Guangdong Zhuhai 519080, China 
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中文摘要:
      目的 利用激光熔覆简便、高效的特点,在低碳钢表面开发低成本、短流程的耐蚀钛合金涂层,拓宽钛合金在海洋工程装备上的应用。方法 选择球形纯钛粉末,采用同步送粉式激光熔覆技术在低碳钢表面制备一层薄的钛合金涂层。通过单色红外测温仪对熔池的温度变化进行监测。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)等表征涂层的宏观形貌、微观形貌和相组成。借助万能试验机和维氏硬度计测试涂层的结合强度、剪切强度和硬度。使用电化学工作站在NaCl(质量分数3.5%)溶液中测试涂层的极化曲线和阻抗(EIS),以评价涂层的耐蚀性能。结果 采用激光熔覆技术在低碳钢表面成功制备了一层薄的耐蚀钛合金涂层。激光功率的选择对在低碳钢表面制备性能良好的钛合金涂层至关重要。一方面,激光功率会影响熔池的温度演变,随着功率的降低,熔池的最高温度降低,熔池寿命缩短。通过引入粉末沉积密度(ρPDD)和单位面积有效能量输入(Eeff)进一步描述工艺参数与涂层质量之间的关系。结果表明,在ρPDD(0.009 g/mm2)不变的情况下,要获得表面质量良好的涂层,需要将Eeff控制在一定范围(45~54 J/mm2)内。另一方面,激光功率会影响铁元素的热扩散,功率的增大会导致涂层表面的铁元素增多。由于铁元素在熔覆过程中的剧烈扩散,涂层的平均硬度皆大于400HV,预期对涂层的耐磨性能有正面影响。受到粉末束流对熔池的搅动作用,界面处形成了TiFe和Fe2Ti的混合区域,此时涂层的结合强度降低。通过调控功率来减少涂层表面的铁元素含量,有利于提高涂层的耐蚀性能,P10涂层表面铁元素的含量最少,其自腐蚀电位最正(−0.298 V),自腐蚀电流密度(1.117×10–7 A/cm2)最低,EIS结果也进一步证实P10涂层具有良好的耐蚀性。结论 选择合适的激光功率可以在保证良好结合性能的同时,使熔覆层获得优异的耐蚀性。文中以激光熔覆方式在低碳钢表面制备了高性能的钛合金涂层,为钛合金在海洋工程装备上实现低成本、大面积应用奠定了基础。
英文摘要:
      The work aims to take advantage of the simplicity and high efficiency of laser cladding to develop low cost, short process and corrosion resistant titanium alloy coatings on the surface of low carbon steel to broaden the application of titanium alloy in marine engineering equipment.
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