用于保护极地破冰船上破冰带的钴基合金粉末的制备方法

摘要

本发明涉及用于保护极地破冰船上破冰带的钴基合金粉末的制备方法，本发明的钴基合金具有强度高及硬度高、抗磨损性能强的性能，通过激光熔覆的方法将本发明的钴基合金粉末在破冰带区域中形成钴基合金涂层，使得其具有在低温条件下，比如‑50℃的条件下，利用钴基合金涂层表面强度高及硬度高、抗磨损性能强的性能，能够有效地保护破冰船的破冰带区域。

说明书

技术领域

本发明涉及破冰船领域，尤其涉及一种用于保护极地破冰船上破冰带的钴基合金粉末的制备方法以及使用该钴基合金粉末形成涂层的熔覆方法。

背景技术

破冰船是用于破碎水面冰层，开辟航道，保障舰船进出冰封港口、锚地，或引导舰船在冰区航行的船舶，分为江河、湖泊、港湾或海洋破冰船，通常一些地处极区与寒区或高纬度地区港湾或海面经常冰封，航道受阻，而冰对船舶运行产生破坏和影响，因此，为了确保冰海航行的畅通，破冰船就成为了必不可少的工具。

所谓的破冰船的原理就是利用船体本身的重量压载在冰面上，然后将其压碎，或者利用船舶本身的动力，通过碰撞挤压将冰层破碎，从而开凿了航线。现有破冰方法主要包括：顶撞法，以破冰船前进的动力，由船体挤碎冰层；冲撞法，破冰船先倒车，后退一段距离，然后双车全速前进，撞碎冰层；堆积水破冰法，先将船体内的水抽到后舱，接着把抬起的船头开到冰面上，然后又将后舱的水抽到前舱，借助水的重量压碎冰层。

而对于极地地区，一年中大多数的月份中航道冰封，并且极地地区的冰层厚度一般较厚，因而出现了极地破冰船。而在当前，极地的开发与治理被越来越多的国家重视，极地科考船、破冰船的研究也得到越来越多的重视。然而破冰船上的破冰带区域，通常情况下是舰艏部位，由于需要经常与冰接触或是与船头压碎的浮水相撞，这个区域的钢板需要承受很大的冲击以及与冰面或浮冰摩擦带来的磨损，因而该区域的钢板需要给与加强，同时很多破冰船都存在着钢板间焊缝被腐蚀和断裂的弱点，并且有难以修复的缺点。

因而，如何对破冰船的破冰带区域进行加强，成为了迫切需要解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种用于保护极地破冰船上破冰带的钴基合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，制备基体合金粉末，该基体合金粉末的化学成分，以质量百分比计，为：0.03～0.07％C、4.0～6.0％Mo、1.5～2.5％W、8.0～10.0％Ni、2.5～3.5％Fe、20.0～28.0％Cr、1.0％Si、5.0～8.0％Nb、8.0～10.0％La

步骤2，添加Cr

步骤3，将基体合金粉末、Cr

步骤4，对制备的组合粉末进行干燥；

步骤5，对干燥后的组合粉末进行破碎；

步骤6，对破碎后的组合粉末进行筛分，得到所述的钴基合金粉末。

进一步地，步骤1中的制备基体合金粉末的方法包括以下步骤：

步骤1.1，选用原料进行配料；

步骤1.2，将配置好的原料在真空感应炉中熔炼；

步骤1.3，采用惰性气体雾化，得到粉末；

步骤1.4，对粉末进行干燥，然后由筛分机筛选出一定粒径范围的粉末作为基体合金粉末。

进一步地，步骤1.2中的在真空感应炉中熔炼，熔化温度为1250℃-1350℃，出炉温度为1200℃-1280℃。

进一步地，步骤1.3中的采用惰性气体雾化，其中，雾化孔径为5-10mm，雾化压力为10-14MPa。

进一步地，步骤1.4中的一定粒径范围为45-150μm。

进一步地，步骤3中的所述混合物中，以质量百分比计，包括50～98％的基体合金粉末、1～45％的Cr

进一步地，步骤4中，对球磨后的制备的组合粉末在200℃下干燥2小时。

进一步地，步骤6中采用分目筛筛出45-150μm的钴基合金粉末。

为了将制备成的钴基合金粉末涂覆到极地破冰船的破冰带区域上，本发明还提出一种使用本发明的钴基合金粉末在破冰船的破冰带处形成涂层的熔覆方法，包括以下步骤：

步骤一，对破冰带的基体进行预处理。

步骤二，采用激光进行熔覆，调整设置激光熔覆的参数，制备钴基合金熔覆层。

步骤三，对钴基合金熔覆层进行处理，得到钴基合金涂层。

进一步地，步骤一中，破冰带的基体为EH36钢，预处理包括对EH36钢基体的激光熔覆面进行砂纸打磨，除去锈层和氧化膜，丙酮超声清洗清除残留油污，然后置于150℃烘箱中烘干2h。

进一步地，步骤二中，采用HJ-3KW横流CO2激光器进行激光熔覆，工作参数设置如下：单道激光多道搭接处理，激光功率2.2KW，激光束波长为10.6μm，光斑直径5mm，扫描速度8mm/s，搭接率33％，保护气氛为氩气。

进一步地，步骤三中，将激光熔覆后的产品置于200℃的保温炉中保温2h后随炉冷却，以消除或减少熔覆层的残余应力以及激光熔覆操作对钢基体产生的影响。

对于本发明中提出的采用钴基合金粉末在破冰船的破冰带制备钴基合金涂层，其具有在低温条件下，比如-50℃的条件下，钴基合金涂层表面强度高及硬度高、抗磨损性能强的性能，能够有效地保护破冰船的破冰带区域。

其中，基体合金粉末中各组分的作用如下：

1).Mo和Cr在一定程度上可提高合金涂层的强度。

2).Si在熔融状态下能够自动脱氧、造渣、除气和润湿基材。

3).Nb可以与C结合形成NbC，弥散分布于合金涂层组织中起到弥散强化和细化晶粒的作用；同时，Nb还可以提高合金涂层强度。

4).Ni为奥氏体化的形成元素，同时还可以细化晶粒，有助于提高合金涂层的低温韧性。

5).W可以与C结合形成WC弥散分布于合金涂层组织中，提高涂层的硬度和耐磨性能。

6).Fe可以改善合金粉的熔点，有效降低熔覆时粉体的飞溅、从而极大地提高激光熔覆的效率。

7).稀土氧化物La2O3可细化涂层晶粒并具有抑制裂纹、气孔等缺陷，降低基材对熔覆层的稀释率等作用，同时提高熔覆层表面硬度、增强其耐磨损性能。

通过采用本发明制备的钴基合金粉末并利用该钴基合金粉末进行融覆形成的钴基合金涂层进行测试，通过在低温(-50℃)下测试其摩擦系数和计算磨痕宽度和体积以及磨损重量，分析其耐磨性能是否提高。测试结果表明与基体钢相比，钴基合金涂层的增加将摩擦系数从0.821降低到了0.4～0.5，磨损宽度从8mm降低到了4mm～5mm，磨损体积从0.78mm

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1a为本发明实施例1中制得的钴基激光熔覆层样品的宏观图。

图1b为本发明实施例1中制得的钴基激光熔覆层样品的宏观图。

图2a为本发明实施例1中制得的钴基激光熔覆层样品，在低放大倍数下的显微组织结构。

图2b为本发明实施例1中制得的钴基激光熔覆层样品，在高放大倍数下的显微组织结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

基体合金粉末原料由0.03～0.07％石墨粉、4.0～6.0％Mo、1.5～2.5％W、8.0～10.0％Ni、1.5～2.5％FeCr、17.0～25.0％Cr、1.0％FeSi、5.0～8.0％Nb、8.0～10.0％La2O3、纯钴为余量组成，将上述配制好的原料在真空感应炉中进行熔炼，熔化温度约为1250℃-1350℃，出炉温度为1200℃-1280℃；采用惰性气体雾化，雾化孔径5～10mm，雾化压力为10～14MPa；由筛分机筛出粒度范围为45～150μm的粉末作为集体合金粉末。取50％的粒径在45～150μm的基体合金粉末、45％的粒径在45～150μm的Cr3C2粉末，5％的热固型酚醛树脂作为粘结剂制备成组合粉末，将其倒入球磨机进行搅拌球磨；球体直径10mm的磨球按照2:1球料比配制好后加入到搅拌球磨机中，经30小时的充分搅拌球磨，使混合粉各组分及树脂液都分布均匀，将各组元粉末颗粒包裹起来并粘结在一起，制备成组合粉末；将球磨好的组合粉末从球磨机中取出，在200℃下干燥2小时；将干燥好的组合粉末进行破碎，由分目筛筛出45～150μm的钴基合金粉末，所得粉末即所需粉末而又不会发生组分偏析。采用激光熔覆技术将所得粉末熔覆到破冰船用EH36钢上，其步骤为：

步骤一、EH36钢预处理

为了尽量减少试样表面状态对激光熔覆层的质量和组织性能的影响，激光熔覆前，对EH36钢基体的激光熔覆面进行砂纸打磨，除去锈层和氧化膜，丙酮超声清洗清除残留油污，然后置于150℃烘箱中烘干2h。

步骤二、涂层的制备

采用HJ-3KW横流CO2激光器进行激光熔覆，工作参数设置如下：单道激光多道搭接处理，激光功率2.2KW，激光束波长为10.6μm，光斑直径5mm，扫描速度8mm/s，搭接率33％，保护气氛为氩气。

步骤三、激光熔覆层的后处理

将激光熔覆后样品置于200℃的保温炉中保温2h后随炉冷却，以消除或减少熔覆层的残余应力以及激光熔覆操作对钢基体产生的热影响，从而进一步保证熔覆层的质量和性能。

上述制得的钴基激光熔覆层的宏观和微观形貌如图1(a)(b)和图2(a)(b)所示，可见熔覆层表面无裂纹和气孔等缺陷，熔覆层表面的组织结构均匀，形貌光滑平整。

上述制得的钴基激光熔覆试样，利用线切割获取大小为10mm×10mm×8mm的试样块作为摩擦磨损测试的试样。摩擦磨损测试选用10mm×10mm的熔覆层表面为摩擦面。在摩擦磨损实验前，摩擦面用SiC砂纸逐级打磨至1000#，丙酮溶液超声清洗后，用热风干燥，降低摩擦面的表面粗糙度及其他因素的影响。采用德国BRUKER UMT TriboLab摩擦磨损试验机，在低温(-50℃)下进行摩擦磨损实验。

本实例得到的钴基涂层通过在低温(-50℃)下测试其摩擦系数和计算磨痕宽度和体积以及磨损重量，分析其耐磨性能是否提高。实验结果表明与基体EH36钢相比，钴基合金涂层的增加将摩擦系数从0.821降低到了0.436，磨损宽度从8mm降低到了4mm，磨损体积从0.78mm

实施例2:

基体合金粉末原料由0.03～0.07％石墨粉、4.0～6.0％Mo、1.5～2.5％W、8.0～10.0％Ni、1.5～2.5％FeCr、17.0～25.0％Cr、1.0％FeSi、5.0～8.0％Nb、8.0～10.0％La2O3、纯钴为余量组成，将上述配制好的原料在真空感应炉中进行熔炼，熔化温度约为1250℃-1350℃，出炉温度为1200℃-1280℃；采用惰性气体雾化，雾化孔径5～10mm，雾化压力为10～14MPa；由筛分机筛出粒度范围为45～150μm的粉末作为集体合金粉末。取63％的粒径在45～150μm的基体合金粉末、32％的粒径在45～150μm的Cr3C2粉末，5％的热固型酚醛树脂作为粘结剂制备成组合粉末，将其倒入球磨机进行搅拌球磨；球体直径10mm的磨球按照2:1球料比配制好后加入到搅拌球磨机中，经30小时的充分搅拌球磨，使混合粉各组分及树脂液都分布均匀，将各组元粉末颗粒包裹起来并粘结在一起，制备成组合粉末；将球磨好的组合粉末从球磨机中取出，在200℃下干燥2小时；将干燥好的组合粉末进行破碎，由分目筛筛出45～150μm的钴基合金粉末，所得粉末即所需粉末而又不会发生组分偏析。采用激光熔覆技术将所得粉末熔覆到破冰船用EH36钢上，其步骤为：

步骤一、EH36钢预处理

为了尽量减少试样表面状态对激光熔覆层的质量和组织性能的影响，激光熔覆前，对EH36钢基体的激光熔覆面进行砂纸打磨，除去锈层和氧化膜，丙酮超声清洗清除残留油污，然后置于150℃烘箱中烘干2h。

步骤二、涂层的制备

采用HJ-3KW横流CO2激光器进行激光熔覆，工作参数设置如下：单道激光多道搭接处理，激光功率2.2KW，激光束波长为10.6μm，光斑直径5mm，扫描速度8mm/s，搭接率33％，保护气氛为氩气。

步骤三、激光熔覆层的后处理

将激光熔覆后样品置于200℃的保温炉中保温2h后随炉冷却，以消除或减少熔覆层的残余应力以及激光熔覆操作对钢基体产生的热影响，从而进一步保证熔覆层的质量和性能。

上述制得的钴基激光熔覆试样，利用线切割获取大小为10mm×10mm×8mm的试样块作为摩擦磨损测试的试样。摩擦磨损测试选用10mm×10mm的熔覆层表面为摩擦面。在摩擦磨损实验前，摩擦面用SiC砂纸逐级打磨至1000#，丙酮溶液超声清洗后，用热风干燥，降低摩擦面的表面粗糙度及其他因素的影响。采用德国BRUKER UMT TriboLab摩擦磨损试验机，在低温(-50℃)下进行摩擦磨损实验。

本实例得到的钴基涂层通过在低温(-50℃)下测试其摩擦系数和计算磨痕宽度和体积以及磨损重量，分析其耐磨性能是否提高。实验结果表明与基体EH36钢相比，钴基合金涂层的增加将摩擦系数从0.821降低到了0.397，磨损宽度从8mm降低到了4.3mm，磨损体积从0.78mm

实施例3:

基体合金粉末原料由0.03～0.07％石墨粉、4.0～6.0％Mo、1.5～2.5％W、8.0～10.0％Ni、1.5～2.5％FeCr、17.0～25.0％Cr、1.0％FeSi、5.0～8.0％Nb、8.0～10.0％La2O3、纯钴为余量组成，将上述配制好的原料在真空感应炉中进行熔炼，熔化温度约为1250℃-1350℃，出炉温度为1200℃-1280℃；采用惰性气体雾化，雾化孔径5～10mm，雾化压力为10～14MPa；由筛分机筛出粒度范围为45～150μm的粉末作为集体合金粉末。取77％的粒径在45～150μm的基体合金粉末、20％的粒径在45～150μm的Cr3C2粉末，3％的热固型酚醛树脂作为粘结剂制备成组合粉末，将其倒入球磨机进行搅拌球磨；球体直径10mm的磨球按照2:1球料比配制好后加入到搅拌球磨机中，经30小时的充分搅拌球磨，使混合粉各组分及树脂液都分布均匀，将各组元粉末颗粒包裹起来并粘结在一起，制备成组合粉末；将球磨好的组合粉末从球磨机中取出，在200℃下干燥2小时；将干燥好的组合粉末进行破碎，由分目筛筛出45～150μm的钴基合金粉末，所得粉末即所需粉末而又不会发生组分偏析。采用激光熔覆技术将所得粉末熔覆到破冰船用EH36钢上，其步骤为：

步骤一、EH36钢预处理

为了尽量减少试样表面状态对激光熔覆层的质量和组织性能的影响，激光熔覆前，对EH36钢基体的激光熔覆面进行砂纸打磨，除去锈层和氧化膜，丙酮超声清洗清除残留油污，然后置于150℃烘箱中烘干2h。

步骤二、涂层的制备

采用HJ-3KW横流CO2激光器进行激光熔覆，工作参数设置如下：单道激光多道搭接处理，激光功率2.2KW，激光束波长为10.6μm，光斑直径5mm，扫描速度8mm/s，搭接率33％，保护气氛为氩气。

步骤三、激光熔覆层的后处理

将激光熔覆后样品置于200℃的保温炉中保温2h后随炉冷却，以消除或减少熔覆层的残余应力以及激光熔覆操作对钢基体产生的热影响，从而进一步保证熔覆层的质量和性能。

上述制得的钴基激光熔覆试样，利用线切割获取大小为10mm×10mm×8mm的试样块作为摩擦磨损测试的试样。摩擦磨损测试选用10mm×10mm的熔覆层表面为摩擦面。在摩擦磨损实验前，摩擦面用SiC砂纸逐级打磨至1000#，丙酮溶液超声清洗后，用热风干燥，降低摩擦面的表面粗糙度及其他因素的影响。采用德国BRUKER UMT TriboLab摩擦磨损试验机，在低温(-50℃)下进行摩擦磨损实验。

本实例得到的钴基涂层通过在低温(-50℃)下测试其摩擦系数和计算磨痕宽度和体积以及磨去的重量分析其耐磨性能是否提高。实验结果表明，与基体EH36钢相比，钴基合金涂层的增加将摩擦系数从0.821降低到了0.457，磨损宽度从8mm降低到了4.65mm，磨损体积从0.78mm

实施例4:

基体合金粉末原料由0.03～0.07％石墨粉、4.0～6.0％Mo、1.5～2.5％W、8.0～10.0％Ni、1.5～2.5％FeCr、17.0～25.0％Cr、1.0％FeSi、5.0～8.0％Nb、8.0～10.0％La2O3、纯钴为余量组成，将上述配制好的原料在真空感应炉中进行熔炼，熔化温度约为1250℃-1350℃，出炉温度为1200℃-1280℃；采用惰性气体雾化，雾化孔径5～10mm，雾化压力为10～14MPa；由筛分机筛出粒度范围为45～150μm的粉末作为集体合金粉末。取90％的粒径在45～150μm的基体合金粉末、7％的粒径在45～150μm的Cr3C2粉末，3％的热固型酚醛树脂作为粘结剂制备成组合粉末，将其倒入球磨机进行搅拌球磨；球体直径10mm的磨球按照2:1球料比配制好后加入到搅拌球磨机中，经30小时的充分搅拌球磨，使混合粉各组分及树脂液都分布均匀，将各组元粉末颗粒包裹起来并粘结在一起，制备成组合粉末；将球磨好的组合粉末从球磨机中取出，在200℃下干燥2小时；将干燥好的组合粉末进行破碎，由分目筛筛出45～150μm的钴基合金粉末，所得粉末即所需粉末而又不会发生组分偏析。采用激光熔覆技术将所得粉末熔覆到破冰船用EH36钢上，其步骤为：

步骤一、EH36钢预处理

为了尽量减少试样表面状态对激光熔覆层的质量和组织性能的影响，激光熔覆前，对EH36钢基体的激光熔覆面进行砂纸打磨，除去锈层和氧化膜，丙酮超声清洗清除残留油污，然后置于150℃烘箱中烘干2h。

步骤二、涂层的制备

采用HJ-3KW横流CO2激光器进行激光熔覆，工作参数设置如下：单道激光多道搭接处理，激光功率2.2KW，激光束波长为10.6μm，光斑直径5mm，扫描速度8mm/s，搭接率33％，保护气氛为氩气。

步骤三、激光熔覆层的后处理

将激光熔覆后样品置于200℃的保温炉中保温2h后随炉冷却，以消除或减少熔覆层的残余应力以及激光熔覆操作对钢基体产生的热影响，从而进一步保证熔覆层的质量和性能。

上述制得的钴基激光熔覆试样，利用线切割获取大小为10mm×10mm×8mm的试样块作为摩擦磨损测试的试样。摩擦磨损测试选用10mm×10mm的熔覆层表面为摩擦面。在摩擦磨损实验前，摩擦面用SiC砂纸逐级打磨至1000#，丙酮溶液超声清洗后，用热风干燥，降低摩擦面的表面粗糙度及其他因素的影响。采用德国BRUKER UMT TriboLab摩擦磨损试验机，在低温(-50℃)下进行摩擦磨损实验。

本实例得到的钴基涂层通过在低温(-50℃)下测试其摩擦系数和计算磨痕宽度和体积以及磨损重量，分析其耐磨性能是否提高。实验结果表明，相比于EH36钢，钴基合金涂层的增加将摩擦系数从0.821降低到了0.472，磨损宽度从8mm降低到了4.7mm，磨损体积从0.78mm

以上所揭露的仅为本发明的几个较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。