一种钢基钛涂层及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种钢基钛涂层及其制备方法和应用 (Steel-based titanium coating and preparation method and application thereof ) 是由 孙冬柏 俞宏英 高炜 斯佳佳 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明属于金属材料技术领域,公开了一种钢基钛涂层及其制备方法和应用,该钢基钛涂层包括铜中间层。本发明通过在钢基层和钛涂层之间设置铜中间层,可有效阻挡钢基层中的铁和钛涂层中的钛之间发生反应,以提高钛涂层和钢基体之间的结合力,从而进一步提升钢基钛涂层的综合性能。本发明的钢基钛涂层的制备工艺简单,原料易得,工艺可控性良好,可操作性强；同时,制得的钢基钛涂层综合性能优异,尤其能一定程度上改善钛涂层/钢基体界面的韧性,进而进一步增强钛涂层与钢基体的结合强度,适用于防腐领域,尤其是用于海洋中的石油钻井平台、船舶壳体或管道等,应用前景广泛。(The invention belongs to the technical field of metal materials, and discloses a steel-based titanium coating, a preparation method and application thereof. According to the invention, the copper intermediate layer is arranged between the steel base layer and the titanium coating, so that the reaction between iron in the steel base layer and titanium in the titanium coating can be effectively prevented, the binding force between the titanium coating and the steel base body is improved, and the comprehensive performance of the steel base titanium coating is further improved. The preparation process of the steel-based titanium coating is simple, the raw materials are easy to obtain, the process controllability is good, and the operability is strong; meanwhile, the prepared steel-based titanium coating has excellent comprehensive performance, particularly can improve the toughness of a titanium coating/steel matrix interface to a certain extent, further enhances the bonding strength of the titanium coating and the steel matrix, is suitable for the field of corrosion prevention, particularly is used for oil drilling platforms, ship shells or pipelines in the sea and the like, and has wide application prospect.)
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种钢基钛涂层及其制备方法和应用。
背景技术
钛是一种物理性能优良、化学性质稳定的材料，在潮湿大气或海水介质中工作时，由于表面会生成非常稳定的氧化膜，其耐蚀性远优于不锈钢，是目前最能适应各种海洋环境的材料。其被广泛应用于海洋的石油钻井平台、船舶壳体、管道等区域。然而钛合金居高不下的成本限制了其更加广泛的应用，仅就原材料的成本来说，钛合金价格高过普通钢材的数倍，再加上后期加工困难，成品的钛板材或建材差价更大。
钛和钢的复合作为纯钛板的替代品，以工业纯钛作为表层材料，以普通碳钢或低合金钢作为基体，所得的钢钛复合材料既具有钛的耐腐蚀性能，又具有碳钢的强度和塑性，且可加工性能大大提高。目前钛和钢的复合主要是轧制法，扩散法和爆炸法，常用的方式为，通过将钢板和钛板对称叠放组合，以搅拌摩擦焊的方式将坯料四周焊合在一起，并在高温高压和真空的条件下进行真空扩散焊合，然后在粗轧机中进行多道次的热轧，最后进行精轧卷曲，得到表面质量良好的钛钢复合卷。但这样工艺复杂，尤其制备过程中涉及多种复杂的连接方式，工序耗时长，部分高温作业还需要在真空条件下进行，且能量消耗大，生产效率低。
激光熔覆是近些年兴起的一种表面加工处理工艺，它利用高能密度激光束辐照加热熔化钢基体和覆层材料，并在钢基体上形成很薄的、无气孔、无裂纹的，与基材结合良好的熔覆层。激光熔覆技术能够很少甚至不受到钢基体材料性能的局限，通过所述激光熔覆技术可以在钢表面熔覆钛涂层，以替代目前的钛钢复合技术。但由于钛钢的直接连接后，钢基体材料中的铁和覆层材料中的钛之间容易发生反应，得到TiFe脆性金属间化合物，影响钢基体与钛涂层的结合性能，无法满足市场需求。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种钢基钛涂层及其制备方法和应用，通过在钢基层和钛涂层之间设置铜中间层，可有效阻挡钢基层中的铁和钛涂层中的钛之间发生反应，以提高钛涂层和钢基体之间的结合力，从而进一步提升钢基钛涂层的综合性能。
本发明的发明构思：一方面作为中间层的铜本身具有良好的冶金性能，另一方面来说，铜在常温下与钢基体能无限固溶，因此不易生成脆性的金属间化合物，再者，在钢基钛涂层中，铜中间层还能有效阻挡钢基体中的铁与钛涂层中的钛发生反应，进而提高钛涂层和钢基体之间的结合力，和进一步提升钢基钛涂层的剪切强度等力学性能和耐腐蚀性能，制得的钢基钛涂层综合性能优异，尤其能一定程度上改善钛涂层/钢基体界面的韧性，和进一步增强钛涂层与钢基体的结合强度。
本发明的第一方面是提供一种钢基钛涂层。
具体地，一种钢基钛涂层，依次包括钢基层、铜中间层和钛涂层。
作为上述方案的进一步改进，制作所述铜中间层的原料包括金属铜；优选地，所述金属铜是粒度为20-200μm的球形或类球形铜粉；进一步优选地，所述铜中间层的厚度为20-800μm。
作为上述方案的进一步改进，所述钛涂层的厚度为500-1500μm；所述钛涂层的材料为钛合金。
作为上述方案的进一步改进，所述钛合金是粒度为35-200μm的球形或类球形性的钛合金粉末。具体地，所述钛合金选自TA0、TA1、TA2、TA3、TA7、TA13、TC4中的至少一种。
进一步，所述钢基体的材料为低碳钢和/或低合金钢。
本发明的第二方面是提供上述钢基钛涂层的制备方法。
一种所述的钢基钛涂层的制备方法，包括以下步骤：S1.在钢基体表面熔覆金属铜，得到铜中间层。
作为上述方案的进一步改进，还包括在步骤S1之前对钢基体进行除杂处理步骤S0。具体地，所述除杂步骤S0包括：除去钢基体表面的氧化皮和用有机溶剂清洗钢基体表面，这样经除杂后，可有效提高钢基体与铜中间层的结合力。
作为上述方案的进一步改进，还包括在步骤S1之后制备钛涂层的步骤S2，其过程为：在所述铜中间层的另一侧面熔覆钛合金，得到钛涂层。具体地，铜中间层的铜与钛涂层中的钛在发生反应后生成的Laves相在硬度上低于TiFe相，因此铜中间层与钛涂层的结合能在一定程度上改善钛涂层/钢基体界面的韧性，进而进一步增强钛涂层与钢基体的结合强度。
进一步优选地，步骤S1和步骤S2之间还包括：用角磨机去除铜熔覆层表面的氧化物。以进一步提高铜中间层和钛涂层之间的结合力。
作为上述方案的进一步改进，步骤S1中，所述熔覆过程采用同步送粉激光熔覆技术，其工艺参数为：激光功率800W-2000W(光斑直径为2-4mm的平顶光源)，送粉速率1.5-10g/min，熔覆速度4-15mm/s。
具体地，同步送粉激光熔覆技术是利用高能密度激光束辐照加热熔化钢基体和覆层材料，并在钢基体上形成很薄的、无气孔、无裂纹的，与基材结合良好的熔覆层，本发明利用激光熔覆的增材技术，缩短了传统工艺中钛/钢复合减材所需的工艺流程，提高了生产效益，并节约了成本。本发明全程采用同步送粉激光熔覆技术，只需在控制面板上调控熔覆的工艺参数(激光功率、熔覆速度、送粉速率及送粉气流量)，工艺可控性良好，有很好的操作性。
作为上述方案的进一步改进，步骤S2中，所述熔覆过程采用同步送粉激光熔覆技术，其工艺参数为：激光功率700W-1800W(光斑直径为2-4mm的平顶光源)，送粉速率3-15g/min，熔覆速度4-15mm/s。
本发明的第三方面是提供上述钢基钛涂层的应用。
本发明所述的钢基钛涂层在防腐领域中的应用。优选地，所述钢基钛涂层在包括石油钻井平台、船舶壳体或管道中的应用。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
1)本发明通过在钢基体表面熔覆铜中间层，再在铜中间层上熔覆钛合金钛涂层制备钢基钛涂层；一方面作为中间层的铜本身具有良好的冶金性能，另一方面来说，铜在常温下与钢基体能无限固溶，因此不易生成脆性的金属间化合物，再者，在钢基钛涂层中，铜中间层还能有效阻挡钢基体中的铁与钛涂层中的钛发生反应；
2)本发明的钢基钛涂层的制备工艺简单，原料易得，工艺可控性良好，可操作性强；同时，制得的钢基钛涂层综合性能优异，尤其能一定程度上改善钛涂层/钢基体界面的韧性，进而进一步增强钛涂层与钢基体的结合强度；
3)本发明的钢基钛涂层适用于防腐领域，尤其是应用在海洋的石油钻井平台、船舶壳体或管道等，应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明所得的钢基钛涂层的实施例成品3的表面宏观形貌图；
图2为本发明制得的钢基钛涂层实施例成品3的截面在背散射扫描电镜下的微观形貌图；
图3为对实施例1-3和对比例1分别所得的钢基钛涂层成品进行剪切强度测试的对比图；
图4为本发明实施例1、对比例1分别所得的钢基钛涂层成品，以及基体分别在3.5wt％NaCl溶液中的极化曲线图；
图5为本发明实施例2、对比例1分别所得的钢基钛涂层成品，以及基体分别在3.5wt％NaCl溶液中的极化曲线图；
图6为本发明实施例3、对比例1分别所得的钢基钛涂层成品，以及基体分别在3.5wt％NaCl溶液中的极化曲线图。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
实施例1
一种钢基钛涂层，依次包括钢基层、铜中间层和钛涂层。
一种钢基钛涂层的制备方法，包括以下步骤：
S0：选取Q235钢板作为基材，采用打磨机去除钢板表面氧化皮，并用酒精冲洗净，吹干，放上工作台；
S1：选取粒度为100μm的球形纯铜粉，采用激光熔覆技术，设置激光功率为1200W，送粉速率为3g/min，控制熔覆速度为10mm/s，在钢基体表面熔覆一层铜粉，得到铜熔覆层；
S2：用角磨机去除铜熔覆层表面的氧化物，得到铜中间层；
S3：选取粒度为100μm的球形TA1粉末，设置激光功率为1200W，送粉速率为6g/min，控制熔覆速度为10mm/s，在铜中间层的另一侧面熔覆钛涂层，即得钢基钛涂层实施例1成品。
其中，所得钢基钛涂层实施例1成品中，铜中间层的厚度为50μm(熔覆钛涂层前厚度约为150μm)；钛涂层的厚度为1200μm。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，实施例2中，步骤S2中铜粉的送粉速率为4.5g/min。制得钢基钛涂层实施例成品2。
其中，所得钢基钛涂层实施例成品2中，铜中间层的厚度为100μm(熔覆钛涂层前厚度约为250μm)；钛涂层的厚度为1200μm。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于，实施例3中，步骤S2中铜粉的送粉速率为6g/min。制得钢基钛涂层的实施例成品3。
其中，所得钢基钛涂层实施例成品3中，铜中间层的厚度为150μm(熔覆钛涂层前厚度约为450μm)；钛涂层的厚度为1200μm。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1中，不添加铜中间层，即不包括步骤S2和S3。制得钢基钛涂层的对比例成品1。
其中，所得钢基钛涂层对比例中，钛涂层的厚度为1200μm。
产品结构、性能和效果测试
1.本发明所得的钢基钛涂层的实施例成品3的表面宏观形貌图和本发明制得的钢基钛涂层实施例成品3的截面在背散射扫描电镜下的微观形貌图
图1本发明所得的钢基钛涂层的实施例成品3的宏观形貌图，从图1可以看出，表面形貌良好，无明显缺陷，且未观察到明显裂纹，由此可得，本发明所得的钢基钛涂层的实施例成品3的涂层表面质量良好，铜中间层有效阻挡了铁钛的扩散。
图2为本发明制得的钢基钛涂层的实施例成品3的截面在背散射扫描电镜下的微观形貌图，如图2所示，样品为三层结构，由钛涂层到钢基体分别为：钛、铜和钢。由于铜中间层的铜在高温下与钛涂层中的钛发生反应，因此，成品中铜中间层的实际厚度远低于熔覆钛前的铜中间层厚度。
2.剪切强度测式
对实施例1-3和对比例1分别所得的钢基钛涂层成品进行剪切强度测试，测试按照GB/T6396-2008进行，所得测试结果见图3所示，从图3可以看出，实施例1-3分别所得的钢基钛涂层成品的剪切强度均远高于对比例1，这主要是因为，实施例1-3中铜中间层的设计，有利于提高钛涂层与钢基体间的结合强度，使所得钢基钛涂层成品均具有良好的力学性能，因此，进一步可以得出：有铜中间层的涂层之间的结合强度远高于无中间层。
3.耐蚀性检测
在3.5％NaCl溶液中分别测试了对实施例1-3、对比例1分别所得的钢基钛涂层成品、以及Q235钢基体的电化学腐蚀性能，得到图4-6和表1，其中，图4为本发明的实施例1、对比例1和Q235钢基体(即为图4中的”钢基体“)分别在3.5wt％NaCl溶液中的极化曲线图；
图5为本发明的实施例2、对比例1和Q235钢基体(即为图4中的”钢基体“)分别在3.5wt％NaCl溶液中的极化曲线图；图4为本发明的实施例3、对比例1和Q235钢基体(即为图4中的“钢基体”)分别在3.5wt％NaCl溶液中的极化曲线图；表1为极化曲线拟合结果。
表1极化曲线拟合结果
自腐蚀电位(V)
自腐蚀电流密度(A·cm<sup>-2</sup>)
实施例1
-0.296
9.2×10<sup>-8</sup>
实施例2
-0.276
3.4×10<sup>-8</sup>
实施例3
-0.260
2.8×10<sup>-8</sup>
对比例1
-0.352
8.1×10<sup>-7</sup>
钢基体
-0.587
6.7×10<sup>-6</sup>
一般来说，自腐蚀电位越正，其耐蚀性越强；自腐蚀电流密度越大，其耐蚀性越差，结合图4-6，以及表1可以看出，对比例1和实施例1-3分别所得的钢基钛涂层成品的耐蚀性均高于Q235钢基体，铜中间层可以当作钢基层中的铁原子向钛涂层表面扩散的阻挡层，有效降低钛涂层表面的铁含量，从而提高了钢基钛涂层的耐蚀性，因此，加入铜中间层后的实施例1-3的钢基钛涂层的自腐蚀电位均高于对比例1和Q235钢基体，自腐蚀电流密度均小于不添加铜中间层的对比例1和Q235钢基体。具体地，由图4可知，实施例1成品耐蚀性高于对比例1和基体；由图5可知，实施例2成品耐蚀性高于对比例1和基体；由图6可知，实施例3成品耐蚀性高于对比例1和基体。
由此进一步可得出结论：增加了铜中间层可有效阻挡钢基体中的铁与钛涂层中的钛发生反应，从而改善钛涂层/钢基体界面的韧性，和增强钛涂层与钢基体的结合强度。
本发明通过在钢基层和钛涂层之间设置铜中间层，可有效阻挡钢基层中的铁和钛涂层中的钛之间发生反应，以提高钛涂层和钢基体之间的结合力，从而进一步提升钢基钛涂层的综合性能。
对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。上述实施例为本发明的优选实施例，凡与本发明类似的工艺及所作的等效变化，均应属于本发明的保护范畴。
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