一种无缝钢管穿孔顶头表面防护涂层的制备方法

1.本发明一种无缝钢管穿孔顶头表面防护涂层的制备方法，具体属于涂层技术领域。


背景技术：

2.无缝钢管广泛应用于石油化工、武器装备、航空航天等领域。制备无缝钢管的关键部件穿孔顶头服役于高温、高应力和摩擦等恶劣条件下，其常用材料（低合金钢）难以满足使用要求，易出现塌鼻、粘钢和开裂等失效，严重影响穿孔顶头使用寿命和无缝钢管尺寸精度。目前主要采用预氧化处理在穿孔顶头表面预制铁氧化物膜阻止顶头基体与管坯直接接触，起到一定隔热效果，但由于铁氧化物自身结构疏松、易开裂，其抗氧化性和耐磨性较差，难以有效解决以上难题。在穿孔顶头表面制备防护涂层是保护顶头和保证尺寸精度的有效方法。目前高温防护涂层有多种报道，如：mcraly(m=ni, co或其组合)合金涂层，具有优异抗高温氧化性能，但耐磨性能难以满足顶头使用要求；wc-8co金属陶瓷涂层，具有优异耐磨性能，但其高温抗氧化性能不佳；双层热障涂层系统（mcraly/ysz），具有良好隔热和抗氧化性能，但其上下涂层（上层ysz，下层mcraly）间结合强度不高，且ysz陶瓷层结构疏松易开裂，耐磨性较差。因此，目前已报道高温防护涂层均无法同时满足优异的高温抗氧化和耐磨性能的要求。


技术实现要素：

3.为了解决以上难题，本发明提供一种用于无缝钢管穿孔顶头表面防护的高温抗氧化、耐磨涂层的制备方法，本发明提供的涂层可有效防护服役于高温、高应力和摩擦环境中的顶头，有效提高其服役寿命。
4.为实现上述目的，本发明一种无缝钢管穿孔顶头表面防护涂层的制备方法是将fe、cr、al、y四种金属粉末按比例混合后进行球磨，并将制得的fecraly合金粉末分别与la2zr2o7粉末、15cr2ni3mow粉末按比例混合均匀，再以fecraly和la2zr2o7、fecraly和15cr2ni3mow混合粉末为涂层材料，采用激光熔覆技术，依次在无缝钢管穿孔顶头表面激光熔覆过渡层和复合层；具体步骤如下：步骤1：激光熔覆用粉末的制备fe、cr、al、y四种粉末按72~78∶22~27∶4~10∶0.01~0.1的质量比混合后球磨10~15h，得到的fecraly合金粉末分别与la2zr2o7粉末、15cr2ni3mow粉末按照95~85∶5~15、1∶1的体积百分比混合均匀，分别得到fecraly和la2zr2o7、fecraly和15cr2ni3mow混合粉末；步骤2：激光熔覆用粉末的干燥将步骤1的fecraly和la2zr2o7、fecraly和15cr2ni3mow混合粉末分别在100~130 ℃温度范围内烘干2~3 h；步骤3：表面处理
无缝钢管穿孔顶头表面依次用碱液、去离子水清洗，然后采用经除油除湿的压缩空气吹干，并对表面喷砂除锈后，再对无缝钢管穿孔顶头预热，温度控制200
±
10℃；步骤4：激光熔覆过渡层采用铺粉的选区激光熔覆方式，以步骤2的fecraly和15cr2ni3mow混合粉末为涂层材料，在无缝钢管穿孔顶头基材表面激光熔覆过渡层；过渡层共铺5~10层，每层铺粉厚度0.05 mm，厚度共为0.1~0.2 mm；激光熔覆工艺参数为：扫描速率1200~1800 m/s，扫描间距0.05~0.07 mm，激光功率350~450 w，激光波长1070 nm，光斑直径0.1 mm，环境含氧量≤300 ppm；步骤5：激光熔覆复合层以步骤2的fecraly和la2zr2o7混合粉末为涂层材料，在过渡层表面，按照步骤4的激光熔覆工艺参数，激光熔覆复合层，得到无缝钢管穿孔顶头表面防护涂层；复合层共铺16~29层，每层铺粉厚度0.05 mm，厚度共为0.4~0.7 mm。
5.所述的fe、cr、al、y四种粉末的粒度均为5~20 μm、纯度均大于99.9%。
6.所述的la2zr2o7粉末粒度0.5~10 μm，纯度大于99.99%。
7.所述球磨的转速300 r/min，球料比15∶1，氩气气氛。
8.所述的15cr2ni3mow粉末粒度为2~20 μm，纯度大于99.99%。
9.所述的无缝钢管穿孔顶头基材为15cr2ni3mow低合金钢。
10.本发明的有益效果：1.本发明提供的la2zr2o7颗粒弥散分布于fecraly中的fecraly-la2zr2o7复合涂层具有优异的高温抗氧化和耐磨性能，特别适用于服役于高温度、挤压应力和摩擦应力等恶劣环境中的无缝钢管穿孔顶头等零部件的表面防护。fecraly在超过1000℃的高温环境中仍具有良好高温强度，且其cr和al的含量可使高温下复合涂层表面生成连续、致密、高硬度和粘附性的α-al2o3膜，起到强抗氧化和耐磨作用；la2zr2o7在超过1100℃的条件下仍具有优异的高温强度和高温相结构稳定性，其弥散分布于fecraly中将显著提高涂层高温强度和耐磨性能，同时其较低热导率可提高涂层综合隔热性能，降低顶头表面实际服役温度，进一步保护顶头；2.本发明复合涂层与基体材料之间有过渡层，可以缓和复合涂层与基体材料间的成分、组织和力学性能的差异，降低涂层与基体材料及涂层内部的内应力，使得涂层结合强度高，服役寿命长；3.本发明采用激光熔覆工艺可使fecraly合金颗粒熔融，而la2zr2o7颗粒保持固体状态，fecraly合金基质与la2zr2o7颗粒界面结合较好，无界面孔隙；4.本发明涂层制备工艺简单，操作性强，可在大面积零部件表面进行，有利于工业化应用；5.本发明方法复合涂层还可根据具体工况要求，在工艺参数合理范围内调整，能改善涂层工况适应性能。
附图说明
11.图1：本发明实施例1的fecraly-la2zr2o7复合涂层的显微组织；图2：本发明实施例1的fecraly
0.1-5 vol.% la2zr2o7复合涂层在1000 ℃空气中氧
化200 h抛光截面形貌；其中，fecraly
0.1-5 vol.% la2zr2o7为含0.1 wt.% y和5 vol.% la2zr2o7的fecraly-la2zr2o7，lzo为la2zr2o7的简称，ni plating为化学镀镍防护层；图3：本发明实施例2的fecraly
0.1-15 vol.% la2zr2o7复合涂层在1000 ℃空气中氧化200 h抛光截面形貌；其中，fecraly
0.1-15 vol.% la2zr2o7为含0.1 wt.% y和15 vol.% la2zr2o7的fecraly-la2zr2o7。
12.图4：本发明实施例3的fecraly
0.05-15 vol.% la2zr2o7复合涂层在1000 ℃空气中氧化200 h抛光截面形貌；其中，fecraly
0.05-15 vol.% la2zr2o7为含0.05 wt.% y和15 vol.% la2zr2o7的fecraly-la2zr2o7；图5：本发明fecraly
0.1-5 vol.% la2zr2o7、fecraly
0.1-15 vol.% la2zr2o7和fecraly
0.05-15 vol.% la2zr2o7复合涂层高温摩擦系数与摩擦时间关系。
实施方式
13.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
14.实施例1步骤1、激光熔覆用粉末的制备取粒度为5~20 μm、纯度均大于99.9%的fe、cr、al、y四种粉末，按照质量百分比为72∶22∶6∶0.1进行混合，其后放入高能球磨机中球磨15个小时，转速300 r/min、球料比15:1、氩气气氛，制得的fecraly合金粉末再与纯度99.999%、粒度0.5~10μm的la2zr2o7粉末按照体积百分比为95∶5均匀混合；另外将制得的fecraly合金粉末与纯度99.999%、粒度2~20 μm的15cr2ni3mow粉末按照体积百分比为1∶1均匀混合。
15.步骤2：激光熔覆用粉末的干燥将步骤1的fecraly和la2zr2o7、fecraly和15cr2ni3mow混合粉末分别在100~130 ℃温度范围内烘干2.5 h。
16.步骤3：无缝钢管穿孔顶头表面处理无缝钢管穿孔顶头表面依次用碱液、去离子水清洗，然后采用经除油除湿的压缩空气吹干，并对表面喷砂除锈后，再对无缝钢管穿孔顶头预热，温度控制200
±
10 ℃。
17.步骤4：激光熔覆过渡层采用铺粉的选区激光熔覆方式，以步骤2的fecraly和15cr2ni3mow混合粉末为涂层材料，在无缝钢管穿孔顶头基材表面激光熔覆过渡层；过渡层共铺10层，每层铺粉厚度0.05 mm，厚度共为0.2 mm。
18.激光熔覆工艺参数为：扫描速率1500m/s，扫描间距0.06 mm，激光功率400 w，激光波长1070 nm，光斑直径0.1 mm，环境含氧量250 ppm。
19.步骤5：激光熔覆复合层以干燥的fecraly和la2zr2o7混合粉末为涂层材料，在过渡层表面，按照步骤4的激光熔覆工艺参数，激光熔覆复合层，得到无缝钢管穿孔顶头表面防护涂层；复合层共铺29
层，每层铺粉厚度0.05 mm，厚度共为0.7 mm。
20.所获得涂层组织如图1所示，可以看出该涂层致密性好，la2zr2o7颗粒（浅色相）均匀弥散分布于fecraly（深色相）中，fecraly/la2zr2o7界面结合良好。由图2可知，该涂层1000 ℃空气中氧化200 h后，其表面生成了连续致密均匀的al2o3膜，平均厚度约4.2μm，因此其氧化速率常数约为0.297 μm/h
1/2
。由图5可知，该涂层高温摩擦系数约为0.27。涂层具有优异的高温抗氧化和耐磨性能。
21.实施例2步骤1：激光熔覆用粉末的制备取粒度为5~20 μm、纯度均超过99.9%的fe、cr、al、y四种粉末，按照重量百分比fe:cr:al:y=72:22:6:0.1进行混合，放入高能球磨机中球磨15个小时（转速300 r/min，球料比15:1，氩气气氛）制备出fecraly合金粉末，再将其与la2zr2o7（纯度99.999%，粒度0.5~10μm）粉末按照体积百分比fecraly:la2zr2o7=95:15均匀混合，另外将fecraly合金粉末与15cr2ni3mow粉末（99.999%，粒度2~20 μm）按照体积百分比fecraly:15cr2ni3mow=1:1均匀混合。
22.步骤2：激光熔覆用粉末的干燥将fecraly和la2zr2o7的混合粉末、fecraly和15cr2ni3mow的混合粉末分别置于干燥箱中，在100~130 ℃温度范围内烘干2.5小时。
23.步骤3：无缝钢管穿孔顶头表面处理选用穿孔顶头常用材料低合金钢15cr2ni3mow作为基体材料，将基体材料表面进行碱性溶液清洗除油后，去离子水清洗，然后用除油除湿的压缩空气吹干，再对比表面喷砂除锈；对除油除锈基体进行预热，预热温度200
±
10℃。
24.步骤4：激光熔覆过渡层采用铺粉的选区激光熔覆技术将经烘干的fecraly和15cr2ni3mow混合粉末熔覆在基体表面制备过渡层。每层铺粉厚度0.05 mm，需铺10层。制备的过渡层厚0.2 mm。
25.上述激光熔覆主要工艺参数为：扫描速率1500 m/s，扫描间距0.06 mm，激光功率400 w，激光波长1070 nm，光斑直径0.1 mm，环境含氧量250 ppm。
26.步骤5：激光熔覆复合层按照步骤4中的工艺参数将经烘干的fecraly和la2zr2o7混合粉末在过渡层表面制备涂层。每层铺粉厚度0.05 mm，需铺29层。制备的涂层厚度0.7 mm。
27.由图3可知，该涂层1000 ℃空气中氧化200 h后，其表面生成了连续致密均匀的al2o3膜，平均厚度约2.6μm，因此其氧化速率常数约为0.184 μm/h
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。由图5可知，该涂层高温摩擦系数约为0.17。涂层具有优异的高温抗氧化和耐磨性能。
28.实施例3步骤1、激光熔覆用粉末的制备取粒度为5~20 μm、纯度超过99.9%的fe、cr、al、y四种粉末，按照重量百分比fe:cr:al:y=72:22:6:0.05进行混合，放入高能球磨机中球磨15个小时（转速300 r/min，球料比15:1，氩气气氛）制备出fecraly合金粉末，再将其与la2zr2o7（纯度＞99.99%，粒度0.5~10μm）粉末按照体积百分比fecraly:la2zr2o7=95:15均匀混合，另外将fecraly合金粉末与15cr2ni3mow粉末（纯度99.999%，粒度2~20 μm）按照体积百分比fecraly:15cr2ni3mow=1:1
均匀混合。
29.步骤2：激光熔覆用粉末的干燥将fecraly和la2zr2o7的混合粉末、fecraly和15cr2ni3mow的混合粉末分别置于干燥箱中，在100~130 ℃温度范围内烘干2.5小时。
30.步骤3：无缝钢管穿孔顶头表面处理选用穿孔顶头常用材料低合金钢15cr2ni3mow作为基体材料，将基体材料表面进行碱性溶液清洗除油后，去离子水清洗，然后用除油除湿的压缩空气吹干，再对比表面喷砂除锈；对除油除锈基体进行预热，预热温度200
±
10℃。
31.步骤4：激光熔覆过渡层采用铺粉的选区激光熔覆技术将经烘干的fecraly和15cr2ni3mow混合粉末熔覆在基体表面制备过渡层。每层铺粉厚度0.05 mm，需铺10层。制备的过渡层厚0.2 mm。
32.上述激光熔覆主要工艺参数为：扫描速率1500 m/s，扫描间距0.06 mm，激光功率400 w，激光波长1070 nm，光斑直径0.1 mm，环境含氧量250 ppm。
33.步骤5：激光熔覆复合层按照步骤4中的工艺参数将经烘干的fecraly和la2zr2o7混合粉末在过渡层表面制备涂层。每层铺粉厚度0.05 mm，需铺29层。制备的涂层厚度0.7 mm。
34.由图4可知，该涂层1000 ℃空气中氧化200 h后，其表面生成了连续致密均匀的al2o3膜，平均厚度约2.0μm，因此其氧化速率常数约为0.141 μm/h
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。
35.由图5可知，该涂层高温摩擦系数约为0.15。涂层具有优异的高温抗氧化和耐磨性能。

技术特征：
1.一种无缝钢管穿孔顶头表面防护涂层的制备方法，其特征在于：所述的制备方法是将fe、cr、al、y四种金属粉末按比例混合后进行球磨，并将制得的fecraly合金粉末分别与la2zr2o7粉末、15cr2ni3mow粉末按比例混合均匀，再以fecraly和la2zr2o7、fecraly和15cr2ni3mow混合粉末为涂层材料，采用激光熔覆技术，依次在无缝钢管穿孔顶头表面激光熔覆过渡层和复合层；具体步骤如下：步骤1：激光熔覆用粉末的制备 fe、cr、al、y四种粉末按72~78∶22~27∶4~10∶0.01~0.1的质量比混合后球磨10~15h，得到的fecraly合金粉末分别与la2zr2o7粉末、15cr2ni3mow粉末按照95~85∶5~15、1∶1的体积百分比混合均匀，分别得到fecraly和la2zr2o7、fecraly和15cr2ni3mow混合粉末；步骤2：激光熔覆用粉末的干燥将步骤1的fecraly和la2zr2o7、fecraly和15cr2ni3mow混合粉末分别在100~130 ℃温度范围内烘干2~3 h；步骤3：表面处理无缝钢管穿孔顶头表面依次用碱液、去离子水清洗，然后采用经除油除湿的压缩空气吹干，并对表面喷砂除锈后，再对无缝钢管穿孔顶头预热，温度控制200
±
10℃；步骤4：激光熔覆过渡层采用铺粉的选区激光熔覆方式，以步骤2的fecraly和15cr2ni3mow混合粉末为涂层材料，在无缝钢管穿孔顶头基材表面激光熔覆过渡层；过渡层共铺5~10层，每层铺粉厚度0.05 mm，厚度共为0.1~0.2 mm；激光熔覆工艺参数为：扫描速率1200~1800 m/s，扫描间距0.05~0.07 mm，激光功率350~450 w，激光波长1070 nm，光斑直径0.1 mm，环境含氧量≤300 ppm；步骤5：激光熔覆复合层以步骤2的fecraly和la2zr2o7混合粉末为涂层材料，在过渡层表面，按照步骤4的激光熔覆工艺参数，激光熔覆复合层，得到无缝钢管穿孔顶头表面防护涂层；复合层共铺16~29层，每层铺粉厚度0.05 mm，厚度共为0.4~0.7 mm。2. 根据权利要求1所述的一种无缝钢管穿孔顶头表面防护涂层的制备方法，其特征在于：所述的fe、cr、al、y四种粉末的粒度均为5~20 μm、纯度均大于99.9%。3.根据权利要求1所述的一种无缝钢管穿孔顶头表面防护涂层的制备方法，其特征在于：所述的la2zr2o7粉末粒度0.5~10 μm，纯度大于99.99%。4. 根据权利要求1所述的一种无缝钢管穿孔顶头表面防护涂层的制备方法，其特征在于：所述球磨的转速300 r/min，球料比15∶1，氩气气氛。5. 根据权利要求1所述的一种无缝钢管穿孔顶头表面防护涂层的制备方法，其特征在于：所述的15cr2ni3mow粉末粒度为2~20 μm，纯度大于99.99%。6.根据权利要求1所述的一种无缝钢管穿孔顶头表面防护涂层的制备方法，其特征在于：所述的无缝钢管穿孔顶头基材为15cr2ni3mow低合金钢。

技术总结
本发明一种无缝钢管穿孔顶头表面防护涂层的制备方法是将Fe、Cr、Al、Y四种金属粉末按比例混合后球磨，其后将FeCrAlY合金粉末分别与La2Zr2O7、15Cr2Ni3MoW粉末按比例混合均匀，再以FeCrAlY和La2Zr2O7、FeCrAlY和15Cr2Ni3MoW混合粉末为涂层材料，采用激光熔覆技术，依次在无缝钢管穿孔顶头表面激光熔覆过渡层和复合层。本发明表面防护涂层致密性好，结合强度高，高温抗氧化和耐磨性能好，特别适用于服役于较高温度、挤压应力和摩擦应力等恶劣环境中的无缝钢管穿孔顶头的表面防护，服役寿命长，制备工艺简单，操作性强，有利于工业化应用。有利于工业化应用。有利于工业化应用。


技术研发人员：张帮彦 吴洪斌 胡雪刚 郑世杰 董家键 尹蔚蔚
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/7/18