耐磨合金材料及其制备方法与海上风电机组偏航刹车盘及偏航制动器

技术领域

本发明涉及一种耐磨合金材料及其制备方法与海上风电机组偏航刹车盘及偏航制动器，属于材料表面工程技术领域。

背景技术

海上的平均风速高且风能平稳，为了让海上风电机组获得最大风能利用率，需要借助偏航系统调整机组风轮方向，以使其与风向保持一致。在偏航过程中，为了确保重量巨大的机舱与风轮运动平稳，偏航制动器需要对偏航刹车盘保持一定的阻尼。维持运动平稳性的阻尼会让刹车钳的刹车片与偏航刹车盘发生磨损，由于制动器长期处于高压状态，这会导致刹车片因磨损而消耗过快，如果刹车片快速磨损完后未及时更换，则刹车钳的硬钢与刹车盘磨损，导致偏航刹车盘过度磨损，表面出现凹坑及犁沟状磨损。刹车盘的材质一般为球墨铸铁，表面硬度值通常在120-175HBW之间，偏航刹车钳钢板的表面硬度在180HBW以上，两者磨损会由于摩擦特性不均匀导致制动抖动，给风电机组的运行和维护带来巨大的不利影响，严重时会造成机舱倾斜等安全事故。刹车盘过度磨损后还会导致制动器活塞行程超出设计值，活塞末端的耐压密封圈会与活塞分离，造成液压油泄露，对机组内部造成严重污染和火灾隐患。例如，某海上风电机组运行一段时间后，偏航刹车盘磨损严重，原始厚度为30mm，磨损后厚度为24-26mm，因磨损厚度减薄了4-6mm。偏航刹车盘的磨损直接影响了偏航系统的正常工作，而偏航刹车片及刹车盘的进一步磨损将导致机组偏航系统失效，从而影响风电机组的安全运行。

海上风电机组运行的海洋环境复杂且具有较强的腐蚀性，偏航刹车盘长期处于高湿度、高盐雾的海洋大气区，依据ISO12944标准为C5-M级大气腐蚀环境，即最高等级大气腐蚀环境。球墨铸铁是偏航刹车盘的基体材料，耐盐雾腐蚀能力差，在磨损过程中也会受到盐雾的腐蚀作用，将会加快磨损，同时磨损也会促进腐蚀，在磨损和腐蚀的交互作用下，偏航刹车盘的磨损腐蚀程度加剧，造成维修次数增加，使用寿命大幅度降低。然而风电偏航刹车盘磨损后存在现场维修困难、更换成本高的问题。目前现场针对偏航刹车盘磨损有两种修复方式，一种是镶块焊接方案，另一种是金属修复剂方案。这两种现场方案适用于刹车盘表面磨损的厚度削减量还不十分严重的情况。刹车盘安装在风电机舱与塔筒法兰连接处，如果刹车盘损伤过重，需要先对整个机舱和叶片进行吊装进而更换刹车盘，更换过程造成极大的维护成本和工作量。一般而言，吊机费用需要20-30万，偏航盘成本为6-8万，更换工期需要一个月以上。由于海上风电机组的维修成本和难度远高于陆地上的风电机组，频繁的偏航刹车盘的现场维修是海上风电机组运行中面临的重大难题，亟需开发长寿命、高耐磨的偏航刹车盘材料。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种耐磨合金材料及其制备方法，通过该耐磨合金材料在偏航刹车盘表面形成耐磨层，能够使偏航刹车盘具有良好的耐盐雾腐蚀性能和耐磨损性能。

为达到上述目的，本发明提供了一种耐磨合金材料，其是由NiCrTiSi合金与MoC合金组成的；其中：

所述NiCrTiSi合金的组成为：Ti：10-30wt.％；Cr：20-26wt.％；Si：0.5-1wt.％；Ni：余量；

所述MoC合金的含量分别为6-12wt.％，余量为所述NiCrTiSi合金。

根据本发明的具体实施方案，优选地，所述NiCrTiSi合金的组成为：Ti：15-25wt.％；Cr：20-24wt.％；Si：0.5-1wt.％；Ni：余量。

根据本发明的具体实施方案，优选地，所述MoC合金的含量为8-10wt.％。

本发明还提供了上述耐磨合金材料的制备方法，其包括以下步骤：

将所述MoC合金粉末与所述NiCrTiSi合金粉末分别进行干燥处理，然后将经过干燥处理的粉末进行混料，得到混合粉末；

将混合粉末和胶黏剂混合后喷雾造粒，得到粒度为-150+325目的耐磨合金材料粉末。

在上述耐磨合金材料的制备方法中，优选地，所述NiCrTiSi合金与所述MoC合金均为粉末；所述NiCrTiSi合金粉末的粒度为-140+400目；所述MoC合金粉末的粒度为-200+500目。

在上述耐磨合金材料的制备方法中，优选地，所述NiCrTiSi合金粉末与所述MoC合金粉末的纯度分别≥99.5％。

在上述耐磨合金材料的制备方法中，优选地，所述喷雾造粒过程包括以下步骤：

1)在反应釜中加入有机溶剂和PVB-6胶并搅拌，升温至50-80℃后保温，待PVB-6胶全部溶解后降低反应釜内温度至室温，得到浓度为4-8wt.％的PVB-6胶液；所述有机溶剂优选包括醇类溶剂，所述醇类溶剂优选包括乙醇，所述乙醇优选为工业酒精；

2)将质量比为40-62:38-60(优选1:1)的混合粉末和PVB-6胶液，搅拌至PVB-6胶液充分分散在混合粉末中，得到浆料；

3)利用喷雾干燥器将所述浆料在大气中进行喷雾造粒，经筛分得到粒度为150-325目的耐磨合金材料粉末。

在上述耐磨合金材料的制备方法中，优选地，所述喷雾造粒的进口温度为150-200℃，出口温度为90-100℃。

在上述耐磨合金材料的制备方法中，优选地，筛分得到的粒度在150-325目范围之外的粉末与PVB-6胶液混合后再次进行喷雾造粒。

在上述耐磨合金材料的制备方法中，优选地，所述NiCrTiSi合金粉末是通过真空中频熔炼气体雾化法制备的，具体包括如下步骤：

1)以纯度99.9％的镍块、纯度99.9％的铬块、纯度99.9％的钛块和硅为原料，置于中频感应炉之中；

2)密封炉体，炉内抽真空至1-100Pa，充入氩气至100-102kPa，加热使所述原料完全熔化，得到合金液；

3)在氩气保护条件下，将合金液浇注入雾化塔内进行雾化，雾化温度为1450-1550℃，雾化压力为3.3-3.6MPa(优选3.5MPa)，浇注过程中，通过高压超音速氩气，作用于合金液柱流，将合金液柱流分散、破碎、冷却得到NiCrTiSi合金粉末。

本发明还提供了一种海上风电机组偏航刹车盘，其表面具有本发明提供的耐磨合金材料形成的耐磨耐蚀熔覆层。

根据本发明的具体实施方案，优选地，所述耐磨耐蚀熔覆层是通过以下步骤制备的：

采用Ni-Cr-Mo基合金粉末制备打底层：采用工件做圆周运动、激光头沿着工件环心作X轴方向的径向运动的形式进行熔覆制备打底层；所述Ni-Cr-Mo基合金粉末的组成为：Cr：18-25wt.％；Mo：8-12wt.％；Ni：余量；优选为：Cr：20-23wt.％；Mo：8-10wt.％；Ni：余量；

采用所述耐磨合金材料制备耐磨层：采用工件做圆周运动、激光头沿着工件环心作X轴方向的径向运动的形式在打底层表面进行熔覆制备耐磨层；

对耐磨层进行打磨，然后重复制备耐磨层，直到获得预定厚度的耐磨耐蚀熔覆层。

根据本发明的具体实施方案，优选地，在所述熔覆过程中，所述打底层的平均厚度为600-800μm，单层所述耐磨层的平均厚度为600-800μm。

在上述偏航刹车盘中，优选地，所述熔覆的主要参数包括：激光器功率为2-4kW，工件做圆周运动的线速度为10-20cm/s，工件每完成一次圆周运动，激光头步进距离为0.4-0.8mm。

在上述偏航刹车盘中，优选地，所述熔覆的参数还包括：采用同步送粉的方式进行熔覆，氩气送粉，送粉量为0.8-3kg/h，熔覆过程中氩气作保护气，流速为15-20L/min。

根据本发明的具体实施方案，优选地，所述偏航刹车盘的正面、背面分别形成有耐磨耐蚀熔覆层。即在刹车钳与刹车盘接触发生磨损的区域的正面和背面设置耐磨耐蚀熔覆层。

根据本发明的具体实施方案，优选地，所述耐磨耐蚀熔覆层位于工作区域的正面和背面的凹槽内。

根据本发明的具体实施方案，优选地，所述凹槽一端的斜面与所述凹槽的底面的夹角为135°-150°。

根据本发明的具体实施方案，优选地，所述凹槽底部的宽度w为110mm-130mm，所述凹槽的深度h为1.5-3.5mm。

根据本发明的具体实施方案，优选地，所述耐磨耐蚀熔覆层的余高为0.5mm以下。该余高是指耐磨耐蚀熔覆层高于工作区域的高度。

根据本发明的具体实施方案，优选地，该偏航刹车盘的基体材料为含钼不锈钢，例如316不锈钢、316L不锈钢、317不锈钢等。本发明选用含钼不锈钢作为风电偏航刹车盘的基体材料，钼元素可以提高不锈钢的耐点蚀能力，尤其是在含氯离子浓度较大的海洋大气环境下，钼元素可以提高钝化膜的稳定性，有效阻止氯离子的侵蚀，能够提高风电偏航刹车盘的耐盐雾腐蚀性能。

根据本发明的具体实施方案，优选地，刹车盘的内径ψ为2200-2400mm，外径Φ为2500-2700mm，刹车盘的厚度d为30mm-40mm。

本发明还提供了一种海上风电机组偏航制动器，其中，该偏航制动器包含本发明提供的偏航刹车盘。

根据本发明的具体实施方案，优选地，所述偏航制动器的刹车钳与所述偏航刹车盘的单边间隙距离为1.5mm-3mm，如图4所示。

本发明所提供的技术方案利用激光熔覆技术在风电偏航刹车盘的磨损区域制备耐磨耐蚀熔覆层，熔覆区域分别为刹车钳与刹车盘接触的上表面和下表面。耐磨耐蚀熔覆层由打底层和耐磨层组成，打底层为耐蚀的Ni-Cr-Mo合金熔覆层，其作用一是在熔覆时防止基体中的Fe向耐磨层中扩散，从而形成Ti-Fe金属间化合物脆性相，降低熔覆层的耐磨耐蚀性；二是当耐磨层有裂纹或破损时，提供耐蚀性，防止基体腐蚀。

耐磨层为NiCrTiSi合金粉末与MoC合金粉末原位合成TiC颗粒增强Ni-Cr-Mo合金熔覆层。TiC熔点在3140℃左右，因此直接添加TiC粉末在熔覆时会存在部分TiC颗粒未熔的情况，同时直接添加法易造成TiC颗粒的局部偏聚，使熔覆层产生裂纹，降低耐磨性。与直接添加TiC粉末相比，本发明通过采用原位合成法具有TiC

本发明选用的NiCrTiSi合金在提供Ti元素的同时作为基体具有高韧性、高模量的优势，镍基与TiC具有良好的润湿性，结合强度高，Cr作为固溶元素起到固溶强化的作用的同时提高耐蚀性，少量的Si起脱氧造渣作用，减少熔覆时的飞溅；而对于MoC合金，由于Mo为弱碳化物形成元素，因此MoC在激光加热时易分解，形成自由化学元素Mo、C，而强碳化物形成元素Ti将与C结合，原位生成细小的高硬度、高耐磨的钛碳化合物TiC

Ti+MoC→TiC

在激光熔覆过程中，该反应的吉布斯自由能变ΔG为负，因此从热力学角度，该反应能自发进行。

TiC

本发明所提供的新型偏航刹车盘提高了刹车盘的耐蚀耐磨寿命，大幅度降低了偏航刹车盘的维护维修次数和成本，从而提高运营效率。

附图说明

图1为风电偏航刹车盘结构示意图，其中，1为工作面，2为过渡连接面，3为法兰面，21为排屑孔，31为法兰孔，Φ为偏航刹车盘外径，ψ为偏航刹车盘内径；

图2为待激光熔覆区域截面示意图，其中，10为工作面1的正面，11为工作面1的背面，d为偏航刹车盘厚度，h为凹槽深度，w为凹槽底部宽度，α为凹槽斜面与底面的夹角；

图3为偏航刹车盘上激光熔覆层截面示意图，其中，12为正面激光熔覆耐磨层，13为偏航刹车盘，14为背面激光熔覆耐磨层；

图4为偏航刹车钳与偏航刹车盘截面示意图，其中，15为偏航刹车钳，16为上刹车片，17为下刹车片，18为激光熔覆耐磨层与刹车钳的间隙；

图5为熔覆层断面的显微硬度曲线图；

图6为熔覆层断面的扫描电镜照片，其中，23为TiC增强相，24为CrMo金属间化合物，25为NiTi相；

图7为熔覆层表面的X射线衍射图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

本发明提供的海上风电机组偏航刹车盘的代表性结构如图1所示，但不限于此。

该海上风电机组偏航刹车盘包括工作面1、过渡连接面2、法兰面3，其中，工作面1为激光熔覆区域，过渡连接面2上设有排屑孔21，法兰面3上设有法兰孔31；

刹车盘的内径ψ为2200-2400mm，外径Φ为2500-2700mm，刹车盘的厚度d为30mm(1.5MW风机)或者40mm(2MW风机)，根据刹车钳与刹车盘接触发生磨损的区域，刹车盘内侧的正面和背面设有待激光熔覆区域。

激光熔覆区域的结构如图2所示：在工作面1的边缘设有凹槽，凹槽的一端为斜面(靠近过渡连接面2的一侧)，该斜面与凹槽底面的夹角α为135°-150°。在工作面1的正面10和背面11分别设有激光熔覆区域。

根据本发明的具体实施方案，所述耐磨合金材料的制备方法包括以下具体步骤：

1、真空中频熔炼气体雾化法制备的粉末球形度高、氧含量低，采用已有的真空中频熔炼气体雾化法制备NiCrTiSi合金粉末。真空中频熔炼气体雾化法制备NiCrTiSi合金粉末包括如下步骤：

1)原料为纯度99.9％的镍块、纯度99.9％的铬块、纯度99.9％的钛块和硅，经过除油、清洗、干燥后按配比加入中频感应炉；

2)密封炉体，炉内抽真空至1-100Pa，充入氩气至100-102KPa，加热使感应炉内原料完全熔化；

3)在氩气保护条件下，将合金液浇注入雾化塔内，雾化温度1450℃-1550℃，雾化压力3.5MPa。浇注过程中，通过高压超音速氩气，作用于合金液柱流，将合金液柱流分散、破碎、冷却成近球形的合金粉末；

4)利用筛分法对制备得到的NiCrTiSi合金粉末进行粒度筛选，用于激光熔覆的最佳粒度范围为-150+325目。

2、混合粉末的制备：

1)按以下配比称取粉末材料：MoC粉(粒度-200+500目，纯度≥99.5％；其中“-200+500目”表示粉末粒度在500目至200目范围)：6-12wt.％；NiCrTiSi合金粉(粒度-140+400目，纯度≥99.5％)：余量。

2)将上述粉末材料置于干燥箱中，在100-120℃下干燥3-5小时，然后利用混料设备对干燥后的粉末进行混料，混料时间为3-5小时，得到混合粉末。

3、将混合粉末和胶黏剂混合后喷雾造粒，得到粒度为-150+325目的耐磨合金粉末；其中，喷雾造粒制备耐磨合金粉末包括以下步骤：

1)在反应釜中加入工业酒精(纯度为97％)和PVB-6胶人工搅拌5-10min，将反应釜升温至50-80℃后保温30-40min，待PVB-6胶全部溶解后降低反应釜内温度至室温，得到浓度为4-8wt.％的PVB-6胶液；

2)将质量比为1:1的混合粉末和PVB-6胶液利用卧式单轴桨叶混合机搅拌至PVB-6胶液充分分散在混合粉末中，得到浆料；

3)利用喷雾干燥器将所述浆料在大气中进行喷雾造粒，经双层震动筛进行筛分，得到粒度为150-325目的耐磨合金粉末，双层震动进行筛分所得粒度在150-325目范围之外的粉末与PVB-6胶液混合后喷雾造粒；其中，喷雾造粒的进口温度为150-200℃，出口温度为90-100℃。

根据本发明的具体实施方案，在新型风电偏航刹车盘上制备耐磨耐蚀熔覆层的过程包括以下具体步骤：

1、在新型风电偏航刹车盘的待激光熔覆区域进行预处理，利用电动砂轮去除不锈钢表面的氧化层，并利用压缩空气去除表面加工后的残留物，用酒精清洗干净并吹干，将经过表面处理后的偏航刹车盘固定于用于熔覆环形工件的工作台上。

2、将Ni-Cr-Mo基合金粉末装入气动送粉装置中，针对偏航刹车盘环形工件，采用工件做圆周运动、激光头沿着刹车盘环心作X轴方向的径向运动的形式进行熔覆制备打底层，熔覆主要参数为：激光器功率为2-4kW，工件做圆周运动的线速度为10-20cm/s，工件每完成一次圆周运动，激光头步进距离为0.4-0.8mm，采用同步送粉的方式进行熔覆，氩气送粉，送粉量为0.8-3kg/h，熔覆过程中氩气作保护气，流速为15-20L/min，单层熔覆层的平均厚度在600-800μm。

3、将耐磨合金粉末装入气动送粉装置中，针对偏航刹车盘环形工件，采用工件做圆周运动、激光头沿着刹车盘环心作X轴方向的径向运动的形式在打底层表面进行熔覆制备耐磨层，熔覆主要参数为：激光器功率为2-4kW，工件做圆周运动的线速度为10-20cm/s，工件每完成一次圆周运动，激光头步进距离为0.4-0.8mm，采用同步送粉的方式进行熔覆，氩气送粉，送粉量为0.8-3kg/h，熔覆过程中氩气作保护气，流速为15-20L/min，单层熔覆层的平均厚度在600-800μm。

4、重复步骤3多次，由于待激光熔覆区域有斜面，每完成一层的制备，将表面进行打磨，并将激光头光斑一半的位置落在斜面上，从而开始下一层的熔覆，最后打磨处理得到平均厚度1500-3500μm的熔覆层。

5、在偏航刹车盘工件的背面待激光熔覆区域进行耐磨耐蚀熔覆层的制备，最后得到平均厚度1500-3500μm的熔覆层。

6、利用磨床打磨处理刹车盘正面和背面熔覆层，熔覆层的余高不超过0.5mm，完成耐磨耐蚀熔覆层的制备，如图3所示，正面激光熔覆耐磨层12和背面激光熔覆耐磨层14分别位于偏航刹车盘13的两侧。

该刹车盘与刹车钳的装备图如图4所示，其中，偏航刹车钳15的上刹车片16和下刹车片17的位置分别对应正面激光熔覆耐磨层12和背面激光熔覆耐磨层14，激光熔覆耐磨层与刹车钳的间隙18为1.5mm-3mm。

实施例1 316不锈钢材质的新型风电偏航刹车盘

一、新型风电偏航刹车盘结构设计

本实施例提供的新型风电偏航刹车盘的基体材料为316不锈钢，刹车盘的内径ψ为2200mm，外径Φ为2700mm，刹车盘的厚度d为30mm，根据刹车钳与刹车盘接触发生磨损的区域，刹车盘内侧的正面和背面设有待激光熔覆区域，待激光熔覆区域为凹槽，凹槽的底部宽度w为120mm，凹槽深度h为2.5mm，凹槽斜面与凹槽底面夹角α为140°，背面设计与正面设计相同。

二、耐磨合金粉末成分与制备

1、耐磨合金粉末组分

耐磨合金粉末由NiCrTiSi合金粉与MoC合金粉末组成，各组分含量如下：

MoC合金粉末(粒度-200+500目，纯度≥99.5％)：6wt.％；

NiCrTiSi合金粉末(粒度-140+400目，纯度≥99.5％)：余量；

NiCrTiSi合金粉末的成分为：Ti：10wt.％；Cr：26wt.％；Si：0.5wt.％；Ni：余量。

2、耐磨合金粉末的制备工艺

混合粉末的制备方法如下：

1)按配比称取粉末材料。

2)将上述粉末材料置于干燥箱中，在100℃下干燥4小时，然后将干燥后的粉末在WSM型卧式球磨机中进行混料，混料时间为5小时，得到混合粉末。

将混合粉末和胶黏剂混合后喷雾造粒，得到粒度为-150+325目的耐磨合金粉末。

其中，喷雾造粒制备耐磨合金粉末包括以下步骤：

1)在反应釜中加入工业酒精(纯度为97％)和PVB-6胶人工搅拌6min，将反应釜升温至60℃后保温40min，待PVB-6胶全部溶解后降低反应釜内温度至室温，得到浓度为5wt.％的PVB-6胶液；

2)将质量比为1:1的混合粉末和PVB-6胶液利用卧式单轴桨叶混合机搅拌至PVB-6胶液充分分散在混合粉末中，得到浆料；

3)利用喷雾干燥器将所述浆料在大气中进行喷雾造粒，经双层震动筛进行筛分，得到粒度为150-325目的耐磨合金粉末，双层震动进行筛分所得粒度在150-325目范围之外的粉末与PVB-6胶混合后喷雾造粒；其中，喷雾造粒的进口温度为150℃，出口温度为90℃。

三、在新型风电偏航刹车盘上制备耐磨耐蚀熔覆层

1、在新型风电偏航刹车盘的待激光熔覆区域进行预处理，利用电动砂轮去除不锈钢表面的氧化层，并利用压缩空气去除表面加工后的残留物，用酒精清洗干净并吹干，将经过表面处理后的待熔覆工件固定于专用于熔覆圆形结构的熔覆工作台上。

2、将Hastelloy C22合金粉末装入气动送粉装置中，针对偏航刹车盘环形工件，采用工件做圆周运动、激光头沿着刹车盘环心作X轴方向的径向运动的形式进行熔覆制备打底层，熔覆主要参数为：激光器功率为2.4kW，工件做圆周运动的线速度为12cm/s，工件每完成一次圆周运动，激光头步进距离为0.6mm，采用同步送粉的方式进行熔覆，氩气送粉，送粉量为0.8kg/h，熔覆过程中氩气作保护气，流速为16L/min，单层熔覆层的平均厚度在600μm。

3、将耐磨合金粉末装入气动送粉装置中，针对偏航刹车盘环形工件，采用工件做圆周运动、激光头沿着刹车盘环心作X轴方向的径向运动的形式在打底层表面进行熔覆，熔覆主要参数为：激光器功率为2.5kW，工件做圆周运动的线速度为14cm/s，工件每完成一次圆周运动，激光头步进距离为0.6mm，采用同步送粉的方式进行熔覆，氩气送粉，送粉量为0.9kg/h，熔覆过程中氩气作保护气，流速为16L/min，单层熔覆层的平均厚度在700μm。

4、重复“三、在新型风电偏航刹车盘上制备耐磨耐蚀熔覆层”中的步骤“3”多次，由于待激光熔覆区域有斜面，每完成一层的制备，将表面进行打磨，并将激光头光斑一半的位置落在斜面上，从而开始下一层的制备，最后打磨处理得到平均厚度2500μm的熔覆层。

5、在偏航刹车盘工件的背面待激光熔覆区域进行耐磨耐蚀熔覆层的制备，重复“三、在新型风电偏航刹车盘上制备耐磨耐蚀熔覆层”中的步骤“2”、“3”和“4”，最后得到平均厚度2500μm的熔覆层。

6、利用磨床打磨处理刹车盘正面和背面熔覆层，熔覆层的余高为0.2mm。

将刹车盘与刹车钳组装得到风电偏航制动器，其中，刹车钳与刹车盘的单边间隙距离为2mm。

实施例2 316L不锈钢材质的新型风电偏航刹车盘

一、新型风电偏航刹车盘结构设计

新型风电偏航刹车盘的基体材料为316L不锈钢，刹车盘的内径ψ为2200mm，外径Φ为2700mm，刹车盘的厚度d为40mm，根据刹车钳与刹车盘接触发生磨损的区域，刹车盘内侧的正面和背面设有待激光熔覆区域，待激光熔覆区域为凹槽，凹槽的底部宽度w为130mm，凹槽深度h为3.5mm，凹槽斜面与凹槽底面的夹角α为135°，背面设计与正面设计相同。

二、耐磨合金粉末成分与制备

1、耐磨合金粉末组分

耐磨合金粉末由NiCrTiSi合金粉末与MoC合金粉末组成，各组分含量如下：

MoC合金粉末(粒度-200+500目，纯度≥99.5％)：9wt.％；

NiCrTiSi合金粉末(粒度-140+400目，纯度≥99.5％)：余量；

其中，NiCrTiSi合金粉末的成分为：Ti：20wt.％；Cr：24wt.％；Si：0.5wt.％；Ni：余量。

2、耐磨合金粉末的制备工艺

混合粉末的制备方法如下：

1)按配比称取粉末材料。

2)将上述粉末材料置于干燥箱中，在100℃下干燥4小时；然后将干燥后的粉末在WSM型卧式球磨机中进行混料，混料时间为5小时，得到混合粉末。

将混合粉末和胶黏剂混合后喷雾造粒，得到粒度为-150+325目的耐磨合金粉末。喷雾造粒制备耐磨合金粉末包括以下步骤：

1)在反应釜中加入工业酒精(纯度为97％)和PVB-6胶人工搅拌8min，将反应釜升温至70℃后保温35min，待PVB-6胶全部溶解后降低反应釜内温度至室温，得到浓度为5wt.％的PVB-6胶液；

2)将质量比为1:1的混合粉末和PVB-6胶液利用卧式单轴桨叶混合机搅拌至PVB-6胶液充分分散在混合粉末中，得到浆料；

3)利用喷雾干燥器将所述浆料在大气中进行喷雾造粒，经双层震动筛进行筛分，得到粒度为150-325目的耐磨合金粉末，双层震动进行筛分所得粒度在150-325目范围之外的粉末与PVB-6胶混合后喷雾造粒；其中，喷雾造粒的进口温度为180℃，出口温度为95℃。

三、在新型风电偏航刹车盘上制备耐磨耐蚀熔覆层

1、在新型风电偏航刹车盘的待激光熔覆区域进行预处理，利用电动砂轮去除不锈钢表面的氧化层，并利用压缩空气去除表面加工后的残留物，用酒精清洗干净并吹干，将经过表面处理后的偏航刹车盘固定于专用于熔覆环形工件的工作台上。

2、将Inconel 625合金粉末装入气动送粉装置中，针对偏航刹车盘环形工件，采用工件做圆周运动、激光头沿着刹车盘环心作X轴方向的径向运动的形式进行熔覆制备打底层，熔覆主要参数为：激光器功率为2.4kW，工件做圆周运动的线速度为10cm/s，工件每完成一次圆周运动，激光头步进距离为0.7mm，采用同步送粉的方式进行熔覆，氩气送粉，送粉量为1.0kg/h，熔覆过程中氩气作保护气，流速为15L/min，单层熔覆层的平均厚度在700μm。

3、将耐磨合金粉末装入气动送粉装置中，针对偏航刹车盘环形工件，采用工件做圆周运动、激光头沿着刹车盘环心作X轴方向的径向运动的形式在打底层表面进行熔覆，熔覆主要参数为：激光器功率为2.7kW，工件做圆周运动的线速度为16cm/s，工件每完成一次圆周运动，激光头步进距离为0.7mm，采用同步送粉的方式进行熔覆，氩气送粉，送粉量为1.2kg/h，熔覆过程中氩气作保护气，流速为20L/min，单层熔覆层的平均厚度在800μm。

4、重复“三、在新型风电偏航刹车盘上制备耐磨耐蚀熔覆层”中的步骤“3”多次，由于待激光熔覆区域有斜面，每完成一层的制备，将表面进行打磨，并将激光头光斑一半的位置落在斜面上，从而开始下一层的熔覆，最后打磨处理得到平均厚度3500μm的熔覆层。

5、在偏航刹车盘工件的背面待激光熔覆区域进行耐磨耐蚀熔覆层的制备，重复“三、在新型风电偏航刹车盘上制备耐磨耐蚀熔覆层”中的步骤“2”、“3”和“4”，最后得到平均厚度3500μm的熔覆层。

6、利用磨床打磨处理刹车盘正面和背面熔覆层，熔覆层的余高为0.3mm。

将刹车盘与刹车钳组装得到风电偏航制动器，其中，刹车钳与刹车盘的单边间隙距离为2.5mm。

实施例3 317不锈钢材质的新型风电偏航刹车盘

一、新型风电偏航刹车盘结构设计

新型风电偏航刹车盘的基体材料为317不锈钢，刹车盘的内径ψ为2200mm，外径Φ为2600mm，刹车盘的厚度d为30mm，根据刹车钳与刹车盘接触发生磨损的区域，刹车盘内侧的正面和背面设有待激光熔覆区域，待激光熔覆区域为凹槽，凹槽的底部宽度w为120mm，凹槽深度h为2mm，凹槽斜面与凹槽底面的夹角α为140°，背面设计与正面设计相同。

二、耐磨合金粉末成分与制备

1、耐磨合金粉末组分

耐磨合金粉末由NiCrTiSi合金粉末与MoC合金粉末组成，各组分含量如下：

MoC合金粉末(粒度-200+500目，纯度≥99.5％)：12wt.％；

NiCrTiSi合金粉末(粒度-140+400目，纯度≥99.5％)：余量；

其中，NiCrTiSi合金粉末的成分为：Ti：30wt.％；Cr：20wt.％；Si：1wt.％；Ni：余量。

2、耐磨合金粉末的制备工艺

混合粉末的制备方法如下：

1)按配比称取粉末材料。

2)将上述粉末材料置于干燥箱中，在100℃下干燥4小时；然后将干燥后的粉末在WSM型卧式球磨机中进行混料，混料时间为5小时，得到混合粉末。

将混合粉末和胶黏剂混合后喷雾造粒，得到粒度为-150+325目的耐磨合金粉末。喷雾造粒制备耐磨合金粉末包括以下步骤：

1)在反应釜中加入工业酒精(纯度为97％)和PVB-6胶人工搅拌10min，将反应釜升温至80℃后保温30min，待PVB-6胶全部溶解后降低反应釜内温度至室温，得到浓度为8wt.％的PVB-6胶液；

2)将质量比为1:1的混合粉末和PVB-6胶液利用卧式单轴桨叶混合机搅拌至PVB-6胶液充分分散在混合粉末中，得到浆料；

3)利用喷雾干燥器将所述浆料在大气中进行喷雾造粒，经双层震动筛进行筛分，得到粒度为150-325目的耐磨合金粉末，双层震动进行筛分所得粒度在150-325目范围之外的粉末与PVB-6胶混合后喷雾造粒；其中，喷雾造粒的进口温度为200℃，出口温度为100℃。

三、在新型风电偏航刹车盘上制备耐磨耐蚀熔覆层

1、在新型风电偏航刹车盘的待激光熔覆区域进行预处理，利用电动砂轮去除不锈钢表面的氧化层，并利用压缩空气去除表面加工后的残留物，用酒精清洗干净并吹干，将经过表面处理后的偏航刹车盘固定于专用于熔覆环形工件的熔覆工作台上。

2、将Hastelloy C276合金粉末装入气动送粉装置中，针对偏航刹车盘环形工件，采用工件做圆周运动、激光头沿着刹车盘环心作X轴方向的径向运动的形式进行熔覆制备打底层，熔覆主要参数为：激光器功率为2.2kW，工件做圆周运动的线速度为10cm/s，工件每完成一次圆周运动，激光头步进距离为0.6mm，采用同步送粉的方式进行熔覆，氩气送粉，送粉量为0.8kg/h，熔覆过程中氩气作保护气，流速为16L/min，单层熔覆层的平均厚度在600μm。

3、将耐磨合金粉末装入气动送粉装置中，针对偏航刹车盘环形工件，采用工件做圆周运动、激光头沿着刹车盘环心作X轴方向的径向运动的形式在打底层表面进行熔覆，熔覆主要参数为：激光器功率为2.4kW，工件做圆周运动的线速度为12cm/s，工件每完成一次圆周运动，激光头步进距离为0.4mm，采用同步送粉的方式进行熔覆，氩气送粉，送粉量为0.8kg/h，熔覆过程中氩气作保护气，流速为16L/min，单层熔覆层的平均厚度在600μm。

4、重复“三、在新型风电偏航刹车盘上制备耐磨耐蚀熔覆层”中的步骤“3”多次，由于待激光熔覆区域有斜面，每完成一层的制备，将表面进行打磨，并将激光头光斑一半的位置落在斜面上，从而开始下一层的熔覆，最后得到平均厚度1500μm的熔覆层。

5、在偏航刹车盘工件的背面待激光熔覆区域进行耐磨耐蚀熔覆层的制备，重复“三、在新型风电偏航刹车盘上制备耐磨耐蚀熔覆层”中的步骤“2”、“3”和“4”，最后得到平均厚度1500μm的熔覆层。

6、利用磨床打磨处理刹车盘正面和背面熔覆层，单面熔覆层的余高为0.1mm。

将刹车盘与刹车钳组装得到风电偏航制动器，其中，刹车钳与刹车盘的单边间隙距离为1.5mm。

图5为制备的熔覆层使用FM-300显微维氏硬度计载荷1000g所得断面显微硬度曲线。由图5可知，耐磨层硬度显著提高，稳定在900HV左右。

图6为制备的熔覆层断面使用Quanta 200F扫描电子显微镜得到的5000倍下的显微组织形貌，其显示了TiC增强相23、CrMo金属间化合物24和NiTi相25。从图6中可以看出：熔覆层内部的TiC增强相23颗粒细小，尺寸达到纳米级，分布均匀且密度高，有效提高了熔覆层硬度；且熔覆层内部无孔洞等缺陷，熔覆层质量良好。

图7为制备的熔覆层表面使用SmartLab SE X射线衍射仪得到的X射线衍射图。从图7可以看出：熔覆层内部增强相为TiC，证实了该方法原位生成TiC的可行性。