一种钢表面复合钛合金涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于金属腐蚀和防护技术领域，具体涉及一种钢表面复合钛合金涂层及其制备方法。

背景技术

钢材作为最常用的结构材料具有一系列优良的性能，但其在海洋和其他腐蚀环境服役过程中易发生腐蚀造成灾害和巨大经济损失，因此如何提高钢铁材料的耐腐蚀性能成为关键。

钛合金由于具有优异的耐蚀性和比强度而被广泛应用于航空航天、国防工业和海洋工程等领域，但钛合金昂贵的成本限制了其在海洋工程装备上的大量应用。虽然将钛及钛合金以涂层的形式与钢铁材料相结合，其复合构件可以同时具有钛合金与钢的优点，能充分发挥两种材料在性能与经济上的互补优势，能够在保证基体具有一定强度的同时，表面也具有良好的耐蚀性，具有广阔的应用前景。但Fe和Ti之间极小的稀释率和较大的热膨胀系数差异，导致制备过程中极易形成Fe-Ti脆性相和裂纹，因此，有必要开发一种新的钢表面复合钛合金涂层及其制备方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种钢表面复合钛合金涂层，该涂层利用激光熔覆技术先制备过渡中间层，可以有效解决钛合金涂层与钢材之间Fe-Ti脆性相和裂纹的形成。

本发明还提供了一种钢表面复合钛合金涂层的制备方法。

本发明的第一方面提供了一种钢表面复合钛合金涂层，制备原料包括第一合金粉末和第二合金粉末，所述第一合金粉末包括钛合金粉末，所述第二合金粉末包括镍合金粉末、铜合金粉末、铌合金粉末、钼合金粉末、铝合金粉末和镁合金粉末中的至少一种；所述第一合金粉末和第二合金粉末的质量比为(2.5～5.5):1；所述钢表面复合钛合金涂层包括自基板开始，由所述第二合金粉末形成的中间层和所述第一合金粉末形成的表面层；

所述钛合金粉末中，以质量百分比计，元素含量为：

Al:5.5％～6.75％；

V:3.5％～4.5％；

Fe:≤0.03％％；

C:≤0.08％％；

O:≤0.20％；

N:≤0.05％；

H:≤0.015％；

余量为Ti和杂质元素。

本发明关于钢表面复合钛合金涂层的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

本发明的钢表面复合钛合金涂层，包括自基板开始，依次设置的中间层和表面层，界面处为冶金结合，通过设置中间层，可以有效解决钛合金涂层与钢材之间Fe-Ti脆性相和裂纹的形成，Fe-Ti脆性相和裂纹明显减少，因此涂层致密性好、结合强度高、耐蚀性优异，具有更长的服役寿命。

本发明的钢表面复合钛合金涂层，显微硬度大，具有更好的耐磨性和耐磨损腐蚀性。

本发明的钢表面复合钛合金涂层，无需热处理即可制备得到，制备流程简单、成本低、低碳环保无污染，可工业化生产和应用于多种工况环境。

本发明的钢表面复合钛合金涂层，可以采用激光熔覆技术制备，自动化程度高、生产周期短，可制备复杂形状的钢表面复合钛合金涂层零部件。

根据本发明的一些实施方式，所述第二合金粉末为镍合金粉末，所述镍合金粉末中，以质量百分比计，元素含量为：

Si:2.0％～3.0％；

B:0.8％～1.8％；

Cr:≤0.8％％；

Fe:≤0.1％％；

C:≤0.1％；

O:≤0.1％；

余量为Ni和杂质元素。

根据本发明的一些实施方式，所述的钢表面复合钛合金涂层的总厚度为400μm～1600μm。

根据本发明的一些实施方式，所述中间层的厚度为100μm～600μm。

根据本发明的一些实施方式，所述表面层的厚度为400μm～1600μm。

根据本发明的一些实施方式，所述钢表面复合钛合金涂层中，金相组织包括针状α(α′)相、精细β相、层片状α相、等轴晶、枝晶和柱状晶和未熔融的钛合金颗粒。

金相组织包括针状α(α′)相、精细β相、层片状α相、等轴晶、枝晶和柱状晶和未熔融的钛合金颗粒，由此，本发明制备的钢表面复合钛合金涂层具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐磨损腐蚀性、耐热性、塑性、韧性和比强度，针状α(α′)相、精细β相、层片状α相、等轴晶和枝晶能够提高钢表面复合钛合金涂层的机械性能；柱状晶有利于抑制涂层中匙孔和微裂纹等缺陷的形成，未熔融颗粒有利于抑制涂层中的裂纹扩展行为，从而提高钢表面复合钛合金涂层的力学性能。

根据本发明的一些实施方式，所述第一合金粉末中，其他单个杂质元素的含量≤0.01wt％。

根据本发明的一些实施方式，所述第一合金粉末中，杂质元素的总量≤0.05wt％。

根据本发明的一些实施方式，所述第二合金粉末中，其他单个杂质元素的含量≤0.01wt％。

根据本发明的一些实施方式，所述第二合金粉末中，杂质元素的总量≤0.08wt％。

根据本发明的一些实施方式，所述耐磨耐蚀钛合金涂层的显微硬度为600HV0.1～1100HV0.1。

根据本发明的一些实施方式，所述耐磨耐蚀钛合金涂层的抗剪强度为60MPa～160MPa。

根据本发明的一些实施方式，所述第一合金粉末和第二合金粉末的颗粒形态包括球形颗粒、类球形颗粒、正方体颗粒和不规则型颗粒。

第一合金粉末和第二合金粉末的颗粒形态为球形颗粒时，激光熔覆过程中颗粒流动性最佳，制备的钢表面复合钛合金涂层具有均匀致密的金相组织。

第一合金粉末和第二合金粉末的颗粒形态为类球形颗粒，颗粒之间不易粘结、孔隙率较低，制备的钢表面复合钛合金涂层中不易形成匙孔，有利于涂层的力学性能。

第一合金粉末和第二合金粉末的颗粒形态为正方体颗粒，颗粒熔化速率一致，熔融后的粉末凝固过程中容易形成连续光滑的表面，制备的钢表面复合钛合金涂层致密性高、匙孔极少。

第一合金粉末和第二合金粉末的颗粒形态为不规则型颗粒，小颗粒的粉末可以填充到大颗粒的空隙中，从而提高粉末堆积密度，有利于提高钢表面复合钛合金涂层的表面质量和强度。

根据本发明的一些实施方式，所述第一合金粉末和第二合金粉末的平均颗粒粒度为30μm～300μm。

第一合金粉末和第二合金粉末的平均颗粒粒度小于30μm，会导致熔凝过程中出现球化现象，造成涂层厚度不均匀；大于300μm，会导致粉末熔融速率的降低和熔池凝固速率的增加，涂层中易形成脆性金属中间相，使得钢表面复合钛合金涂层的力学性能降低。由此，30μm～300μm是适宜的平均颗粒粒度范围。

根据本发明的一些实施方式，第二合金粉末的熔点为800℃～1600℃。

本发明的第二方面提供了一种制备所述的钢表面复合钛合金涂层的方法，所述方法为：在惰性气氛环境中，通过激光熔覆，依次用所述第二合金粉末和第一合金粉末对基板表面进行扫描。

本发明关于钢表面复合钛合金涂层的制备方法中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

本发明钢表面复合钛合金涂层的制备方法，无需热处理，制备流程简单、成本低，可工业化生产，可应用于多种工况环境。与有机涂料防腐技术相比，实现了低碳环保、无污染。

本发明钢表面复合钛合金涂层的制备方法，可以采用激光熔覆技术制备，自动化程度高，生产周期短，可制备复杂形状的钛合金涂层零部件。

本发明钢表面复合钛合金涂层的制备方法，利用激光熔覆技术制备过渡中间层，可以有效解决钛合金涂层与钢材之间Fe-Ti脆性相和裂纹的形成。

根据本发明的一些实施方式，所述激光熔覆的激光功率为800～1600W。

根据本发明的一些实施方式，所述激光熔覆的激光扫描速率为4mm/s～32mm/s。

根据本发明的一些实施方式，所述激光熔覆的送粉方式包括三管道同轴送粉。

根据本发明的一些实施方式，所述第二合金粉末和第一合金粉末的激光熔覆扫描轨道搭接方式有两种，一种为第一合金粉末扫描轨道与第二合金粉末扫描轨道平行，一种为第一合金粉末扫描轨道与第二合金粉末扫描轨道垂直。

根据本发明的一些实施方式，所述激光熔覆的送粉速率为0.5r/min～4r/min。

根据本发明的一些实施方式，钢表面复合钛合金涂层的制备方法包括以下步骤：

步骤一：将第一合金粉末和第二合金粉末干燥处理，以去除粉末表面吸附的水分；

步骤二：将钢板表面磨抛、清洗、干燥，以去除表面杂质和缺陷；

步骤三：以钢板为基体，第二合金粉末为覆材，利用激光熔覆技术进行连续扫描，得到样品A；

步骤四：待步骤三得到的样品A自然降温至室温，进行磨抛、清洗、干燥处理，得到合金中间层；

步骤五：以合金中间层为基体，第一合金粉末为覆材，利用激光熔覆技术进行连续扫描，得到样品B；

步骤六：待步骤五得到的样品B自然降温至室温，进行磨抛处理，即得到钢表面复合钛合金涂层。

根据本发明的一些实施方式，步骤二中，钢板包括碳钢、低合金钢、不锈钢及常见其他牌号的工程应用钢材。

根据本发明的一些实施方式，钢板厚度为6mm～10mm。

根据本发明的一些实施方式，钢板优选采用Q235钢。

根据本发明的一些实施方式，利用SiC砂纸对钢板进行磨抛处理，SiC砂纸最大磨抛目数为800目，磨抛后的钢板表面具有金属光泽且没有肉眼可见的缺陷。

根据本发明的一些实施方式，可以利用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的钢板进行清洗，清洗后的钢板立即用电吹风吹干表面，避免钢板生锈。

根据本发明的一些实施方式，步骤三中，激光熔覆技术采用三管道同轴送粉的方式，激光熔覆过程在保护气环境中进行，包括空气、氮气、氩气和氦气，熔池表面温度为1400℃～1600℃。

根据本发明的一些实施方式，步骤三中，激光熔覆采用连续扫描的形式，扫描轨道相互搭接，轨道搭接率为20％～70％，激光功率为800～1400W，激光扫描速率为4～32mm/s，送粉速率为0.5～4r/min。

根据本发明的一些实施方式，步骤四中，利用角磨机或钢刷对样品A进行磨抛处理，以去除表面的氧化层，磨抛后的表面具有金属光泽；利用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的表面进行清洗，清洗后的表面立即用电吹风吹干。

根据本发明的一些实施方式，步骤五中，激光熔覆技术采用三管道同轴送粉的方式，激光熔覆过程在惰性气氛环境中进行，包括氩气和氦气；激光熔覆过程中采用连续扫描的形式，扫描轨道相互搭接，轨道搭接率为20％～80％，激光功率为800～1600W，激光扫描速率为4～32mm/s，送粉速率为0.5～4r/min；熔池表面温度为1600～2400℃。

根据本发明的一些实施方式，步骤五中，钛合金粉末的激光熔覆方向有两种，一种为钛合金粉末扫描轨迹与其他合金粉末扫描轨迹平行，一种为钛合金粉末扫描轨迹与其他合金粉末扫描轨迹垂直。

附图说明

图1为实施例1制备的钢表面复合钛合金涂层的宏观形貌数码照片。

图2为实施例1制备的钢表面复合钛合金涂层的SEM照片。

图3为实施例2制备的钢表面复合钛合金涂层的金相组织照片。

图4为实施例2制备的钢表面复合钛合金涂层的刻蚀后金相组织照片。

图5为实施例2制备的钢表面复合钛合金涂层的的XRD谱图。

图6为实施例3制备的钢表面复合钛合金涂层的宏观形貌数码照片。

图7为实施例3制备的钢表面复合钛合金涂层的SEM照片。

图8为实施例4制备的钢表面复合钛合金涂层的金相组织照片。

图9为实施例4制备的钢表面复合钛合金涂层的刻蚀后金相组织照片。

图10为实施例4制备的钢表面复合钛合金涂层的XRD谱图。

图11为实施例5制备的钢表面复合钛合金涂层的SEM低倍照片。

图12为实施例5制备的钢表面复合钛合金涂层的SEM高倍照片。

图13为实施例6制备的钢表面复合钛合金涂层的金相组织照片。

图14为实施例6制备的钢表面复合钛合金涂层的刻蚀后金相组织照片。

图15为实施例2、4、5和6制备的钢表面复合钛合金涂层激光熔覆过程中熔池表面温度曲线。

图16为实施例2、4、5和6制备的钢表面复合钛合金涂层的厚度。

图17为实施例2、4、5和6制备的钢表面复合钛合金涂层显微硬度曲线。

图18为实施例2、4、5和6制备的钢表面复合钛合金涂层，以及对比例1和对比例2的耐蚀性测试结果。

图19为实施例4、5和6制备的钢表面复合钛合金涂层耐蚀性测试后的表面XRD谱图。

图20为本发明的一种钢表面复合钛合金涂层及其制备方法的实施例2、实施例4、实施例5和实施例6的抗剪强度结果。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本发明的第一方面提供了一种钢表面复合钛合金涂层，制备原料包括第一合金粉末和第二合金粉末，第一合金粉末包括钛合金粉末，第二合金粉末包括镍合金粉末、铜合金粉末、铌合金粉末、钼合金粉末、铝合金粉末和镁合金粉末中的至少一种；第一合金粉末和第二合金粉末的质量比为(2.5～5.5):1；钢表面复合钛合金涂层包括自基板开始，由第二合金粉末形成的中间层和第一合金粉末形成的表面层；

钛合金粉末中，以质量百分比计，元素含量为：

Al:5.5％～6.75％；V:3.5％～4.5％；Fe:≤0.03％％；C:≤0.08％％；O:≤0.20％；N:≤0.05％；

H:≤0.015％；余量为Ti和杂质元素。

本发明关于钢表面复合钛合金涂层的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

本发明的钢表面复合钛合金涂层，包括自基板开始，依次设置的中间层和表面层，界面处为冶金结合，通过设置中间层，可以有效解决钛合金涂层与钢材之间Fe-Ti脆性相和裂纹的形成，Fe-Ti脆性相和裂纹明显减少，因此涂层致密性好、结合强度高、耐蚀性优异，具有更长的服役寿命。

本发明的钢表面复合钛合金涂层，显微硬度大，具有更好的耐磨性和耐磨损腐蚀性。

本发明的钢表面复合钛合金涂层，无需热处理即可制备得到，制备流程简单、成本低、低碳环保无污染，可工业化生产和应用于多种工况环境。

本发明的钢表面复合钛合金涂层，可以采用激光熔覆技术制备，自动化程度高、生产周期短，可制备复杂形状的钢表面复合钛合金涂层零部件。

根据本发明的一些实施方式，第二合金粉末为镍合金粉末，镍合金粉末中，以质量百分比计，元素含量为：

Si:2.0％～3.0％；B:0.8％～1.8％；Cr:≤0.8％％；Fe:≤0.1％％；C:≤0.1％；O:≤0.1％；余量为Ni和杂质元素。

根据本发明的一些实施方式，本发明的钢表面复合钛合金涂层的总厚度为400μm～1600μm。

根据本发明的一些实施方式，中间层的厚度为100μm～600μm。

根据本发明的一些实施方式，表面层的厚度为400μm～1600μm。

根据本发明的一些实施方式，钢表面复合钛合金涂层中，金相组织包括针状α(α′)相、精细β相、层片状α相、等轴晶、枝晶和柱状晶和未熔融的钛合金颗粒。

金相组织包括针状α(α′)相、精细β相、层片状α相、等轴晶、枝晶和柱状晶和未熔融的钛合金颗粒，由此，本发明制备的钢表面复合钛合金涂层具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐磨损腐蚀性、耐热性、塑性、韧性和比强度，针状α(α′)相、精细β相、层片状α相、等轴晶和枝晶能够提高钢表面复合钛合金涂层的机械性能；柱状晶有利于抑制涂层中匙孔和微裂纹等缺陷的形成，未熔融颗粒有利于抑制涂层中的裂纹扩展行为，从而提高钢表面复合钛合金涂层的力学性能。

根据本发明的一些实施方式，第一合金粉末中，其他单个杂质元素的含量≤0.01wt％。

根据本发明的一些实施方式，第一合金粉末中，杂质元素的总量≤0.05wt％。

根据本发明的一些实施方式，第二合金粉末中，其他单个杂质元素的含量≤0.01wt％。

根据本发明的一些实施方式，第二合金粉末中，杂质元素的总量≤0.08wt％。

根据本发明的一些实施方式，耐磨耐蚀钛合金涂层的显微硬度为600HV0.1～1100HV0.1。

根据本发明的一些实施方式，耐磨耐蚀钛合金涂层的抗剪强度为60MPa～160MPa。

根据本发明的一些实施方式，第一合金粉末和第二合金粉末的颗粒形态包括球形颗粒、类球形颗粒、正方体颗粒和不规则型颗粒。

第一合金粉末和第二合金粉末的颗粒形态为球形颗粒时，激光熔覆过程中颗粒流动性最佳，制备的钢表面复合钛合金涂层具有均匀致密的金相组织。

第一合金粉末和第二合金粉末的颗粒形态为类球形颗粒，颗粒之间不易粘结、孔隙率较低，制备的钢表面复合钛合金涂层中不易形成匙孔，有利于涂层的力学性能。

第一合金粉末和第二合金粉末的颗粒形态为正方体颗粒，颗粒熔化速率一致，熔融后的粉末凝固过程中容易形成连续光滑的表面，制备的钢表面复合钛合金涂层致密性高、匙孔极少。

第一合金粉末和第二合金粉末的颗粒形态为不规则型颗粒，小颗粒的粉末可以填充到大颗粒的空隙中，从而提高粉末堆积密度，有利于提高钢表面复合钛合金涂层的表面质量和强度。

根据本发明的一些实施方式，所述第一合金粉末和第二合金粉末的平均颗粒粒度为30μm～300μm。

第一合金粉末和第二合金粉末的平均颗粒粒度小于30μm，会导致熔凝过程中出现球化现象，造成涂层厚度不均匀；大于300μm，会导致粉末熔融速率的降低和熔池凝固速率的增加，涂层中易形成脆性金属中间相，使得钢表面复合钛合金涂层的力学性能降低。由此，30μm～300μm是适宜的平均颗粒粒度范围。

根据本发明的一些实施方式，第二合金粉末的熔点为800℃～1600℃。

本发明的第二方面提供了一种制备钢表面复合钛合金涂层的方法，该方法为：在惰性气氛环境中，通过激光熔覆，依次用第二合金粉末和第一合金粉末对基板表面进行扫描。

本发明关于钢表面复合钛合金涂层的制备方法中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

本发明钢表面复合钛合金涂层的制备方法，无需热处理，制备流程简单、成本低，可工业化生产，可应用于多种工况环境。与有机涂料防腐技术相比，实现了低碳环保、无污染。

本发明钢表面复合钛合金涂层的制备方法，可以采用激光熔覆技术制备，自动化程度高，生产周期短，可制备复杂形状的钛合金涂层零部件。

本发明钢表面复合钛合金涂层的制备方法，利用激光熔覆技术制备过渡中间层，可以有效解决钛合金涂层与钢材之间Fe-Ti脆性相和裂纹的形成。

根据本发明的一些实施方式，激光熔覆的激光功率为800～1600W。

根据本发明的一些实施方式，激光熔覆的激光扫描速率为4mm/s～32mm/s。

根据本发明的一些实施方式，激光熔覆的送粉方式包括三管道同轴送粉。

根据本发明的一些实施方式，所述第二合金粉末和第一合金粉末的激光熔覆扫描轨道搭接方式有两种，一种为第一合金粉末扫描轨道与第二合金粉末扫描轨道平行，一种为第一合金粉末扫描轨道与第二合金粉末扫描轨道垂直。

根据本发明的一些实施方式，激光熔覆的送粉速率为0.5r/min～4r/min。

根据本发明的一些实施方式，钢表面复合钛合金涂层的制备方法包括以下步骤：

步骤一：将第一合金粉末和第二合金粉末干燥处理，以去除粉末表面吸附的水分；

步骤二：将钢板表面磨抛、清洗、干燥，以去除表面杂质和缺陷；

步骤三：以钢板为基体，第二合金粉末为覆材，利用激光熔覆技术进行连续扫描，得到样品A；

步骤四：待步骤三得到的样品A自然降温至室温，进行磨抛、清洗、干燥处理，得到合金中间层；

步骤五：以合金中间层为基体，第一合金粉末为覆材，利用激光熔覆技术进行连续扫描，得到样品B；

步骤六：待步骤五得到的样品B自然降温至室温，进行磨抛处理，即得到钢表面复合钛合金涂层。

根据本发明的一些实施方式，步骤二中，基板为钢板，钢板包括碳钢、低合金钢、不锈钢及常见其他牌号的工程应用钢材。

根据本发明的一些实施方式，钢板厚度为6mm～10mm。

根据本发明的一些实施方式，钢板优选采用Q235钢。

根据本发明的一些实施方式，利用SiC砂纸对钢板进行磨抛处理，SiC砂纸最大磨抛目数为800目，磨抛后的钢板表面具有金属光泽且没有肉眼可见的缺陷。

根据本发明的一些实施方式，可以利用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的钢板进行清洗，清洗后的钢板立即用电吹风吹干表面，避免钢板生锈。

根据本发明的一些实施方式，步骤三中，激光熔覆技术采用三管道同轴送粉的方式，激光熔覆过程在保护气环境中进行，包括空气、氮气、氩气和氦气，熔池表面温度为1400℃～1600℃。

根据本发明的一些实施方式，步骤三中，激光熔覆采用连续扫描的形式，扫描轨道相互搭接，轨道搭接率为20％～70％，激光功率为800～1400W，激光扫描速率为4～32mm/s，送粉速率为0.5～4r/min。

根据本发明的一些实施方式，步骤四中，利用角磨机或钢刷对样品A进行磨抛处理，以去除表面的氧化层，磨抛后的表面具有金属光泽；利用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的表面进行清洗，清洗后的表面立即用电吹风吹干。

根据本发明的一些实施方式，步骤五中，激光熔覆技术采用三管道同轴送粉的方式，激光熔覆过程在惰性气氛环境中进行，包括氩气和氦气；激光熔覆过程中采用连续扫描的形式，扫描轨道相互搭接，轨道搭接率为20％～80％，激光功率为800～1600W，激光扫描速率为4～32mm/s，送粉速率为0.5～4r/min；熔池表面温度为1600～2400℃。

根据本发明的一些实施方式，步骤五中，钛合金粉末的激光熔覆方向有两种，一种为钛合金粉末扫描轨迹与其他合金粉末扫描轨迹平行，一种为钛合金粉末扫描轨迹与其他合金粉末扫描轨迹垂直。

下面再结合具体的实施例来更好的理解本发明的技术方案。

需要说明的是，下面的实施例和对比例中，钛合金粉末中，以质量百分比计，元素含量为：Al:6％左右；V:4％左右；Fe:≤0.03％％；C:≤0.08％％；O:≤0.20％；N:≤0.05％；H:≤0.015％；余量为Ti和杂质元素。

镍合金粉末中，以质量百分比计，元素含量为：

Si:2.5％左右；B:1.3％左右；Cr:≤0.8％％；Fe:≤0.1％％；C:≤0.1％；O:≤0.1％；余量为Ni和杂质元素。

实施例1

本实施例制备了一种钢表面复合钛合金涂层，具体为：

将质量比为2.5:1，粒径为80μm的球形钛合金粉末和粒径为125μm的球形镍合金粉末干燥处理，以去除粉末表面吸附的水分；

利用SiC砂纸对6mm厚的Q235钢板进行磨抛处理，SiC砂纸最大磨抛目数为800目，磨抛后的Q235钢板表面具有金属光泽且没有肉眼可见的缺陷；

利用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的Q235钢板进行清洗，清洗后的Q235钢板立即用电吹风吹干表面；

以Q235钢板为基体，镍合金粉末为覆材，在氩气环境中利用三管道同轴送粉的激光熔覆技术进行连续扫描，扫描轨道相互搭接且搭接率为40％，激光功率为1000W，激光扫描速率为10mm/s，送粉速率为1.5r/min，得到样品A；

待样品A自然降温至室温，利用角磨机或钢刷对样品A进行磨抛处理以去除表面的氧化层，采用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的表面进行清洗，清洗后的表面立即用电吹风吹干，得到镍合金中间层；

以镍合金中间层为基体，钛合金粉末为覆材，在氩气环境中利用三管道同轴送粉的激光熔覆技术进行连续扫描，钛合金粉末扫描轨迹与镍合金粉末扫描轨迹平行，钛合金粉末扫描轨道相互搭接且搭接率为40％，激光功率为1000W，激光扫描速率为10mm/s，送粉速率为1.5r/min，得到样品B；

待样品B自然降温至室温，利用角磨机或钢刷对样品B进行磨抛处理，以去除表面的氧化层，磨抛后的表面具有金属光泽，即得到钢表面复合钛合金涂层。

参阅图1，本发明实施例1制备的钢表面复合钛合金涂层表面良好，涂层表面未出现肉眼可见的裂纹和缺陷。将本实施例制备的钢表面复合钛合金涂层进行切割、打磨和抛光，观察断面的结合形态，得到的SEM照片如图2所示。参阅图2，本发明实施例1制备的钢表面复合钛合金涂层实现冶金结合，在Ti-镍界面处存在少量锁孔。

实施例2

本实施例制备了一种钢表面复合钛合金涂层，具体为：

将质量比为3.5:1，粒径为125μm的球形钛合金粉末和粒径为100μm的球形镍合金粉末干燥处理，以去除粉末表面吸附的水分；

利用SiC砂纸对10mm厚的Q235钢板进行磨抛处理，SiC砂纸最大磨抛目数为800目，磨抛后的Q235钢板表面具有金属光泽且没有肉眼可见的缺陷；

利用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的Q235钢板进行清洗，清洗后的Q235钢板立即用电吹风吹干表面；

以Q235钢板为基体，镍合金粉末为覆材，在氩气环境中利用三管道同轴送粉的激光熔覆技术进行连续扫描，扫描轨道相互搭接且搭接率为50％，激光功率为1200W，激光扫描速率为8mm/s，送粉速率为1.5r/min，得到样品A；

待样品A自然降温至室温，利用角磨机或钢刷对样品A进行磨抛处理以去除表面的氧化层，采用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的表面进行清洗，清洗后的表面立即用电吹风吹干，得到镍合金中间层；

以镍合金中间层为基体，钛合金粉末为覆材，在氩气环境中利用三管道同轴送粉的激光熔覆技术进行连续扫描，钛合金粉末扫描轨迹与镍合金粉末扫描轨迹平行，钛合金粉末扫描轨道相互搭接且搭接率为40％，激光功率为1200W，激光扫描速率为8mm/s，送粉速率为1.5r/min，得到样品B；

待样品B自然降温至室温，利用角磨机或钢刷对样品B进行磨抛处理，以去除表面的氧化层，磨抛后的表面具有金属光泽，即得到钢表面复合钛合金涂层。

将本实施例制备的钢表面复合钛合金涂层进行切割、打磨、抛光和刻蚀，观察断面的结合形态，得到的金相组织照片如图3和图4所示。

参阅图3、图4和图5，本发明实施例2制备的钢表面复合钛合金涂层实现冶金结合，涂层中出现裂纹和锁孔，裂纹扩展至Ti-Ni界面处停止，涂层中形成了针状α(α′)相、精细β相、层片状α相、等轴晶、枝晶和柱状晶；断面以Fe(PDF no.00-006-0696)和α-Ti(PDFno.04-002-5207)的特征峰为主，表面和Ti-Ni界面处出现β-Ti(PDFno.97-004-4391)和Ni(PDF no.01-071-4653)的特征峰，涂层中还形成了其他相，如FeNi

实施例3

本实施例制备了一种钢表面复合钛合金涂层，具体为：

将质量比为2.5:1，粒径为75μm的球形钛合金粉末和粒径为150μm的球形镍合金粉末干燥处理，以去除粉末表面吸附的水分；

利用SiC砂纸对10mm厚的Q235钢板进行磨抛处理，SiC砂纸最大磨抛目数为800目，磨抛后的Q235钢板表面具有金属光泽且没有肉眼可见的缺陷；

利用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的Q235钢板进行清洗，清洗后的Q235钢板立即用电吹风吹干表面；

以Q235钢板为基体，镍合金粉末为覆材，在氩气环境中利用三管道同轴送粉的激光熔覆技术进行连续扫描，扫描轨道相互搭接且搭接率为30％，激光功率为1000W，激光扫描速率为8mm/s，送粉速率为1.5r/min，得到样品A；

待样品A自然降温至室温，利用角磨机或钢刷对样品A进行磨抛处理以去除表面的氧化层，采用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的表面进行清洗，清洗后的表面立即用电吹风吹干，得到镍合金中间层；

以镍合金中间层为基体，钛合金粉末为覆材，在氩气环境中利用三管道同轴送粉的激光熔覆技术进行连续扫描，钛合金粉末扫描轨迹与镍合金粉末扫描轨迹垂直，钛合金粉末扫描轨道相互搭接且搭接率为40％，激光功率为1000W，激光扫描速率为10mm/s，送粉速率为1.5r/min，得到样品B；

待样品B自然降温至室温，利用角磨机或钢刷对样品B进行磨抛处理，以去除表面的氧化层，磨抛后的表面具有金属光泽，即得到钢表面复合钛合金涂层。

参阅图6，本发明实施例3制备的钢表面复合钛合金涂层表面良好，涂层表面未出现肉眼可见的裂纹。将本实施例制备的钢表面复合钛合金涂层进行切割、打磨和抛光，观察断面的结合形态，得到的SEM照片如图7所示。参阅图7，本发明实施例3制备的钢表面复合钛合金涂层实现冶金结合，涂层中存在未熔融钛颗粒，在Ti-Ni界面处存在少量锁孔。

实施例4

本实施例制备了一种钢表面复合钛合金涂层，具体为：

将质量比为3.5～5.5:1，粒径为60μm的球形钛合金粉末和粒径为80μm的球形镍合金粉末干燥处理，以去除粉末表面吸附的水分；

利用SiC砂纸对10mm厚的Q235钢板进行磨抛处理，SiC砂纸最大磨抛目数为800目，磨抛后的Q235钢板表面具有金属光泽且没有肉眼可见的缺陷；

利用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的Q235钢板进行清洗，清洗后的Q235钢板立即用电吹风吹干表面；

以Q235钢板为基体，镍合金粉末为覆材，在氩气环境中利用三管道同轴送粉的激光熔覆技术进行连续扫描，扫描轨道相互搭接且搭接率为50％，激光功率为1200W，激光扫描速率为10mm/s，送粉速率为1.5r/min，得到样品A；

待样品A自然降温至室温，利用角磨机或钢刷对样品A进行磨抛处理以去除表面的氧化层，采用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的表面进行清洗，清洗后的表面立即用电吹风吹干，得到镍合金中间层；

以镍合金中间层为基体，钛合金粉末为覆材，在氩气环境中利用三管道同轴送粉的激光熔覆技术进行连续扫描，钛合金粉末扫描轨迹与镍合金粉末扫描轨迹垂直，钛合金粉末扫描轨道相互搭接且搭接率为50％，激光功率为1000W，激光扫描速率为8mm/s，送粉速率为1.5r/min，得到样品B；待样品B自然降温至室温，利用角磨机或钢刷对样品B进行磨抛处理，以去除表面的氧化层，磨抛后的表面具有金属光泽，即得到钢表面复合钛合金涂层。

将本实施例制备的钢表面复合钛合金涂层进行切割、打磨、抛光和刻蚀，观察断面的结合形态，得到的金相组织照片如图8和图9所示。

参阅图8、图9和图10，本发明实施例4制备的钢表面复合钛合金涂层实现冶金结合，涂层中出现锁孔，没有出现裂纹，涂层中形成了针状α(α′)相、精细β相、层片状α相、等轴晶、枝晶和柱状晶；断面以Fe(PDF no.00-006-0696)、α-Ti(PDF no.04-002-5207)和β-Ti(PDF no.97-004-4391)的特征峰为主，涂层中还形成了其他相，如FeNi

实施例5

本实施例制备了一种钢表面复合钛合金涂层，具体为：

将质量比为3.5:1，粒径为180μm的球形钛合金粉末和粒径为200μm的球形镍合金粉末干燥处理，以去除粉末表面吸附的水分；

利用SiC砂纸对10mm厚的Q235钢板进行磨抛处理，SiC砂纸最大磨抛目数为800目，磨抛后的Q235钢板表面具有金属光泽且没有肉眼可见的缺陷；

利用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的Q235钢板进行清洗，清洗后的Q235钢板立即用电吹风吹干表面；以Q235钢板为基体，镍合金粉末为覆材，在氩气环境中利用三管道同轴送粉的激光熔覆技术进行连续扫描，扫描轨道相互搭接且搭接率为60％，激光功率为1200W，激光扫描速率为8mm/s，送粉速率为1.5r/min，得到样品A；

待样品A自然降温至室温，利用角磨机或钢刷对样品A进行磨抛处理以去除表面的氧化层，采用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的表面进行清洗，清洗后的表面立即用电吹风吹干，得到镍合金中间层；

以镍合金中间层为基体，钛合金粉末为覆材，在氩气环境中利用三管道同轴送粉的激光熔覆技术进行连续扫描，钛合金粉末扫描轨迹与镍合金粉末扫描轨迹垂直，钛合金粉末扫描轨道相互搭接且搭接率为55％，激光功率为1200W，激光扫描速率为8mm/s，送粉速率为1.5r/min，得到样品B；

待样品B自然降温至室温，利用角磨机或钢刷对样品B进行磨抛处理，以去除表面的氧化层，磨抛后的表面具有金属光泽，即得到钢表面复合钛合金涂层。

将本实施例制备的钢表面复合钛合金涂层进行切割、打磨和抛光，观察断面的结合形态，得到的SEM照片如图11和图12所示。

参阅图11和图12，本发明实施例5制备的钢表面复合钛合金涂层实现冶金结合，涂层中存在未熔融钛颗粒，涂层中出现针状α(α′)相、精细β相、层片状α相、等轴晶、枝晶和柱状晶。

实施例6

本实施例制备了一种钢表面复合钛合金涂层，具体为：

将质量比为5.5:1，粒径为200μm的球形钛合金粉末和粒径为250μm的球形镍合金粉末干燥处理，以去除粉末表面吸附的水分；

利用SiC砂纸对10mm厚的Q235钢板进行磨抛处理，SiC砂纸最大磨抛目数为800目，磨抛后的Q235钢板表面具有金属光泽且没有肉眼可见的缺陷；

利用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的Q235钢板进行清洗，清洗后的Q235钢板立即用电吹风吹干表面；

以Q235钢板为基体，镍合金粉末为覆材，在氩气环境中利用三管道同轴送粉的激光熔覆技术进行连续扫描，扫描轨道相互搭接且搭接率为50％，激光功率为1200W，激光扫描速率为10mm/s，送粉速率为1.5r/min，得到样品A；

待样品A自然降温至室温，利用角磨机或钢刷对样品A进行磨抛处理以去除表面的氧化层，采用纯度>99.99％的无水乙醇对磨抛后的表面进行清洗，清洗后的表面立即用电吹风吹干，得到镍合金中间层；

以镍合金中间层为基体，钛合金粉末为覆材，在氩气环境中利用三管道同轴送粉的激光熔覆技术进行连续扫描，钛合金粉末扫描轨迹与镍合金粉末扫描轨迹垂直，钛合金粉末扫描轨道相互搭接且搭接率为50％，激光功率为1400W，激光扫描速率为8mm/s，送粉速率为1.5r/min，得到样品B；

待样品B自然降温至室温，利用角磨机或钢刷对样品B进行磨抛处理，以去除表面的氧化层，磨抛后的表面具有金属光泽，即得到钢表面复合钛合金涂层。

将本实施例制备的钢表面复合钛合金涂层进行切割、打磨、抛光和刻蚀，观察断面的结合形态，得到的金相组织照片如图13和图14所示。

参阅图13和图14，本发明实施例6制备的钢表面复合钛合金涂层实现冶金结合，涂层Ti-Ni界面处出现锁孔，没有出现裂纹，涂层中形成了针状α(α′)相、精细β相、层片状α相、等轴晶、枝晶和柱状晶；

对比例1

本对比例制备了一种耐磨耐蚀Q235/钛涂层，其原料和制备方法的其余步骤均与实施例6相同，不同之处在于Q235表面没有熔覆镍中间层，钛合金粉末直接熔覆于磨抛处理Q235钢板表面。

对比例2

本对比例为Q235钢板，利用SiC砂纸进行磨抛处理，SiC砂纸最大磨抛目数为2000目，磨抛后的Q235钢板表面具有镜面光洁度且没有肉眼可见的缺陷，用于后续对比实验。

为了测试本发明中钢表面复合钛合金涂层的各项性能进行如下实验：

1.激光熔覆过程中熔池表面温度测试

利用标定过的单点式热红外测温仪测试实施例2、实施例4、实施例5和实施例5激光熔覆过程中熔池表面温度，结果如图15所示，熔池表面温度变化范围为1697℃～1925℃，实施例2的熔池表面温度最高，表明激光熔覆工艺参数能够影响熔池表面温度。

2.涂层厚度测试

利用涂层测厚仪测量实施例2、实施例4、实施例5和实施例6的涂层厚度，结果如图16所示，实施例2的涂层厚度最大(1084.3μm)，实施例4的涂层厚度最小(997.9μm)，表明送粉速率和激光功率是影响涂层厚度的主要因素，送粉速率和激光功率增大能够引起涂层厚度增加。

3.显微硬度测试

利用维氏硬度计测试实施例2、实施例4、实施/5和实施例6的显微硬度，采用HV压头，试验力为100gf，力保持时间为10s，测试点之间的间隔为50μm，结果如图17所示，钢表面复合钛合金涂层具有比Q235基体更高的硬度，工艺参数是影响涂层显微硬度的主要因素，实施例5的显微硬度最高达到980.54HV0.1，说明实施例5制备的钢表面复合钛合金涂层具有更好的耐磨性和耐磨损腐蚀性。

4.耐蚀性测试

采用电化学工作站在质量分数3.5wt.％的NaCl溶液中测试实施例2、实施例4、实施例5、实施例6、对比例1和对比例2的耐蚀性，结果如图18所示，室温下实施例2、实施例4、实施例5和实施例6制备的钢表面复合钛合金涂层具有良好的耐蚀性，耐蚀性明显优于对比例1和对比例2，说明本发明制备的钢表面复合钛合金涂层能够起到很好的腐蚀防护作用。

对耐蚀性测试后的实施例4、实施例5和实施例6表面进行XRD表征，结果如图19所示，实施例4和实施例5制备的钢表面复合钛合金涂层物相组成并未发生改变，实施例6制备的钢表面复合钛合金涂层耐蚀性测试后表面以Ti-Ni中间相为主。

5.抗剪强度测试

利用万能试验机根据GB/T 6396-2008复合钢板力学及工艺性能试验方法测量实施例2、实施例4、实施例5和实施例6的抗剪强度，结果如图20所示，实施例4的抗剪强度最小(89.7MPa)，实施例6的抗剪强度最大(110.2MPa)，表明送粉速率和激光功率是影响涂层厚度的主要因素，抗剪强度越大意味着钢表面复合钛合金涂层结合度越好。

综上所述，本发明的一种钢表面复合钛合金涂层及其制备方法，通过对其技术方案进行限制，用于金属腐蚀和防护技术领域，实现了对海洋工程装备钢材的有效防护，钢表面复合钛合金涂层通过冶金结合，具有更长的服役寿命，制备流程简单、成本低、生产周期短，可制备复杂形状的钢表面复合钛合金涂层零部件，可工业化生产，可应用于多种工况环境。

上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。