CN102002708A - 一种高温炉辊激光再制造用粉料及修复工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温炉辊激光再制造用粉料及修复工艺，其特征在于：所述激光再制造用粉料包括基体材料CoCrAlY合金粉末，该CoCrAlY合金粉末的化学成分按重量百分比为：Cr15.0-28.0%，Al3.0-10.0%，Y0.1-1.5%，余量为Co。还包括金属氧化物粉末，金属氧化物粉末占激光再制造用粉料总重量的比例≤40.0%；粉料中添加的金属氧化物为Al2O3和Y2O3，其中Y2O3含量为0.0%-1.0%，其余为Al2O3，也可以只添加Al2O3。采用激光再制造激光辐照工艺使报废或存在质量隐患的高温炉辊通过再制造技术得以修复和利用。
Description
技术领域
本发明涉及冶金行业一种高温炉辊的激光再制造用粉末材料及修复技术，属于金属材料表面工程技术领域。
背景技术
在冶金企业中，大量机械设备处于高温，高速，重负载和腐蚀环境下运行，因此，这些设备的一些关键零部件的质量和使用寿命直接影响到企业的生产率，生产成本和产品质量。从机械零部件的失效形式来看，主要是以疲劳破坏，腐蚀破坏和磨损破坏为主，而冶金机械设备中的腐蚀和磨损几乎包罗了全部磨损，腐蚀的各种类型。通常，机械零件在设计时的选材原则主要是保证强度、刚度、抗疲劳性能，而零件的表面却要承担摩擦磨损，介质腐蚀等功能，零件在设计时主要是从研究机械零件本体材质为主，来提高其的耐磨损，耐腐蚀性能，表面处理技术上也出现了表面淬火，堆焊，镀铬及表面化学处理等，来提高机械零件表面性能，其中有的能够满足表面负荷的要求，多数情况下则不能完全满足使用寿命要求。机械设备经长期使用出现功耗增大，振动加剧，严重泄露，这些现象的发生都是某个关键零件发生磨损、腐蚀、变形、老化，甚至出现裂纹造成的。磨损在零件表面发生，腐蚀从零件表面开始，疲劳裂纹由表面向内部延伸。所以失效均始于表面问题，解决这些问题表面工程可以大有作为。激光表面加工技术是20世纪80年代兴起的一门新的表面工程技术。它与冶金机械制造业传统采用的表面处理工艺比较，具有诸多特点和优越性。在冶金机械设备再制造技术的应用和推广有着广阔的前景。
制造业是所有产业中最大的资源使用者，也是最大的环境污染源之一。再制造是以废旧机电产品为对象，以产品全寿命周期理论为基础，在保证零部件材质和基本形状不变的前提下，运用高技术和新的科技成果进行修复或改造的过程。它充分挖掘了已成形的零部件中蕴含的材料、能源和加工附加值，使经再制造的产品性能达到或超过新品。再制造工程具有潜在价值的根本是机器中各部件的使用寿命是不相等的，而且每个零件的各个工作表面的使用寿命也是不相等的，这就为再制造工程的实施提供了条件，因而，再制造工程是发展循环经济的必然选择。
目前冶金行业高温炉辊表面根据防护涂层工艺的不同，分化出三大主要流派制造技术：美国普莱可斯公司的爆炸喷涂技术、日本托卡洛株式会社的等离子喷涂与超音速喷涂技术以及日本日铁哈德株式会社的超音速喷涂技术，其制造的热喷涂涂层目前在世界各大钢铁企业的高温炉辊等部件已广泛应用。
激光再制造工程的最大优势，是能够以先进成形技术方法，制备出优于基体材料性能的改性层，改性层与基体呈冶金结合。如采用金属材料的表面强化处理、激光显微仿形熔覆等技术修复和强化零件表面，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳等性能，这层表面材料厚度从几十微米到几毫米，与制作部件的整体材料相比，厚度薄、面积小，但却承担着工作部件的主要功能，使工件具有了比本体材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温等能力。
激光表面加工新技术是八十年代以来迅速发展的新技术，碳钢、合金钢机械零件等经激光表面改性处理后，其抗磨、耐蚀及高温氧化性能均得到很大提高。从力学的角度来看，“膜基结合强度”在表面工程技术中是极为重要的力学性能参量。与表面工程的其它一些技术相比，激光加工技术的出现和发展，很好地解决了膜基结合强度问题，激光加工技术及其与表面工程的其它各项技术的结合必将在再制造工程中大显身手。
冶金行业高温炉辊激光再制造工程的最大优势，是能够以先进成形技术和方法，制备出优于基体材料性能的再制造改性层，改性层与基体呈冶金结合。赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳等性能，这层表面材料厚度从几十微米到几毫米，与制作部件的整体材料相比，厚度薄、面积小，但却承担着工作部件的主要功能，使工件具有了比本体材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温等能力。
激光熔覆技术性能特点：激光熔覆层与基体为冶金结合，基体材料在激光加工过程中仅表面微熔，微熔层为0.05mm -0.1mm。加工过程中基体温升不高（大工件温升不超过80℃），激光加工后基本无热变形。激光熔覆技术可控性好，自动化程度高。采用适当的激光再制造粉料体系和优化的加工工艺方法，可以获得超越传统高温炉辊表面喷涂涂层的制备技术，使报废或存在质量隐患的高温炉辊通过再制造技术得以修复和利用，满足循环经济的需要和再生资源的利用，适应我国冶金行业高温部件实际生产应用的需要。
人类在创造巨大物质财富的同时，也付出了巨大的资源和环境代价。随着我国经济规模的不断扩大和人口的持续增加，人们深切体会到自然资源供给和环境容量的有限性，传统的经济增长模式带来了负面效应，传统的生产模式带来的资源短缺和环境污染迫使我们进行深刻的反思。要保持经济持续快速增长，资源消费的增长是难以避免的，但如果继续沿袭传统的发展模式，以资源的大量消耗实现工业现代化是难以为继的。因此，按照科学发展观的要求，大力发展循环经济，加快建立节约型社会，就显得尤为重要和迫切。我国“十一五”规划明确指出要加快建设资源节约型，环境友好社会，大力发展循环经济。激光再制造具有十分独特的技术优势和广阔的发展前景，具有显著的经济和社会效益。
发明内容：
发明目的：本发明提供一种高温炉辊激光再制造用粉料及修复工艺，其目的在于控制激光处理层内在质量、提高涂层抗热震性及抗氧化性能、改善室温及高温摩擦磨损性能。
技术方案：本发明是通过以下粉料成分设计和工艺技术方案实施的：
一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述激光再制造用粉料包括基体材料CoCrAlY合金粉末，该CoCrAlY合金粉末的化学成分按重量百分比为：Cr15.0-28.0%，Al3.0-10.0%，Y0.1-1.5%，余量为Co。
所述激光再制造用粉料还包括金属氧化物粉末，该金属氧化物粉末占激光再制造用粉料总重量的比例≤40.0%。
所述金属氧化物为Al2O3。
所述金属氧化物为Al2O3和Y2O3，其中Y2O3含量占金属氧化物粉末总重量≤10.0%，其余为Al2O3。
一种高温炉辊激光再制造用粉料的修复工艺，其特征在于：该修复工艺如下：
按上述比例取粉料基材备用，采用连续波CO2激光加工机进行激光辐照处理，采用上述粉料激光再制造激光辐照工艺参数为：激光输出功率1.0-4.0kW；光斑直径 2.0-6.0mm；激光束扫描速率2.0-35.0mm/s，表面预置合金粉料厚度为0.5-1.5mm，大面积扫描激光搭接率30%-60%。
在再制造激光辐照过程中，高温炉辊基体材料发生微熔，熔化区厚度为0.05mm-0.15mm。
优点及效果：通过本发明所述技术方案，可获得具有优异的抗热振、耐磨损、抗氧化、抗积瘤性能的高温炉辊再制造加工技术，使报废或存在质量隐患的高温炉辊通过再制造技术得以修复和利用，满足循环经济的需要和再生资源的利用，适应我国冶金行业高温部件实际生产应用的需要。
附图说明：
图1为CoCrAlY合金粉末的组织形貌；
图2为含有金属氧化物粉料的组织形貌；
图3为高温炉辊激光再制造用合金粉料EDAX谱线；
图4为功率密度过大时单道熔覆层截面宏观组织形貌；
图5为功率密度适中时单道熔覆层截面宏观组织形貌；
图6为功率密度过低时单道熔覆层截面宏观组织形貌；
图7为两种材料在不同温度下的热膨胀系数曲线；
图8为激光再制造改性层组织及与基体基体结合处EDAX成分分布曲线；
图9为激光再制造改性层在1000℃高温氧化60h氧化膜表面组织形貌；
图10为激光再制造改性层高温氧化膜表面成分EDAX谱线；
图11为激光再制造改性层高温氧化膜X射线衍射谱。
具体实施方式：
一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述激光再制造用粉料为基体材料CoCrAlY合金粉末，该CoCrAlY合金粉末的化学成分按重量百分比为：Cr15.0-28.0%，Al3.0-10.0%，Y0.1-1.5%，余量为Co。该CoCrAlY合金粉末的组织形貌如图1所示。
所述激光再制造用粉料可以在基体材料CoCrAlY合金粉末基础上，添加金属氧化物粉末，该金属氧化物粉末占激光再制造用粉料总重量的比例≤40.0%。含有金属氧化物的粉料的组织形貌如图2中所示。
所述金属氧化物可以只采用Al2O3。
所述金属氧化物也可以是Al2O3和Y2O3混合物，其中Y2O3含量占金属氧化物粉末总重量的比例≤10.0%，其余为Al2O3。
一种高温炉辊激光再制造用粉料的修复工艺，其特征在于：该修复工艺如下：
按上述比例取粉料基材备用，采用连续波CO2激光加工机进行激光辐照处理，采用上述粉料激光再制造激光辐照工艺参数为：激光输出功率1.0-4.0kW；光斑直径 2.0-6.0mm；激光束扫描速率2.0-35.0mm/s，表面预置合金粉料厚度为0.5-1.5mm，大面积扫描激光搭接率30%-60%。
在再制造激光辐照过程中，高温炉辊基体材料将发生微熔，其熔化区的厚度为0.05mm-0.15mm，以SCH13钢基材为例，所述熔化区的厚度是SCH13钢基材熔化层的厚度。激光辐照过程整个熔化层深度=粉料熔化层深度+SCH13钢基体熔化的深度。
高温炉辊在工作中承受温度剧变的过程，因而在再制造过程中其改性层的热膨胀系数需与基体匹配，从而避免热循环过程中涂层开裂及剥落。图7中所示为两种材料在不同温度下的热膨胀系数曲线。
采用上述粉料及激光辐照工艺所制备的再制造改性层与原高温炉辊相比，其耐磨性提高1.5倍以上，抗热震性、高温抗氧化性能及抗结瘤优于现有喷涂涂层，可满足高温炉辊再制造的生产需要。
图8中所示为激光再制造改性层组织及与基体基体结合处EDAX成分分布曲线。可以看出，涂层与基体呈良好的冶金结合，且涂层稀释率极低，为获得高性能的再制造改性层奠定了基础。
图9所示为激光再制造改性层在1000℃高温氧化60h氧化膜表面组织形貌，氧化膜组织细密，未出现孔洞、裂纹及剥落现象。
如图10中所示，从激光再制造改性层高温氧化膜表面成分EDAX谱线中可以看出，再制造改性层经高温氧化后，其表面成分主要由O、Al、Cr元素组成。
如图11中所示，从激光再制造改性层高温氧化膜X射线衍射谱中可以看出，再制造改性层经高温氧化后，其氧化膜主要由Al、Cr稳定的氧化物组成，并含有少量NiAl和Cr、Ni复合氧化物。
下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1：
一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述激光再制造用粉料为基体材料CoCrAlY合金粉末和金属氧化物Al2O3粉末，该CoCrAlY合金粉末的化学成分按重量百分比为：Cr15.0%，Al3.0%，Y0.1%，余量为Co；Al2O3粉末占激光再制造用粉料总重量的比例为40.0%。
一种高温炉辊激光再制造用粉料的修复工艺，其特征在于：以高温炉辊SCH13钢为基材，预置合金粉末涂层厚度为0.8mm，采用连续波CO2激光加工机进行激光辐照处理；激光辐照工艺参数：激光输出功率2.0kW，光斑直径3.0mm，激光束扫描速率15mm/s，大面积扫描激光搭接率45%，所获得的改性层厚度为0.75mm。
实施例2：
一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述激光再制造用粉料为基体材料CoCrAlY合金粉末和金属氧化物粉末，该CoCrAlY合金粉末的化学成分按重量百分比为：Cr28.0%，Al10.0%，Y1.5%，余量为Co；金属氧化物为Al2O3和Y2O3，其中Y2O3含量占金属氧化物粉末总重量的比例为2.0%，其余为Al2O3,，Al2O3和Y2O3粉末占激光再制造用粉料总重量的比例为40.0%。
一种高温炉辊激光再制造用粉料的修复工艺，其特征在于：以高温炉辊SCH13钢为基材，预置合金粉末涂层厚度为0.8mm，采用连续波CO2激光加工机进行激光辐照处理，激光辐照工艺参数：激光输出功率1.5kW，光斑直径3.0mm，激光束扫描速率15mm/s，大面积扫描激光搭接率45%，所获得的改性层厚度为0.78mm。
实施例3：
一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述激光再制造用粉料为基体材料CoCrAlY合金粉末和金属氧化物粉末，该CoCrAlY合金粉末的化学成分按重量百分比为：Cr20.0%，Al6.0%，Y1.0%，余量为Co；金属氧化物为Al2O3和Y2O3，其中Y2O3含量占金属氧化物粉末总重量的比例为3.0%，其余为Al2O3，Al2O3和Y2O3粉末占激光再制造用粉料总重量的比例为30.0%。
一种高温炉辊激光再制造用粉料的修复工艺，其特征在于：以高温炉辊SCH13钢为基材，预置合金粉末涂层厚度为0.8mm，采用连续波CO2激光加工机进行激光辐照处理，激光辐照工艺参数：激光输出功率2.5kW，光斑直径 3.0mm，激光束扫描速率15mm/s，大面积扫描激光搭接率45%，所获得的改性层厚度为0.65mm。
实施例4：
一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述激光再制造用粉料为基体材料CoCrAlY合金粉末和金属氧化物粉末，该CoCrAlY合金粉末的化学成分按重量百分比为：Cr25.0%，Al8.0%，Y0.8%，余量为Co；金属氧化物为Al2O3和Y2O3，其中Y2O3含量占金属氧化物粉末总重量的比例为10.0%，其余为Al2O3,，Al2O3和Y2O3粉末占激光再制造用粉料总重量的比例为25.0%。
一种高温炉辊激光再制造用粉料的修复工艺，其特征在于：以高温炉辊SCH13钢为基材，预置合金粉末涂层厚度为0.8mm，采用连续波CO2激光加工机进行激光辐照处理，激光辐照工艺参数：激光输出功率2.0kW，光斑直径 3.0mm，激光束扫描速率15mm/s，大面积扫描激光搭接率45%，所获得的改性层厚度为0.7mm。
实施例5：
一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述激光再制造用粉料为基体材料CoCrAlY合金粉末，该CoCrAlY合金粉末的化学成分按重量百分比为：Cr28.0%，Al10.0%，Y1.5%，余量为Co。
一种高温炉辊激光再制造用粉料的修复工艺，其特征在于：以高温炉辊SCH13钢为基材，预置合金粉末涂层厚度为0.5mm，采用连续波CO2激光加工机进行激光辐照处理，激光辐照工艺参数：激光输出功率1.0kW，光斑直径 2.0mm，激光束扫描速率 2mm/s，大面积扫描激光搭接率30%，所获得的改性层厚度为0.45mm。
实施例6：
一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述激光再制造用粉料为基体材料CoCrAlY合金粉末，该CoCrAlY合金粉末的化学成分按重量百分比为：Cr15.0%，Al8.0%，Y1.0%，余量为Co。
一种高温炉辊激光再制造用粉料的修复工艺，其特征在于：以高温炉辊SCH13钢为基材，预置合金粉末涂层厚度为1.5mm，采用连续波CO2激光加工机进行激光辐照处理，激光辐照工艺参数：激光输出功率4.0 kW，光斑直径 6.0mm，激光束扫描速率 10mm/s，大面积扫描激光搭接率60%，所获得的改性层厚度为1.35mm。
实施例7：
一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述激光再制造用粉料为基体材料CoCrAlY合金粉末和金属氧化物Al2O3粉末，该CoCrAlY合金粉末的化学成分按重量百分比为：Cr18.0%，Al6.0%，Y0.8%，余量为Co；Al2O3粉末占激光再制造用粉料总重量的比例为35.0%。
一种高温炉辊激光再制造用粉料的修复工艺，其特征在于：以高温炉辊SCH13钢为基材，预置合金粉末涂层厚度为1.0mm，采用连续波CO2激光加工机进行激光辐照处理；激光辐照工艺参数：激光输出功率3.0kW，光斑直径5.0mm，激光束扫描速率20mm/s，大面积扫描激光搭接率40%，熔化区厚度为1.0mm，所获得的改性层厚度为0.9mm。
实施例8：
一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述激光再制造用粉料为基体材料CoCrAlY合金粉末和金属氧化物粉末，该CoCrAlY合金粉末的化学成分按重量百分比为：Cr23.0%，Al4.0%，Y1.2%，余量为Co；金属氧化物为Al2O3和Y2O3，其中Y2O3含量占金属氧化物粉末总重量的比例为0.8%，其余为Al2O3,，Al2O3和Y2O3粉末占激光再制造用粉料总重量的比例为10.0%。
一种高温炉辊激光再制造用粉料的修复工艺，其特征在于：以高温炉辊SCH13钢为基材，预置合金粉末涂层厚度为0.5mm，采用连续波CO2激光加工机进行激光辐照处理，激光辐照工艺参数：激光输出功率1.0kW，光斑直径 4.0mm，激光束扫描速率 8mm/s，大面积扫描激光搭接率50%，所获得的改性层厚度为0.43mm。
实施例9：
一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述激光再制造用粉料为基体材料CoCrAlY合金粉末和金属氧化物粉末，该CoCrAlY合金粉末的化学成分按重量百分比为：Cr 17.0%，Al 7.0%，Y 0.3%，余量为Co；金属氧化物为Al2O3和Y2O3，其中Y2O3含量占金属氧化物粉末总重量的比例为0.2%，其余为Al2O3,，Al2O3和Y2O3粉末占激光再制造用粉料总重量的比例为5.0%。
一种高温炉辊激光再制造用粉料的修复工艺，其特征在于：以高温炉辊SCH13钢为基材，预置合金粉末涂层厚度为0.9mm，采用连续波CO2激光加工机进行激光辐照处理，激光辐照工艺参数：激光输出功率3.5 kW，光斑直径 3.5mm，激光束扫描速率30mm/s，大面积扫描激光搭接率35%，所获得的改性层厚度为0.75mm。
按照国家标准JB/T9218-1999渗透探伤方法（表1为着色探伤技术条件）进行再制造层着色探伤检测，测试激光改性层在激光辐照快速加热及随后骤冷过程中的开裂情况，检测表明，采用上述工艺进行激光再制造，改性层表面均未发现裂纹。
冶金行业高温炉辊表面防护涂层的主要失效形式为磨损、氧化交互作用导致的剥层磨损，本发明合理设计涂层成分、改性层的结构及增强相占有的比例、种类和分布，通过激光再制造，获得熔体中合理控制第二相生长的激光修复工艺，从而达到了控制激光处理层内在质量、提高涂层抗热震性及抗氧化性能、改善室温及高温摩擦磨损性能的目的。
Claims (6)
1.一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述激光再制造用粉料包括基体材料CoCrAlY合金粉末，该CoCrAlY合金粉末的化学成分按重量百分比为：Cr15.0-28.0%，Al3.0-10.0%，Y0.1-1.5%，余量为Co。
2.根据权利权利要求1所述的一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述激光再制造用粉料还包括金属氧化物粉末，该金属氧化物粉末占激光再制造用粉料总重量的比例≤40.0%。
3.根据权利权利要求2所述的一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述金属氧化物为Al2O3。
4.根据权利权利要求2所述的一种高温炉辊激光再制造用粉料，其特征在于：所述金属氧化物为Al2O3和Y2O3，其中Y2O3含量占金属氧化物粉末总重量≤10.0%，其余为Al2O3。
5.一种如权利要求1所述的高温炉辊激光再制造用粉料的修复工艺，其特征在于：该修复工艺如下：
按上述比例取粉料基材备用，采用连续波CO2激光加工机进行激光辐照处理，激光再制造激光辐照工艺参数为：激光输出功率1.0-4.0 kW；光斑直径 2.0-6.0 mm；激光束扫描速率2.0-35.0 mm/s，表面预置合金粉料厚度为0.5-1.5 mm，大面积扫描激光搭接率30%-60%。
6.根据权利要求5所述的一种高温炉辊激光再制造用粉料修复工艺，其特征在于：在再制造激光辐照过程中，高温炉辊基体材料发生微熔，熔化区厚度为0.05mm-0.15mm。
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| CN113637872A (zh) * | 2021-08-18 | 2021-11-12 | 沈阳大陆激光先进制造技术创新有限公司 | 一种激光复合制造炉卷辊抗高温氧化功能层合金材料及工艺方法 |
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