CN103409748A - 一种激光熔覆制备Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层的方法 - Google Patents

Abstract

一种激光熔覆制备Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层的方法。原料选用纯铁粉、镍粉、锰粉、硅粉、铬粉、钒粉、稀土、石英、木粉、淀粉等材料，通过激光熔覆的方式，使得通过本方法所制得的Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层综合力学性能优异，尤其是具有耐磨性好、残余应力低、疲劳强度高的特点。自行设计的熔覆粉末制造工艺简单，适于批量工业化生产，熔覆工艺简单易行，所得功能涂层具有较大的市场应用前景。

Description

一种激光熔覆制备Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层的方法

技术领域

本发明属于合金涂层技术领域，特别是一种激光熔覆制备Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层的方法。

背景技术

激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面通过不同方式添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使熔覆材料与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。由于熔覆成形的金属制件可得到用常规加工方法很难获得的极高的表面硬度和耐磨性，因此在工业上有广泛的应用前景。

然而，目前工业上对于提高表面接触疲劳强度的激光熔覆涂层的研究较少。此外，由于激光熔覆修复急热、急冷的特点，再加上熔覆层材料与基材在物理力学性能（如热膨胀系数、弹性模量和导热系数等)的差异，极易在熔覆层产生较大的残余拉应力，这种内应力是激光熔覆过程组织应力、热应力和拘束应力综合作用的结果。当此残余应力大于熔覆层的抗拉强度，容易在气孔、夹杂、尖端等处产生应力集中，从而导致熔覆层开裂。当残余应力超过材料的极限时，将产生裂纹。目前主要通过降低拉应力来尽可能减少熔覆层开裂，通过往熔覆材料中添加增韧、增塑元素的方法来控制裂纹的产生。但这些方法均缺乏相应的理论突破，并且也不能完全阻止裂纹的产生。

发明内容

本发明目的在于提供一种激光熔覆制备Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层方法。通过该方法得到的Fe-Mn-Si形状记忆合金激光熔覆涂层不仅具有较高的硬度、耐磨性，而且具有较好的耐蚀性、接触疲劳强度，并能有效消除熔覆层残余应力。本发明的技术方案如下：

一种激光熔覆制备Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层的方法，包括以下步骤：

①按以下质量百分比配置铁基合金激光熔覆粉末：

Mn粉：15%～25%；

Si粉：2%～10%；

Cr粉：1%～13%；

Ni粉：1%～12%；

V粉：0～2%；

Nb粉：0～2%；

Ti粉：0～2%；

Zr粉：0～2%；

La₂O₃粉：0～3%；

石英：0～5%；

木粉：0～3%；

淀粉：0～5%；

其余为纯铁Fe粉末或含Ｃ0.1%～0.4%低碳钢粉末；

②将上述粉末称量后倒入球磨机中干磨2～8h，使混合粉末的目粒度控制在120～320目之间；

③将上述步骤②处理后的粉末进行真空干燥处理，温度为150℃，时间为2h；

④用1.5mm×10mm×45mm凹槽的刮板将上述步骤③处理后的粉末预置于基材上，预置粉末厚度为1～2mm；

⑤用功率为1.5～3kW、光斑直径为3mm的激光将上述步骤④处理的粉末进行熔覆，扫描速度为400～1000mm/min，多道熔覆搭接率为50%。

以上技术方案中优选的，上述步骤①中激光熔覆粉末由由以下组分按质量百分比组成：Mn粉17%，Si粉5%，Cr粉10%，Ni粉5%，V粉0.5%，La₂O₃粉2%，石英2%，木粉2.5%，淀粉3%，纯铁粉53%。

以上技术方案中优选的，上述步骤②中的球磨机干磨时间为4h。

以上技术方案中优选的，上述步骤⑤中的激光功率为2.5Kw，扫描速度为800mm/min。

在上述的技术方案及下述实施例中，其中Mn、Si、Cr、Ni、V、Nb、Ti、Zr粉均为分析纯，粒径为45-100μm，松装密度为2.6-3.5g/cm³，流动性为25-35S/50g，压缩性大于6.55g/cm³；La₂O₃粉的粉末粒径2μm,，纯度大于99.9%；石英为高纯石英粉，粒径为5-10μm，SiO₂含量大于99.9%，Fe₂O₃含量小于0.005%；木粉、淀粉作为常规的添加剂起到常规的实验作用。纯铁Fe粉末或含Ｃ0.1%～0.4%低碳钢粉末的粒径为粒径为45-100μm。

激光熔覆粉末原料中的V、Nb、Ti、Zr粉用以强化形成Fe-Mn-Si记忆合金涂层的母相强度，促进涂层受力时的应力诱发ε马氏体相变，以减少残余应力和变形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所采用的自行配制的Fe-Mn-Si形状记忆合金激光熔覆粉末制备工艺简单，适于批量工业化生产。

2、本发明所设计的Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层利用应力诱发

马氏体相变及其变形协调来消除熔覆层残余应力和提高熔覆层疲劳强度，不需增加额外工序即可有效消除熔覆层残余应力并有效的提高熔覆层疲劳强度。

3、本发明所得到的功能涂层表面平整、光亮，无孔洞、裂纹等缺陷，涂层具有形状记忆功能特性，熔覆层综合力学性能优异，尤其是具有耐磨性好、残余应力低、疲劳强度高的特点。

上述有益效果的理论依据如下：

A、通过激光熔覆制备的Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层具有较高的硬度、耐磨性和较好的表面接触疲劳强度。这是由于在激光熔覆过程中，Mn、Si、Cr、Ni等合金元素不能与碳结合成碳化物，而是融入到奥氏体中产生固溶强化，从而有效提高熔覆层硬度和耐磨性。Fe-Mn-Si记忆合金涂层在摩擦磨损过程中，通过摩擦应力诱发马氏体相变引起的“相变强化作用”和“相变变形”，可以显著提高其表面接触疲劳强度和耐磨损能力。

B、Fe-Mn-Si形状记忆合金激光熔覆涂层具有较好的耐蚀性。本发明制备的Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni形状记忆合金涂层含碳量为0.3%，Cr含量为10.9%，Ni含量为4.6%，含碳量低，Cr、Ni含量高，与奥氏体不锈钢元素百分比相近，具有良好的防腐性能。

C、Fe-Mn-Si形状记忆合金激光熔覆涂层具有优良的应变疲劳强度。Fe-Mn-Si记忆合金在机械力驱动下发生Shockley不全位错的择向迁动时，即产生马氏体相变变形时，不会像全位错塑性滑移变形那样破坏晶体结构。因此，Fe-Mn-Si记忆合金在相变变形的应变水平内（ε<3%），具有更高的疲劳强度。

D、Fe-Mn-Si形状记忆合金激光熔覆涂层能有效消除熔覆层残余应力。残余应力的机理是熔覆层的残余拉伸应力可使合金诱发

马氏体相变，其相变变形（膨胀）将松弛熔覆层的残余拉伸应力，使其降低到屈服强度之下（因为诱发相变驱动力低于屈服强度），从而有效消除熔覆层残余应力。

附图说明

本发明共有附图4张，其中：

图1是在4.9N压力下Gr15材质的滚珠对实施例1所获得的Fe-Mn-Si形状记忆合金激光熔覆涂层高速往复干磨60min后的磨痕形貌。

图2是在4.9N压力下Gr15材质的滚珠对1Cr18Ni9Ti不锈钢高速往复干磨60min后的磨痕形貌。

图3是通过实施例1所获得的Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层的表面形貌。

图4是通过实施例1所获得的Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层的X射线衍射谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明及有益效果进行进一步地描述。

本发明的实施实例是在AISI304不锈钢表面通过激光熔覆制造Fe-Mn-Si记忆合金涂层。按照设计选用分析纯铁粉、镍粉、锰粉、硅粉、铬粉、钒粉等材料，为改善粉末及熔覆层性能，适当加入La₂O₃、石英、木粉、淀粉等材料。

实施例1：

按以下质量百分比配置原料粉末：锰粉17%、硅粉5%、铬粉10%、镍粉5%、钒粉0.5%、La₂O₃粉2%、石英2%、木粉2.5%、淀粉3%，其余成分为纯铁粉。将配比好的粉末倒入球磨机中，球磨时间为4h，在熔覆前需对熔覆粉末进行150℃×2h真空干燥处理，再用1.5mm×10mm×45mm凹槽的刮板将粉末预置于基材上，预置厚度为1.5mm，用功率为2.5Kw，光斑直径为3mm的激光将上述粉末进行熔覆，扫描速度为800mm/min，多道熔覆搭接率为50%。

实施例2：

按所述的相同步骤重复进行实施例1，但是在实施例2中按以下质量百分比配置原料粉末：锰粉17%、硅粉5%、铬粉10%、镍粉5%，其余成分为纯铁粉。

实施例3：

按所述的相同步骤重复进行实施例1，但是在实施例3中按以下质量百分比配置原料粉末：锰粉17%、硅粉5%、铬粉10%、镍粉5%、石英2%、木粉2.5%、淀粉3%，其余成分为纯铁粉。

实施例4-7：

按所述的相同步骤重复进行实施例1，但是在实施例4，5，6，7中的球磨时间分别为1h，2h，6h，8h。

实施例8-10：

按所述的相同步骤重复进行实施例1，但是在实施例8，9，10中熔覆时激光功率分别为1.5kw，2kw，3kw。

实施例11-13：

按所述的相同步骤重复进行实施例1，但是在实施例11，12，13中熔覆时扫描速度分别为400mm/min，600mm/min，1000mm/min。

最后将实施例1-13所获得的产物进行性能检测。检测结果如下：

1、显微硬度。熔覆层显微硬度是采用MH-6型显微硬度仪测量的。测试结果表明：AISI304不锈钢显微纤维硬度为Hv200，而通过实施例1所获得的形状记忆合金涂层显微硬度为Hv540，而通过实施例2-13所获得的形状记忆合金涂层显微硬度分别在Hv260至Hv410之间。

2、耐磨性。熔覆层耐磨性是采用HSR-2M型高速往复摩擦试验机测试的，由图1和图2可以看出：通过实施例1所获得的记忆合金涂层的磨损形貌中犁沟较浅，且磨损量为0.3mg，比AISI304不锈钢少0.2mg。而经测试，通过实施例2-13所获得的熔覆层磨损量与AISI304不锈钢相比，减少量在0-0.1mg之间。

3、表明形貌。由图3显示的通过实施例1所获得的形状记忆合金涂层的表面形貌。可以看出，实施例1所获得的涂层由于钒粉和稀土粉末的加入，较大的改善了熔覆层质量，且对其组织性能无明显破坏，涂层表面平整、光亮，无孔洞、裂纹等缺陷。经测试，实施例2所获得的涂层尽管在成分上接近Fe-Mn-Si记忆合金，但其熔覆层表面平整度不高、光亮度不好；实施例3所获得的涂层添加了石英、木粉、淀粉，在一定程度上改善了熔覆层表面质量，但碳含量较高，对合金成分影响较大；实施例1所获得的涂层比实施例4-13所获得的熔覆层质量更优。

4、相组成。由图4可以看出，通过实施例1所获得的形状记忆合金涂层由ε马氏体和γ奥氏体相组成，说明在激光熔覆过程中，熔池凝固所形成的Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层通过由γ奥氏体到ε马氏体的相变抵消了试样中的残余应力，同时Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层可通过相变变形提高疲劳强度，涂层中存在ε马氏体相变，表明熔覆层在残余应力作用下发生了应力诱发ε马氏体，相变变形可松弛激光熔覆层的残余应力和提高熔覆层疲劳强度，因而本涂层残余应力低、疲劳强度高。而通过实施例2-13获得的所形状记忆合金涂层无明显ε马氏体相变产生。

Claims (4)

1.一种激光熔覆制备Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层的方法，包括以下步骤：

①按以下质量百分比配置铁基合金激光熔覆粉末：

Mn粉：15%～25%；

Si粉：2%～10%；

Cr粉：1%～13%；

Ni粉：1%～12%；

V粉：0～2%；

Nb粉：0～2%；

Ti粉：0～2%；

Zr粉：0～2%；

La₂O₃粉：0～3%；

石英：0～5%；

木粉：0～3%；

淀粉：0～5%；

其余为纯铁Fe粉末或含Ｃ0.1%～0.4%低碳钢粉末；

②将上述粉末称量后倒入球磨机中干磨2～8h，使混合粉末的目粒度控制在120～320目之间；

③将上述步骤②处理后的粉末进行真空干燥处理，温度为150℃，时间为2h；

④用1.5mm×10mm×45mm凹槽的刮板将上述步骤③处理后的粉末预置于基材上，预置粉末厚度为1～2mm；

⑤用功率为1.5～3kW、光斑直径为3mm的激光将上述步骤④处理的粉末进行熔覆，扫描速度为400～1000mm/min，多道熔覆搭接率为50%。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆制备Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层的方法，其特征在于：其中所述的步骤①中激光熔覆粉末由以下组分按质量百分比组成：Mn粉17%，Si粉5%，Cr粉10%，Ni粉5%，V粉0.5%，La₂O₃粉2%，石英2%，木粉2.5%，淀粉3%，纯铁粉53%。

3.根据权利要求1所述的激光熔覆制备Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层的方法，其特征在于：其中所述的步骤②中的球磨机干磨时间为4h。

4.根据权利要求1所述的激光熔覆制备Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层的方法，其特张在于：其中所述的步骤⑤中的激光功率为2.5kw，扫描速度为800mm/min。

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