CN105132913B - 一种用于热作模具修复再制造的激光熔敷合金粉末 - Google Patents

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    • B22F1/0003—

Abstract

本发明提供了一种用于热作模具修复再制造的激光熔敷合金粉末，为了克服镍基和钴基热喷涂粉末价格昂贵的问题，本发明选用铁基合金粉末，其中采用废钢替代纯铁，形成铁基合金的同时，实现了废物的循环利用；但由于废钢中杂质含量较高，在炼制过程中需要除磷、降碳、去硫以获得成分、温度合格的钢水。传统方法通常通过"造渣"来将上述杂质以炉渣的形式排除，但存在热能要求高、金属损失大，喷溅严重的问题。为解决上述问题，本发明中采用氧化钇代替传统的造渣剂，利用稀土元素净化作用脱出废钢杂质、球化夹杂物同时，同时赋予堆焊金属优良的抗疲劳性能。

Description

一种用于热作模具修复再制造的激光熔敷合金粉末
技术领域
本发明属于焊接材料领域，尤其涉及一种用于热作模具修复再制造的激光熔敷合金粉末。
背景技术
近年来，随着我国制造业的迅猛发展，模具特别是热作模具，如热轧工作辊、热锻模、热挤压模、热冲裁模等的用量越来越大，现已成为工业生产中大量应用的消耗件之一。模具在使用过程中由于磨损及热疲劳等原因会产生剥落、擦伤、磨损等而失效。如何提高它的使用寿命一直是国内外关注的研究热点。鉴于模具的失效大都由表面开始，从节省能源和资源、充分发挥材料性能潜力并获得特殊性能和最大技术经济效益出发，提高和改进模具工作面材料的性能是延长模具使用寿命的关键。
目前，可用于装备部件再制造的表面强化技术有热喷涂、堆焊、气相沉积、电镀、化学镀、激光熔敷等。堆焊是目前模具修复再制造，延长其寿命的重要技术手段，电弧堆焊、等离子堆焊技术已经在轧辊、支承辊、辊道辊等冶金部件的表面再制造产业化中获得应用，但它存在的缺点较多，如堆焊稀释率高，堆焊材料与堆焊层成分存在差距；堆焊层热应力和组织应力大，堆焊层容易产生裂纹和剥落；堆焊工件变形和焊后加工余量大；堆焊前需要很高的预热温度，工艺复杂，劳动强度大，耗能严重等。激光具有比等离子更高的能量密度，能获得更致密、更细小的熔敷质量，是一种极有前途的表面改性技术。而且激光加工指向性好、效率高；得到的熔敷金属的稀释率低、热影响区小，因此很适合于质量要求较高的模具修复。如申请号为201210563451.7的发明专利“一种激光熔敷复合粉末及对废旧辊道辊表面再制造的方法”涉及到一种激光熔敷复合粉末，其包括下述重量组分：Stellite3粉末5～20％、Y2O3粉末3～5％、Ni60粉末余量，以及对废旧辊道辊表面再制造的方法，该专利的激光熔敷粉末是几种粉体材料的机械混合物，存在混合均匀性差的弊端，特别是粉末组分密度差异大时该问题更加突出。申请号201310053551.X的发明专利“一种线材高速轧机辊轴修复方法”提出了用激光熔敷修复线材高速轧机辊轴的工艺方法，但没有涉及激光熔敷的粉末材料。申请号201310252817.3的发明专利“一种Ni基自熔合金激光熔敷涂层”公开了一种Ni基自熔合金激光熔敷涂层，其质量百分组成具体为Cr13.5-15.5、Si3.2-3.6、B3.2-3.5、Fe3.3-4.5、C0.8-1.0，余量为Ni和不可避免的杂质，属于镍铬硼硅系Ni基自熔合金粉末，该专利没有涉及粉末的制备技术。申请号201010555739.0的发明专利“高强韧性激光熔敷涂层用铁基合金粉末”涉及一种激光熔敷铁基合金粉末，其组分的重量百分比含量依次为：0.60％～1.00％的C、0.35％～0.70％的Si、0.30％～0.60％的Mn、5.00％～7.00％的Cr、2.50％～4.00％的Ni、1.50％～2.50％的Mo、1.00％～1.50％的W、0.70％～1.00％的V、0.20％～0.40％的Ti、0.50％～0.70％的B、0.20％～0.40％的Nb、0.10％～0.30％的Ce，余量为Fe，各组分的重量之和为100％，该专利没有涉及到粉末的制备方法。
激光熔覆再制造的核心技术是熔覆合金材料成分的设计、选择与使用正确与否，这是该项技术能否成功应用的关键。目前，激光熔覆再制造技术常用的熔覆合金材料有镍基、钴基、铁基、碳化钨复合材料等合金系统。激光熔敷用的粉末材料目前多选用镍基和钴基热喷涂粉末，激光熔敷专用的合金粉末较少，镍基和钴基热喷涂粉末价格昂贵，激光熔敷用、价格相对较低的铁基合金粉末应用的更少。热喷涂粉末用于激光熔敷，在能量利用率、熔敷效率、熔覆金属层的抗裂性能、熔敷金属洁净度等方面多多少少都存在问题。开发激光熔敷用合金粉末，特别是激光熔敷用铁基合金粉末，获得高温抗氧化性能优异、耐磨性好、洁净度高、具有良好抗疲劳性能的激光熔敷金属，对于激光熔敷用于热作模具的修复再制造具有重要意义。
发明内容
为了克服镍基和钴基热喷涂粉末价格昂贵的问题，本发明选用铁基合金粉末，其中采用废钢替代纯铁，形成铁基合金的同时，实现了废物的循环利用；但由于废钢中杂质量较高，在炼制过程中需要除磷、降碳、去硫以获得成分、温度合格的钢水。传统方法通常通过“造渣”来将上述杂质以炉渣的形式排除，但存在热能要求高、金属损失大，喷溅严重的问题。为解决上述问题，本发明中采用氧化钇代替传统的造渣剂，利用稀土元素的净化作用脱出废钢杂质、球化夹杂物，同时赋予堆焊金属优良的抗疲劳性能。
本发明的合金粉末中还加入纳米氮化铬粉末，在熔敷金属中形成细小的氮化物间隙相，利用纳米氮化铬粉末细化晶粒，提高堆焊金属的高温硬度、耐磨性能，并使其具有良好的韧性和抗裂性能。通过合金系的设计，使堆焊金属获得马氏体基体组织加少量残余奥氏体组织，并以氮化物、碳化物作为强化相；降低熔敷金属S、P等杂质含量，改善了合金粉末的激光熔敷工艺性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于热作模具修复再制造的激光熔敷合金粉末，各原料含量以质量份计如下：电解锰2-4，45#硅铁2-4，钛铁1-4，金属铬20-35，高碳铬铁20-30，石墨0-5，钒铁2-6，钼铁12-18，钨粉2-4，金属镍4-8，硼铁4-6，纳米氮化铬粉1-2，氧化钇粉2-6，废钢的加入量为前述组分总量的1.2-2.2倍。
就本发明的激光熔覆用合金粉末而言，通过对熔覆过程的观察，对熔覆层外观形貌评定及硬度测试的方法确定粉末配方，并结合显微组织分析及耐腐蚀性试验对熔覆层与基材结合的永久性及熔覆层耐腐蚀性进行验证，结果表明：本发明的粉末配方形成的熔覆层与基材结合性和耐腐蚀性良好。
优选地，所述激光熔敷合金粉末中各原料含量以质量份计如下：电解锰3-4，45#硅铁3-4，钛铁2-4，金属铬25-35，高碳铬铁24-30，石墨2-5，钒铁3-6，钼铁14-18，钨粉3-4，金属镍5-8，硼铁4.5-6，纳米氮化铬粉1.2-2，氧化钇粉4-6；废钢的加入量为前述组分总量的1.2-2.2倍。
更优选地，所述激光熔敷合金粉末中各原料含量以质量份计如下：电解锰3-3.5，45#硅铁3-3.5，钛铁2-3，金属铬25-30，高碳铬铁24-28，石墨2-4，钒铁3-5，钼铁14-16，钨粉3-3.5，金属镍5-6，硼铁4.5-5.5，纳米氮化铬粉1.2-1.6，氧化钇粉4-5；废钢的加入量为前述组分总量的1.2-2.2倍。
本发明中，纳米氮化铬粉末的加入，可以在堆焊金属中形成细小的氮化物间隙相，同时利用纳米氮化铬粉末细化晶粒(纳米氮化铬粉的粒度为99％以上的小于100纳米)，提高堆焊金属的高温硬度、耐磨性能，并使其具有良好的韧性、抗裂性能和抗疲劳性能，纳米级氮化铬粉末活性大，冶金反应剧烈，可以弥补激光加热冷却速度极快，熔池存在的时间极短、氮化物和碳化物不容易形成的弊端。
在本发明的多个优选实施方式中，纳米氮化铬粉的粒度为99％以上的小于100纳米，其他废钢、金属、铁合金、氧化钇块状尺寸和粉末粒度无特殊要求，以能装入中频感应熔炼炉为原则。
上述药粉配方中，电解金属锰的成分以质量比计Mn含量不小于99.5％；45#硅铁的成分以质量比计是40.0％～47.0％Si，0.1％C，余为Fe和不影响性能的杂质；钛铁的成分以质量比计是23％～35％Ti，8.5％Al，5％Si，2.5％Mn，余为Fe和不影响性能的杂质；金属铬的成分以质量比计Cr含量不小于98％；高碳铬铁的成分以质量比计Cr不小于60％，C为6％～10％，Si不大于3％，S不超过0.04％，P不超过0.04％，余为Fe和不影响性能的杂质；石墨的成分以质量比计是94％～99％C；钒铁的成分以质量比计是50％V，0.2％C，2％Si，0.8％Al，余为Fe和不影响性能的杂质；钼铁的成分以质量比计是50％Mo，3％Si，余为Fe和不影响性能的杂质；钨粉的成分以质量比计W含量不小于98％；金属镍的成分以质量比计Ni含量不小于98％；硼铁的成分以质量比计为19-24％B，C不大于0.1％，Si不大于4％，Al不大于3％，S不超过0.01％，P不超过0.03％，余为Fe和不影响性能的杂质；氧化钇粉末的成分以质量百分比计Y2O3含量不小于99％。纳米氮化铬粉的成分以质量比计CrN含量不小于99％，粒度99％以上的小于100纳米。废钢的成分以质量比计C不大于0.12％、Si不大于0.35％、Mn不大于0.65％、S不大于0.035％、P不大于0.035％、余为Fe和不影响性能的杂质。上述废钢、金属、铁合金和变质剂的成分中允许含有加工过程中难以去除的不影响其性能的杂质。
优选的，当本发明的合金粉末用于处理热作模具钢时(碳质量分数一般小于0.5％，常加入的合金元素有：Cr、Mn、W、Mo、V、Si、Ni、Nb、Al等)，一般来说，由于熔覆层中添加了Cr，Ni，Mo等元素，因此熔覆层与基材之间会形成原电池，从而发生电化学腐蚀，但是由于热作模具本身和熔覆粉末中都添加了Cr，Ni，Mo等元素而使得电化学反应难以快速持续进行。首先，Cr在合金中会溶于Ni中从而形成Ni-Cr固溶体，并起到显著的钝化作用；其次，在腐蚀过程中，Cr部分取代锈层α-FeOOH中的Fe，形成了羟基氧化物α-(Fe1-xCrx)OOH。由于这种锈层微观组织较为致密且相对稳定，能将基体材料与腐蚀介质很好的隔离，同时其极高的阻抗又能很好的降低了电化学反应的速度。而Mo能在钢材中细化晶粒，固溶强化，形成固化层，这种固化层与基体结合牢固，形成钝化作用，因而具有很好的保护性能。同时由于激光熔覆过程中激光束与粉末的相互作用时间短，因此在急速冷却过程中具有较大的冷却度，而粉末中的合金元素会形成多种化合物，进一步增加非自发形核的数量，大大提高形核率，最终使得熔覆层的组织细小致密。细密的组织不仅减少了单位晶界上的杂质含量，而且减少了由于快速冷却而形成的成分偏析，从而降低了因原电池效应而加速腐蚀的影响。所以，无论是从腐蚀失重量而言，还是根据更具科学性的腐蚀失重速率分析，都说明热作模具包含Cr，Ni，Mo三种元素时，熔覆层的试样具有更好的耐腐蚀性，且并没有由于电化学腐蚀及原电池效应而加快基材的腐蚀。证明了本发明的粉末具有和基材一致的耐腐蚀性能，很好的满足了热作模具修复再制造的设计要求。
上述合金粉末所有各组分的作用如下：
电解锰的作用是脱氧和合金化，金属锰杂质含量少，利于熔敷金属的净化。
45#硅铁的作用是脱氧和合金化，与电解锰联合加入，硅锰联合脱氧的效果好。
钛铁的作用是脱氧，并析出碳化物TiC和氮化物TiN，细化晶粒，通过细晶和析出相两种方式强化焊缝，提高熔敷金属的硬度。
金属铬和高碳铬铁的作用是向熔敷金属过渡Cr，对熔敷金属起到固溶强化作用，同时析出碳化物强化，Cr含量达到11％以上还能提高熔敷金属的高温抗氧化性能。高碳铬铁除了过渡Cr外，还向熔敷金属中过渡C。
石墨的作用是向熔敷金属过渡C，控制熔敷金属适当的含C量并形成碳化物，保证熔敷金属的硬度。
钒铁的作用是合金化，形成碳化物、氮化物，细化晶粒。
钼铁的作用是合金化，细化晶粒，固溶强化，形成碳化物，提高熔敷金属的高温性能和耐磨性能。
钨粉的作用是合金化，向熔敷金属过渡W，提高熔敷金属的高温硬度和高温耐磨性能。
金属镍的作用是可以提高奥氏体稳定性，减缓奥氏体向马氏体的转变，增加残余奥氏体量，提高熔敷金属的塑性、韧性，而且可以降低马氏体开始转变温度Ms点，可以降低熔敷金属的残余应力。
硼铁的作用是增加液态金属的流动性，改善激光熔敷工艺性能，并形成硼化物提高硬度和耐磨性能。
纳米氮化铬粉的作用是向熔敷金属过渡N，与氮化物形成元素Ti、V、Cr等形成氮化物，细化晶粒，提高熔敷金属的高温硬度和组织稳定性；向熔敷金属过渡Cr。纳米粉末活性大，冶金反应充分。
氧化钇的作用是降低熔敷金属夹杂物含量，使夹杂物球化，净化焊缝金属，提高熔敷金属的抗疲劳性能。
废钢的作用是提供Fe，形成铁基合金粉末，并保证合金成分的合适含量。
本发明还提供了一种用于热作模具修复再制造的激光熔敷合金粉末的方法，包括如下步骤：
(1)根据欲制合金粉末的化学成分指标，称取废钢、金属、铁合金、石墨、纳米氮化铬粉和氧化钇粉；
(2)将步骤(1)选定的废钢熔化，随后将步骤(1)选定的金属、铁合金、石墨加入到熔化的废钢水中后再精炼5～8分钟，然后按每吨钢水0.5千克铝的比例加入铝脱氧后(工艺过程中脱氧，降低液态钢水的氧化性，提高合金利用率)，将配方中的纳米氮化铬和氧化钇加入，再精炼3～5分钟；
(3)将步骤(2)熔炼好的150～250℃的钢水采用气雾化法制得球状粉末，冷却降温后，通过离心脱水、压滤脱水、干燥、筛分，选取-140目～+320目的粉末得到球形合金粉末，即得。
上述的制备方法具体包括如下步骤：
(1)根据欲制合金粉末的化学成分指标，确定废钢、金属、铁合金、石墨和变质剂的种类及数量。
金属、铁合金、石墨和变质剂配方以质量份计如下：电解锰2-4，45#硅铁2-4，钛铁1-4，金属铬20-35，高碳铬铁20-30，石墨0-5，钒铁2-6，钼铁12-18，钨粉2-4，金属镍4-8，硼铁4-6，纳米氮化铬粉1-2，氧化钇粉2-6。其中纳米氮化铬粉和氧化钇粉为变质剂。废钢的加入量为金属、铁合金、变质剂三者总量的1.2-2.2倍。纳米氮化铬粉的粒度为99％以上的小于100纳米，其他废钢、金属、铁合金、变质剂块状尺寸和粉末粒度无特殊要求，以能装入中频感应熔炼炉为原则。
(2)将步骤(1)选定的废钢放入中频感应熔炼炉用感应炉最大的功率以最短时间将其熔化，随后将步骤(1)选定的金属、铁合金加入到熔化的废钢水中后再精炼5～8分钟，然后按每吨钢水0.5千克铝的比例加入铝脱氧后，将配方中的纳米氮化铬和氧化钇变质剂加入，再精炼3～5分钟；
(3)将步骤(2)熔炼好的钢水(过热150～250℃)倒入其正下方的漏包中，所述漏包由耐火材料制造，在倒入钢水前先烘烤到580～620℃，漏包安装在直径为1.5～3.0m的雾化桶的顶部，雾化桶的高度为6～9m，雾化桶上设有与大气相通的排气孔，雾化桶的底部以圆锥收孔，圆锥的高度为0.5～1.0m，圆锥的顶部、即雾化桶的最底部设有直径为20～50mm的可关闭和开启的孔；在雾化桶内的上部安装有环形喷嘴，环形喷嘴由12～24个等距的小圆孔组成，小圆孔的直径为0.5～1.5mm，以供气流喷出，气体可选氩气或氮气；漏包底部设有直径为6～10mm的漏孔，钢水从漏孔沿着环形喷嘴中心轴线自由落下，由小圆孔喷出的气压为0.6～0.8MPa的气流形成一个顶角为40～60°的气锥，聚焦于自由落下的钢水流上，使钢水雾化，雾化的钢水滴通过足够高的雾化桶空间变成球状并凝固后，落入雾化桶底部的冷却水降温。雾化结束后，开启雾化桶底部的孔，收集水和粉末的混合物，通过离心脱水、压滤脱水、干燥、筛分，选取-140目～+320目的粉末得到合金粉末，获得的粉末呈球形，利于激光熔敷的送粉。
上述漏包倒入钢水前的烘烤温度优选590～610℃。
上述雾化桶的直径优选1.8～2.2m，雾化桶的高度优选7～8m，雾化桶底部收孔圆锥的高度优选0.6～0.8m，雾化桶底部开孔的直径优选30～40mm。
漏包底部漏孔的直径优选8～10mm，环形喷嘴的个数优选16～20、喷嘴小圆孔直径优选1.0～2.0mm，气锥的顶角优选45～55°。
上述气流的气压优选0.4～0.7MPa，气体优选氩气。
上述干燥后的合金粉根据需要可以进行还原处理，还原在露点为-40℃的氢气中进行，还原温度为950～1100℃，优选980～1050℃。
上述的用于热作模具修复再制造的激光熔敷合金粉末可用于制造航空零部件、汽车零部件、船舶零部件或模具中的应用，所述航空零部件包括机翼整体壁板、翼梁、加强框以及航空涡轮发动机叶片；所述汽车零部件包括汽车的发动机阀、汽缸内槽、齿轮或排气阀座。
激光熔覆工艺参数主要包括激光功率P、光斑尺寸(直径D或面积S)、激光扫描速度V、多道搭接的搭接率或多层叠加的停光时间、涂层材料的添加方式和保护方式等。上述工艺参数是决定激光熔覆涂层宏观力学性能、微观组织结构的关键因素。目前工艺参数的选择是以试验归纳为主，本发明研究了激光熔覆工艺参数对涂层显微组织与宏观力学性能的影响。结果表明，粉末的种类、数量和粒度不同，激光熔覆的工艺参数变化很大，特别地，当D、V不变时，随着P增加，涂层的致密度逐渐下降，孔隙率逐渐增大。因此，本发明根据合金粉末配方、粒径的特点改进工艺，开发出了专用于本发明激光焊接与熔覆(敷)的金属粉末的激光熔覆工艺，具体工艺参数如下：熔敷激光功率为2.0KW，激光束的扫描速度为350mm/min，光斑直径为4.0mm，熔敷送粉量为20g/min，每道熔敷层的搭界量为40％，熔敷过程中熔池用氩气保护。采用功率为5000W的横流式CO2连续激光器。
本发明所具有的显著效果是：
(1)本专利合金粉芯采用熔炼、气雾化工艺制备，制粉的熔炼过程使其成分完全均匀化，克服了目前机械混合合金粉末成分不均匀的弊端；合金粉末呈球状，激光熔敷送粉顺畅，熔敷工艺性能好。激光熔敷效率高，可用于大型热作模具的制造与修复。
(2)熔敷金属的成分可以通过改变合金粉末的成分调整，可以制造出系列产品用于不同的热作模具钢，应用范围广。
(3)本专利合金粉末优化了熔敷金属含铬量，使熔敷金属具有良好的高温抗氧化性能，显著提高了热作模具的使用寿命。
(4)本专利合金粉末通过其中加入纳米氮化铬粉和氮化物形成元素，通过反应原位合成氮化物，氮化物作为间隙相具有尺寸细小、高温稳定等优点；纳米氮化物增加了结晶核心，细化了晶粒；显著提高了熔敷金属的高温硬度和高温稳定性。
(5)本专利通过原材料的优选(如选用纯金属，少用铁合金)、加入稀土、精炼等，降低了熔敷金属夹杂物含量，使夹杂物球化，细化晶粒，提高了熔敷金属的韧性、塑性和抗疲劳性能。
具体实施方式
实施例1：
(1)根据欲制合金粉末的化学成分指标，确定金属、铁合金和变质剂的种类及数量。
金属、铁合金和变质剂配方以质量份计如下：电解锰4，45#硅铁3，钛铁2，金属铬30，高碳铬铁20，钒铁2，钼铁12，钨粉2，金属镍4，硼铁4，纳米氮化铬粉1，氧化钇粉2。其中纳米氮化铬粉和氧化钇粉为变质剂。废钢选用Q195，其加入量为上述金属、铁合金、变质剂三者总量的2.2倍。纳米氮化铬粉的粒度为99％以上的小于100纳米，其他废钢、金属、铁合金、变质剂块状尺寸和粉末粒度无特殊要求，以能装入中频感应熔炼炉为原则。
(2)将步骤(1)选定的废钢放入中频感应熔炼炉用感应炉最大的功率以最短时间将其熔化，随后将步骤(1)选定的金属、铁合金加入到熔化的废钢水中后再精炼5分钟，然后按每吨钢水0.5千克铝的比例加入铝脱氧后，将配方中的纳米氮化铬和氧化钇变质剂加入，再精炼3分钟。
(3)将步骤(2)熔炼好的钢水(过热200℃)倒入其正下方的漏包中，所述漏包由耐火材料制造，在倒入钢水前先烘烤到600℃，漏包安装在直径为2.0m的雾化桶的顶部，雾化桶的高度为8m，雾化桶上设有与大气相通的排气孔，雾化桶的底部以圆锥收孔，圆锥的高度为0.8m，圆锥的顶部、即雾化桶的最底部设有直径为40mm的可关闭和开启的孔；在雾化桶内的上部安装有环形喷嘴，环形喷嘴由24个等距的小圆孔组成，小圆孔的直径为1.0mm，以供气流喷出，气体选氩气；漏包底部设有直径为8mm的漏孔，钢水从漏孔沿着环形喷嘴中心轴线自由落下，由小圆孔喷出的气压为0.7MPa的气流形成一个顶角为50°的气锥，聚焦于自由落下的钢水流上，使钢水雾化，雾化的钢水滴通过足够高的雾化桶空间变成球状并凝固后，落入雾化桶底部的冷却水降温。雾化结束后，开启雾化桶底部的孔，收集水和粉末的混合物，通过离心脱水、压滤脱水、干燥、筛分，选取-140目～+320目的粉末得到合金粉末成品。
上述热作模具激光熔敷合金粉末采用功率为5000W的横流式CO2连续激光器，采用如下熔敷工艺参数：熔敷激光功率为2.0KW，激光束的扫描速度为350mm/min，光斑直径为4.0mm，熔敷送粉量为20g/min，每道熔敷层的搭界量为40％，熔敷过程中熔池用氩气保护。熔敷金属的硬度为HRC48。
实施例2：
(1)根据欲制合金粉末的化学成分指标，确定金属、铁合金和变质剂的种类及数量。
金属、铁合金和变质剂配方以质量份计如下：电解锰3，45#硅铁4，钛铁4，金属铬30，高碳铬铁30，石墨3，钒铁6，钼铁18，钨粉4，金属镍5，硼铁6，纳米氮化铬粉2，氧化钇粉5。其中纳米氮化铬粉和氧化钇粉为变质剂。废钢选用Q195，其加入量为上述金属、铁合金、变质剂、石墨四者总量的1.2倍。纳米氮化铬粉的粒度为99％以上的小于100纳米，其他废钢、金属、铁合金、变质剂块状尺寸和粉末粒度无特殊要求，以能装入中频感应熔炼炉为原则。
(2)将步骤(1)选定的废钢放入中频感应熔炼炉用感应炉最大的功率以最短时间将其熔化，随后将步骤(1)选定的金属、铁合金、石墨加入到熔化的废钢水中后再精炼8分钟，然后按每吨钢水0.5千克铝的比例加入铝脱氧后，将配方中的纳米氮化铬和氧化钇变质剂加入，再精炼5分钟。
(3)将步骤(2)熔炼好的钢水(过热250℃)倒入其正下方的漏包中，所述漏包由耐火材料制造，在倒入钢水前先烘烤到620℃，漏包安装在直径为3.0m的雾化桶的顶部，雾化桶的高度为9m，雾化桶上设有与大气相通的排气孔，雾化桶的底部以圆锥收孔，圆锥的高度为1.0m，圆锥的顶部、即雾化桶的最底部设有直径为50mm的可关闭和开启的孔；在雾化桶内的上部安装有环形喷嘴，环形喷嘴由20个等距的小圆孔组成，小圆孔的直径为1.5mm，以供气流喷出，气体选氩气；漏包底部设有直径为10mm的漏孔，钢水从漏孔沿着环形喷嘴中心轴线自由落下，由小圆孔喷出的气压为0.9MPa的气流形成一个顶角为60°的气锥，聚焦于自由落下的钢水流上，使钢水雾化，雾化的钢水滴通过足够高的雾化桶空间变成球状并凝固后，落入雾化桶底部的冷却水降温。雾化结束后，开启雾化桶底部的孔，收集水和粉末的混合物，通过离心脱水、压滤脱水、干燥、筛分，选取-140目～+320目的粉末得到合金粉末成品。
上述热作模具激光熔敷合金粉末采用功率为5000W的横流式CO2连续激光器，采用如下熔敷工艺参数：熔敷激光功率为2.5KW，激光束的扫描速度为400mm/min，光斑直径为3.5mm，熔敷送粉量为18g/min，每道熔敷层的搭界量为35％，熔敷过程中熔池用氩气保护。熔敷金属的硬度为HRC60。
实施例3：
(1)根据欲制合金粉末的化学成分指标，确定金属、铁合金和变质剂的种类及数量。
金属、铁合金和变质剂配方以质量份计如下：电解锰4，45#硅铁4，钛铁3，金属铬30，高碳铬铁25，石墨3，钒铁4，钼铁15，钨粉3，金属镍6，硼铁5，纳米氮化铬粉1，氧化钇粉4。其中纳米氮化铬粉和氧化钇粉为变质剂。废钢选用Q195，其加入量为上述金属、铁合金、变质剂、石墨四者总量的1.8倍。纳米氮化铬粉的粒度为99％以上的小于100纳米，其他废钢、金属、铁合金、变质剂块状尺寸和粉末粒度无特殊要求，以能装入中频感应熔炼炉为原则。
(2)将步骤(1)选定的废钢放入中频感应熔炼炉用感应炉最大的功率以最短时间将其熔化，随后将步骤(1)选定的金属、铁合金、石墨加入到熔化的废钢水中后再精炼6分钟，然后按每吨钢水0.5千克铝的比例加入铝脱氧后，将配方中的纳米氮化铬和氧化钇变质剂加入，再精炼4分钟。
(3)将步骤(2)熔炼好的钢水(过热150℃)倒入其正下方的漏包中，所述漏包由耐火材料制造，在倒入钢水前先烘烤到580℃，漏包安装在直径为1.5m的雾化桶的顶部，雾化桶的高度为6m，雾化桶上设有与大气相通的排气孔，雾化桶的底部以圆锥收孔，圆锥的高度为0.5m，圆锥的顶部、即雾化桶的最底部设有直径为20mm的可关闭和开启的孔；在雾化桶内的上部安装有环形喷嘴，环形喷嘴由12个等距的小圆孔组成，小圆孔的直径为0.5mm，以供气流喷出，气体选氩气；漏包底部设有直径为8mm的漏孔，钢水从漏孔沿着环形喷嘴中心轴线自由落下，由小圆孔喷出的气压为0.6MPa的气流形成一个顶角为40°的气锥，聚焦于自由落下的钢水流上，使钢水雾化，雾化的钢水滴通过足够高的雾化桶空间变成球状并凝固后，落入雾化桶底部的冷却水降温。雾化结束后，开启雾化桶底部的孔，收集水和粉末的混合物，通过离心脱水、压滤脱水、干燥、筛分，选取-140目～+320目的粉末得到合金粉末成品。
上述热作模具激光熔敷合金粉末采用功率为5000W的横流式CO2连续激光器，采用如下熔敷工艺参数：熔敷激光功率为2.2KW，激光束的扫描速度为350mm/min，光斑直径为3.5mm，熔敷送粉量为18g/min，每道熔敷层的搭界量为35％，熔敷过程中熔池用氩气保护。熔敷金属的硬度为HRC52。
实施例4：
(1)根据欲制合金粉末的化学成分指标，确定金属、铁合金和变质剂的种类及数量。
金属、铁合金和变质剂配方以质量份计如下：电解锰2，45#硅铁4，钛铁3，金属铬35，高碳铬铁30，石墨5，钒铁6，钼铁12，钨粉4，金属镍8，硼铁6，纳米氮化铬粉2，氧化钇粉6。其中纳米氮化铬粉和氧化钇粉为变质剂。废钢选用H08A，其加入量为金属、铁合金、变质剂、石墨四者总量的1.8倍。纳米氮化铬粉的粒度为99％以上的小于100纳米，其他废钢、金属、铁合金、变质剂块状尺寸和粉末粒度无特殊要求，以能装入中频感应熔炼炉为原则。
(2)将步骤(1)选定的废钢放入中频感应熔炼炉用感应炉最大的功率以最短时间将其熔化，随后将步骤(1)选定的金属、铁合金、石墨加入到熔化的废钢水中后再精炼7分钟，然后按每吨钢水0.5千克铝的比例加入铝脱氧后，将配方中的纳米氮化铬和氧化钇变质剂加入，再精炼5分钟。
(3)将步骤(2)熔炼好的钢水(过热200℃)倒入其正下方的漏包中，所述漏包由耐火材料制造，在倒入钢水前先烘烤到620℃，漏包安装在直径为2.5m的雾化桶的顶部，雾化桶的高度为8m，雾化桶上设有与大气相通的排气孔，雾化桶的底部以圆锥收孔，圆锥的高度为1.0m，圆锥的顶部、即雾化桶的最底部设有直径为30mm的可关闭和开启的孔；在雾化桶内的上部安装有环形喷嘴，环形喷嘴由16个等距的小圆孔组成，小圆孔的直径为0.8mm，以供气流喷出，气体选氩气；漏包底部设有直径为6mm的漏孔，钢水从漏孔沿着环形喷嘴中心轴线自由落下，由小圆孔喷出的气压为0.6MPa的气流形成一个顶角为55°的气锥，聚焦于自由落下的钢水流上，使钢水雾化，雾化的钢水滴通过足够高的雾化桶空间变成球状并凝固后，落入雾化桶底部的冷却水降温。雾化结束后，开启雾化桶底部的孔，收集水和粉末的混合物，通过离心脱水、压滤脱水、干燥、筛分，选取-140目～+320目的粉末得到合金粉末成品。
上述热作模具激光熔敷合金粉末采用功率为5000W的横流式CO2连续激光器，采用如下熔敷工艺参数：熔敷激光功率为2.2KW，激光束的扫描速度为350mm/min，光斑直径为3.5mm，熔敷送粉量为18g/min，每道熔敷层的搭界量为35％，熔敷过程中熔池用氩气保护。熔敷金属的硬度为HRC62。
上述实施中所述的合金粉末制备的堆焊金属具备了优良的宏观力学性能，能够满足制造航空零部件、汽车零部件、船舶零部件或模具的要求，例如：用于制造航机翼整体壁板、翼梁、加强框以及航空涡轮发动机叶片、汽车的发动机阀、汽缸内槽、齿轮或排气阀座等。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于，原料配方中不含氧化钇，对激光熔敷金属的热疲劳性进行测试，试样尺寸为50×20×1.5(mm),在20mm一边的中心垂直厚度方向，开60°V型缺口，进行700℃-20℃的循环加热、冷却，用出现0.5mm裂纹的循环次数反映疲劳性能。不含氧化钇粉末的循环次数为26次，含氧化钇2份的对比例1的循环次数为49次。通过与实施例1的比对，表明本发明氧化钇能有效提升熔敷金属的抗疲劳性能。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于，原料配方中不加入纳米氮化铬粉，对韧性和抗裂性能的进行测试，不加纳米氮化铬粉的，U型缺口冲击韧性的测试值为1.06J/cm2，在厚度为80mm的5CrNiMo模具钢表面熔敷一层，预热250℃才能不出现裂纹；实施例1的U型缺口冲击韧性的测试值为1.21J/cm2，在厚度为80mm的5CrNiMo模具钢表面熔敷一层，预热50℃即可不出现裂纹。表明本发明纳米氮化铬粉能有效地提高铁基合金粉末韧性和抗裂性能。
对比例3
本对比例与实施例1的不同之处在于，原料配方中采用粒度为48微米～180微米(即粒度为-80目～+300目)的氮化铬粉，实测500℃的硬度为HRC41，硬度的最大值与最小值相差HRC5；实施例1的500℃硬度为HRC45，硬度的最大值与最小值相差HRC3。纳米氮化铬使熔敷金属高温下保持较高硬度，且熔敷金属的硬度较均匀。微米级的氮化铬由于颗粒较大，活性较小，在现有的加入量下由于熔池冷却速度快，导致冶金反应不充分，无法有效提高熔敷金属的高温硬度和组织稳定性。
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种用于热作模具修复再制造的激光熔敷合金粉末，其特征在于，各原料含量以质量份计如下：电解锰2-4，45#硅铁3-4，钛铁2-4，金属铬30-35，高碳铬铁20-30，石墨0-5，钒铁2-6，钼铁12-18，钨粉2-4，金属镍4-8，硼铁4-6，纳米氮化铬粉1-2，氧化钇粉2-6，废钢的加入量为前述组分总量的1.2-2.2倍。
2.如权利要求1所述的激光熔敷合金粉末，其特征在于，各原料含量以质量份计如下：电解锰2-3，45#硅铁3-4，钛铁2-4，金属铬30-35，高碳铬铁25-30，石墨3-5，钒铁4-6，钼铁12-15，钨粉3-4，金属镍5-8，硼铁5-6，纳米氮化铬粉1-2，氧化钇粉4-6，废钢的加入量为前述组分总量的1.2-2.2倍。
3.如权利要求1所述的激光熔敷合金粉末，其特征在于，各原料含量以质量份计如下：电解锰2，45#硅铁4，钛铁3，金属铬35，高碳铬铁30，石墨5，钒铁6，钼铁12，钨粉4，金属镍8，硼铁6，纳米氮化铬粉2，氧化钇粉6，废钢的加入量为前述组分总量的1.8倍。
4.如权利要求1所述的激光熔敷合金粉末，其特征在于，所述纳米氮化铬粉的粒度小于100纳米。
5.如权利要求1-4任一所述的激光熔敷合金粉末，其特征在于，所述电解锰的成分以质量比计Mn含量不小于99.5％；45#硅铁的成分以质量比计是40.0％～47.0％Si，0.1％C，余为Fe和不影响性能的杂质；钛铁的成分以质量比计是23％～35％Ti，8.5％Al，5％Si，2.5％Mn，余为Fe和不影响性能的杂质；金属铬的成分以质量比计Cr含量不小于98％；高碳铬铁的成分以质量比计Cr不小于60％，C为6％～10％，Si不大于3％，S不超过0.04％，P不超过0.04％，余为Fe和不影响性能的杂质；钒铁的成分以质量比计是50％V，0.2％C，2％Si，0.8％Al，余为Fe和不影响性能的杂质；钼铁的成分以质量比计是50％Mo，3％Si，余为Fe和不影响性能的杂质；钨粉的成分以质量比计W含量不小于98％；金属镍的成分以质量比计Ni含量不小于98％；硼铁的成分以质量比计为19-24％B，C不大于0.1％，Si不大于4％，Al不大于3％，S不超过0.01％，P不超过0.03％，余为Fe和不影响性能的杂质；氧化钇粉末的成分以质量百分比计Y2O3含量不小于99％；废钢的成分以质量比计C不大于0.12％、Si不大于0.35％、Mn不大于0.65％、S不大于0.035％、P不大于0.035％、余为Fe和不影响性能的杂质。
6.一种用于制作如权利要求1所述的激光熔敷合金粉末的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据权利要求1所述的原料含量称取废钢、纳米氮化铬粉、氧化钇粉及相应的金属和铁合金；(2)将步骤(1)选定的废钢熔化，随后将步骤(1)选定的金属、铁合金加入到熔化的废钢水中后再精炼5～8分钟，然后按每吨钢水0.5千克铝的比例加入铝脱氧后，将纳米氮化铬和氧化钇加入，再精炼3～5分钟，得150～250℃的钢水；(3)将步骤(2)熔炼好的150～250℃的钢水采用气雾化法制得球状粉末，冷却降温后，通过离心脱水、压滤脱水、干燥、筛分，选取-140目～+320目的粉末得到球形合金粉末，即得。
7.权利要求1-5任一所述的用于热作模具修复再制造的激光熔敷合金粉末在制造航空零部件、汽车零部件、船舶零部件或模具中的应用，其特征在于，所述航空零部件包括机翼整体壁板、翼梁、加强框以及航空涡轮发动机叶片；所述汽车零部件包括汽车的发动机阀、汽缸内槽、齿轮以及排气阀座。
8.权利要求1-5任一所述的激光熔敷合金粉末在处理热作模具钢中的应用，其特征在于，所述热作模具钢中含有Cr，Ni，Mo。
9.权利要求1-5任一所述的用于热作模具修复再制造的激光熔敷合金粉末的激光熔覆工艺，其特征在于，熔敷工艺参数如下：熔敷激光功率为2.0-2.4KW，激光束的扫描速度为350-360mm/min，光斑直径为4.0-4.5mm，熔敷送粉量为20-24g/min，每道熔敷层的搭界量为40-42％，熔敷过程中熔池用氩气保护。
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