CN105420724B

CN105420724B - 一种铁基合金梯度熔覆层及其制备方法

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Publication number: CN105420724B
Application number: CN201510952576.2A
Authority: CN
Inventors: 张德强; 考锡俊
Original assignee: Liaoning University of Technology
Current assignee: Liaoning University of Technology
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2018-05-15
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: CN105420724A

Abstract

一种铁基合金梯度熔覆层及其制备方法，涉及一种金属表面熔覆层及其制备方法，该熔覆层从基体向上由底层、夹层和顶层三层熔覆层组成，这三层熔覆层是通过逐层熔覆三种不同的铁基合金粉末而成，这三种铁基合金粉末为FJ‑1粉末、铁基合金粉末1号和高铬铁基合金粉末，在制备该熔覆层时，每种粉末按照特定的工艺参数进行激光熔覆，层间停光时间均为10min，层间激光扫描路径相互垂直，最终形成熔覆厚度可达2.75mm、表面硬度可达60HRC的梯度熔覆层。该熔覆层主要特点为三层的显微硬度不是固定值，本发明的梯度熔覆层技术应用到H13钢工件的磨损区域进行修复和在H13钢工件上快速成型构件有较大的应用前景。

Description

一种铁基合金梯度熔覆层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属表面熔覆层及其制备方法，特别是涉及一种铁基合金梯度熔覆层及其制备方法。

背景技术

近年来，激光熔覆技术发展迅速，该技术应用到H13钢表面的试验探究也非常多见，据目前研究来看，主要还是倾向于寻找高效的熔覆粉末进行熔覆，例如特种金属粉末和陶瓷粉末等，从而得到较为理想的H13钢表面熔覆效果，这种方案没有着重考虑所的熔覆层与基体的硬度过渡过大的现象，从而使得实际应用是会出现熔覆层破裂脱落的现象。再者是选用了过渡层，但选择的熔覆材料不能达到一个较为经济可行的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁基合金梯度熔覆层及其制备方法，本发明选取了三种铁基合金粉末和高铬铁基合金粉末，将三种粉末各熔覆一层堆积三层，梯度熔覆层的显微硬度分布呈现出由基体到顶层显微硬度逐层增加的特性，应用到H13钢工件的磨损区域进行修复和在H13钢工件上快速成型构件有较大的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种铁基合金梯度熔覆层，所述熔覆层包括底层、夹层和顶层，对应三层的三种熔覆粉末为FJ-1粉末、铁基合金粉末1号和高铬铁基合金粉末；底层、夹层和顶层三层的显微硬度逐层升高，顶层显微硬度最高达721HV，平均值为681HV；FJ-1粉末的成分为C 0.07％、Cr 18.64％、Si 1.08％、Mo2.69％、Ni1.01％、Mn0.43％、Fe余量；铁基合金粉末1号的成分为C 0.16％、Cr 15.72％、Si 1.16％、Mo1.56％、Ni3.83％、Mn0.47％、Fe余量；高铬铁基合金粉末的成分为C 0.16％、Cr 25.02％、Si 1.16％、Mo1.56％、Ni3.83％、Mn0.47％、Fe余量。

所述的一种铁基合金梯度熔覆层，所述熔覆层厚度为2.75mm，熔池深度为1.23mm，熔覆层厚度为1.52mm，表面粗糙度为Ra=0.619μm。

所述的一种铁基合金梯度熔覆层，所述底层、夹层和顶层的激光扫面路径相互垂直。

一种铁基合金梯度熔覆层制备方法，所述方法包括在激光熔覆系统下，经过激光同步送粉熔覆形成的多层熔覆层，选取三种铁基合金粉末FJ-1粉末、铁基合金粉末1号和高铬铁基合金粉末，通过梯度熔覆工艺将三种粉末各熔覆一层形成三层堆积的熔覆层，使得显微硬度逐层梯度增加，最终形成表面硬度可达60HRC的梯度熔覆层；FJ-1粉末的熔覆工艺参数为激光功率为800W，送粉电压为12V，扫描速度为5mm/s，道间距离0.7mm；铁基合金粉末1号的熔覆工艺参数为激光功率为900W，送粉电压为10V，扫描速度为7mm/s，道间距离0.8mm；高铬铁基合金粉末的熔覆工艺参数为激光功率为900W，送粉电压为9V，扫描速度为7mm/s，道间距离0.8mm。

所述的一种铁基合金梯度熔覆层制备方法，所述熔覆层制备激光的光斑直径均为2mm。

所述的一种铁基合金梯度熔覆层制备方法，所述熔覆层的制备层间停光时间均为10min。

本发明的优点与效果是：

1.本发明选取了三种铁基合金粉末FJ-1粉末、铁基合金粉末1号和高铬铁基合金粉末，按照一定的工艺参数将三种粉末各熔覆一层堆积三层，并且层间停光时间均为10min，层间激光扫描路径为相互垂直，三种粉末按熔覆顺序分别为底层、夹层和顶层，由于三种粉末在熔覆时表现出了不同的效果，梯度熔覆层的显微硬度分布呈现出由基体到顶层显微硬度逐层增加的特性，最终形成熔覆厚度可达2.75mm、表面硬度可达60HRC的梯度熔覆层。将得到的铁基合金梯度熔覆层应用到H13钢工件的磨损区域进行修复和在H13钢工件上快速成型构件有较大的应用前景。

2.本发明熔覆层三层的显微硬度不是固定值，而是呈现从基体开始逐层上升的趋势，具有明显的梯度变化，并且选用的都是普通的铁基合金粉末，不仅价格低廉而且每层之间能形成良好的冶金结合。

附图说明

图1中，（a）铁基合金梯度熔覆层的示意图；（b）铁基合金梯度熔覆层的表面形貌照片。

图2中，（a）熔覆底层FJ-1粉末时激光扫描路线以及具体尺寸；（b）熔覆底层铁基合金粉末1号时激光扫描路线以及具体尺寸；（c）熔覆底层高铬铁基合金粉末时激光扫描路线以及具体尺寸。

图3中，（a）铁基合金梯度熔覆层的截面示意图以及相应尺寸；（b）铁基合金梯度熔覆层的截面图金相照片。

图4中，（a）铁基合金梯度熔覆层与基体结合处金相照片；（b）铁基合金梯度熔覆层的底层FJ-1粉末熔覆层金相照片；（c）铁基合金梯度熔覆层的夹层铁基合金粉末1号熔覆层金相照片；（d）铁基合金梯度熔覆层的顶层高铬铁基合金粉末熔覆层金相照片。

图5为铁基合金梯度熔覆层的显微硬度分布情况。

图中：1、高铬铁基合金粉末熔覆层（顶层），2、铁基合金粉末1号熔覆层（夹层），3、FJ-1粉末熔覆层（底层），4、H13钢（基体）。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，具体工艺步骤为：

（1）选择经过油冷淬火、高温回火处理的H13钢作为基体材料，尺寸为φ100mm×10mm，表面的粗糙度为Ra=0.18μm。粉末为FJ-1铁基合金粉末、铁基合金粉末1号和高铬铁基合金粉末三种，成分如表1所示，三种粉末的粒度均为-100+270。基体表面经过砂纸打磨后用无水乙醇洗净，晾干后涂覆激光吸收材料，并将基体和粉末烘干8h待用。

表1 铁基合金粉末成分

（2）由型号为KR30的KUKA机械臂携带PERCITEC YC52激光头进行激光熔覆，所用的激光器为IPG公司的YLR-3000光纤激光器。送粉器为北京飞虹FHPF-10同步送粉器，该送粉器的送粉电压与每分钟送粉质量的关系如表2所示，为表述方便本文中的送粉量均用送粉电压表示。激光光斑直径为2.50mm，送粉气（N2）气压为0.3MPa，载气流量为600L/h，保护气（N2）气压为0.1MPa。

表2 送粉电压与送粉量之间的关系

（3）分别熔覆了三种粉末，每种粉末熔覆一层，分别作为底层、夹层和顶层，最终形成表面硬度较高但与基体有硬度过渡的熔覆层。首先，熔覆FJ-1粉末作为底层，在底层上熔覆铁基合金粉末1号，最后熔覆顶层高铬铁基合金粉末。每层熔覆时道与道之间采用热搭接的方式，具体每层的激光扫描路径如图2所示，层与层之间激光走刀方向相互垂直，停光时间均为10min。

（4）之后对所得梯度熔覆层进行宏观和微观分析，首先用JB-4C精密粗糙度测量仪测量熔覆层表面粗糙度，再用HR-150A洛式硬度计测试熔覆层表面硬度，然后将熔覆层用线切割切取顶部边长10mm的测试样块，用不同目数的砂纸将截面磨平并抛光，再用质量分数为4%硝酸酒精溶液将其腐蚀，腐蚀时间为20s，腐蚀后用江南MR5000金相显微镜观察熔覆层的金相组织并测量熔覆层厚度、熔池深度和熔覆层高度，最后用HVS-1000型显微硬度计测试熔覆层横截面的显微硬度分布，取点方向沿垂直熔覆层表面的中心线方向，间隔为0.1mm，设定据熔覆层表面0.3mm的点为原点，测试载荷为100g，加载时间为10s。为确保准确性，分别在试样截面进行两次显微硬度测试并绘制显微硬度分布表。

（5）梯度熔覆层经过三层粉末熔覆堆积没有出现较大的沟壑，最终形成了表面形貌较为平整的熔覆层，如图1所示，其表面粗糙度为Ra=0.619μm，这对后续加工较为有利，并且对该熔覆层在实际应用时具有较高的可控性，既可以通过试样的熔覆形貌设计具体修复零件的熔覆效果。其次通过熔覆层的横截面金相组织图像发现组织较为细密，如图3（b）所示，每层之间没有形成较为明显的界线这说明该熔覆方案使每层之间形成了良好的冶金结合。

（6）铁基合金梯度熔覆层分为三层，从下往上依次是FJ-1粉末、铁基合金粉末1号和高铬铁基合金粉末，每层熔覆时的工艺参数如表3所示，熔覆层的几何尺寸如图3（a）所示。

表3 熔覆层的工艺参数及几何尺寸

首先底层熔覆的是FJ-1粉末由于FJ-1粉末在H13钢上单层熔覆时的表面硬度为56HRC，从而作为该梯度熔覆层的底层，不仅起到了缓冲的作用，也使基体与上层较硬熔覆层的良好过渡，工艺参数则是单层熔覆时的最佳工艺参数；夹层为铁基合金粉末1号，该粉末的单层熔覆表面硬度平均值可达60HRC，但在FJ-1粉末上的熔覆时表面硬度平均则只有58HRC，这也为最终形成较硬的表面硬度做了过渡；顶层选择的是高铬铁基合金粉末，该粉末熔覆后的顶层表面硬度均值可达60HRC，这也是梯度熔覆层的表面硬度。从各层的厚度发现，顶层的厚度值最大，这也为实际应用时的后续加工增加了加大的余量，夹层和底层的厚度次之，因为有一部分在上层熔覆时重熔后加入到了上面的熔覆层。

（7）通过图4可以看出该熔覆层与基体结合非常紧密，并且从熔覆层顶层到基体形成了良好的过渡，没有形成较为明显的组织界线，说明形成了良好的冶金结合。熔池在凝固时由于温度梯度是朝着熔池中心方向增加的，所以结合处形成了大量的柱状等轴晶，并且指向了熔池中心，如图4（a）所示，随着柱状晶向中心生长，温度差也逐渐增大，在底层FJ-1熔覆层中逐渐形成了细化的等轴晶，如图4（b）所示。每层之间经过10min停光时间熔覆下一层，所以已经熔覆的涂层会经历重熔、淬火和回火的过程，从而使得各层晶粒变化明显，对比熔覆层的底层、夹层和顶层晶粒发现，底层FJ-1粉末的晶粒较大，顶层晶粒较为细小，这是由于在逐层熔覆时，熔覆层经历回火过程，使得晶粒变大，从而降低了显微硬度。

（8）测试梯度熔覆层显微硬度时，分别在试样截面进行两次显微硬度测试，分别标注为线a和线b，并绘制了显微硬度分布图，如图5所示。首先通过显微硬度分布图可以看出，熔覆层截面方向表现出了明显的梯度分布特性，最终顶层形成了显微硬度均值为681HV的熔覆层，这种特性是因为各种粉末在单层熔覆时显微硬度就表现出了逐渐增高的特性，但在多层熔覆时，熔覆层内部显微硬度分布受两种因素影响，一种是已经熔覆完成的熔覆层会受上层熔覆影响分为三个区分别为重熔区、淬火区和回火区；二是上层熔覆时会受到下层重熔区影响增加了熔池融化量，相当于增大了送粉量，从而改变凝固因素改变了预期得硬度值。在这两种因素影响下，熔覆层中每种粉末的显微硬度较单层熔覆变化明显。首先来看第一种因素的影响：由于每种粉末只熔覆了一层，每层的厚度不大，所以在熔覆顶层高铬铁基粉末时的回火区出现在底层FJ-1粉末熔覆层中，使得该层的显微硬度较单层熔覆时的平均值620HV下降至平均值549HV，如图5所示。第二种因素的影响比较明显的是夹层，单层熔覆铁基合金粉末1号时显微硬度平均为700HV，但在熔覆夹层时底层会有一部分熔覆层融化导致夹层融化量增加，相当于增加了夹层的送粉量，从而也改变了该层粉末的凝固效果，最后平均硬度也有所下降至615HV。

利用FJ-1粉末、铁基合金粉末1号和高铬铁基粉末三种铁基合金粉末按照一定的工艺参数通过逐层堆积的熔覆结构进行熔覆可以获得表面平整、内部组织均匀、层间结合紧密的铁基合金熔覆层。该熔覆层的显微硬度分布呈梯度变化，显微硬度值由底层逐渐向顶层增加，并且得到表面硬度可达60HRC的熔覆层，熔覆层内部三层的显微硬度分别为：顶层显微硬度测试均值为681HV，夹层和底层的测试均值分别为615HV和549HV，这与基体的显微硬度形成了良好的梯度变化，最终在H13钢表面获得铁基合金梯度熔覆层。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种铁基合金梯度熔覆层，其特征在于，所述熔覆层包括底层、夹层和顶层，对应三层的三种熔覆粉末为FJ-1粉末、铁基合金粉末1号和高铬铁基合金粉末；底层、夹层和顶层三层的显微硬度逐层升高，顶层显微硬度最高达721HV，平均值为681HV；FJ-1粉末的成分为C 0.07％、Cr 18.64％、Si 1.08％、Mo2.69％、Ni1.01％、Mn0.43％、Fe余量；铁基合金粉末1号的成分为C 0.16％、Cr 15.72％、Si 1.16％、Mo1.56％、Ni3.83％、Mn0.47％、Fe余量；高铬铁基合金粉末的成分为C 0.16％、Cr 25.02％、Si 1.16％、Mo1.56％、Ni3.83％、Mn0.47％、Fe余量；所述熔覆层厚度为2.75mm，熔池深度为1.23mm，熔覆层厚度为1.52mm，表面粗糙度为Ra=0.619μm；所述底层、夹层和顶层的激光扫描路径相互垂直。

2.一种如权利要求1所述的铁基合金梯度熔覆层的制备方法，其特征在于，所述方法包括在激光熔覆系统下，经过激光同步送粉熔覆形成的多层熔覆层，选取三种铁基合金粉末FJ-1粉末、铁基合金粉末1号和高铬铁基合金粉末，通过梯度熔覆工艺将三种粉末各熔覆一层形成三层堆积的熔覆层，使得显微硬度逐层梯度增加，最终形成表面硬度可达60HRC的梯度熔覆层；FJ-1粉末的熔覆工艺参数为激光功率为800W，送粉电压为12V，扫描速度为5mm/s，道间距离0.7mm；铁基合金粉末1号的熔覆工艺参数为激光功率为900W，送粉电压为10V，扫描速度为7mm/s，道间距离0.8mm；高铬铁基合金粉末的熔覆工艺参数为激光功率为900W，送粉电压为9V，扫描速度为7mm/s，道间距离0.8mm；所述熔覆层制备激光的光斑直径均为2mm；所述熔覆层的制备层间停光时间均为10min。