CN105603422B - 一种激光熔覆用铁钴基复合合金粉末及其激光熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光熔覆用铁钴基复合合金粉末，包括23～30wt％Fe,2～3.5wt％ZrO2,余量为钴基基础粉末，本发明的有益效果是：(1)本发明提供的激光熔覆用合金粉末中含有较高含量的C、Si、B等元素，可以有效提高熔覆层硬度，获得的熔覆层硬度可达55HRC以上；(2)本发明的合金粉末中含有较高含量的Co、Cr元素，可以有效的提高熔覆层的耐腐性；(3)本发明激光熔覆用合金粉末元素配比及熔覆工艺得当，获得的涂层成形良好、无裂纹且与基体形成良好的冶金结合。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光熔覆用合金粉末，尤其涉及一种复合合金粉末，属于激光表面强化技术领域。
背景技术
激光熔覆是一种先进的表面改性技术，它是利用高能激光束使添加在表面的金属基材料及基材的表面薄层熔化，形成具有特殊功能及低稀释率并且与基材结合为冶金结合的涂层，从而在金属工件表面获得具有耐磨、耐腐蚀、抗氧化和耐高温等优异性能的技术。激光熔覆可以在低成本的材料上制备高性能的涂层，所以它可以降低能耗，节约成本。激光熔覆形成的是冶金结合，与常规的表面涂覆强化工艺相比，激光熔覆具有以下显著特点：
1.熔覆层具有组织致密、晶粒细化等典型快速凝固特征；
2.热输入和畸变较小，涂层稀释率低；
3.能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；
4.激光束可以瞄准难以接近的区域进行熔覆；
5.工艺过程易于实现自动化。
近年来，随着材料科学、计算机技术与数控技术的飞速发展，激光熔覆所具备的优势及特点使得该技术在零件修复、梯度功能材料制备以及零件的三维打印直接成形等方面显示出了巨大的应用潜力。
自熔性合金粉末和金属陶瓷粉末组成的复合粉末，可借助激光熔覆技术制备出陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，复合涂层将金属的强韧性、良好的工艺性和陶瓷材料优异的耐磨、耐腐蚀、耐高温和抗氧化特性结合起来。熔覆复合粉末是目前激光熔覆技术领域的研究热点。但现有的熔覆复合粉末制备出的复合涂层虽然兼具了金属与陶瓷材料的优点，但硬度仍然不能满足实际生产的需求，CaF具有高硬度、抑制裂纹、高熔点、热力学稳定等特点、因而被广泛用作复合材料的增强相。
发明内容
本发明针对现有激光熔覆用复合粉末存在的不足，提供一种激光熔覆用铁钴基复合合金粉末及其激光熔覆方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种激光熔覆用铁钴基复合合金粉末，其特征在于，其配比如下：23～30wt％Fe,2～3.5wt％ZrO2,余量为钴基基础粉末，所述钴基基础粉末由如下组分组成：0.6～1.0wt％C、14～17wt％Cr、2.5～4.5wt％B、3～4.5wt％Mo、3～3.5wt％NbC、2～5wt％CaF2、余量为Co。
进一步，所述粉末的粒度为-140～+325目。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的激光熔覆用合金粉末中含有较高含量的C、Si、B等元素，同时含有NbC，可以有效提高熔覆层硬度，获得的熔覆层硬度可达55HRC以上；
(2)本发明的合金粉末中含有较高含量的Co、Cr元素，可以有效的提高熔覆层的耐腐性；
(3)本发明激光熔覆用合金粉末元素配比及熔覆工艺得当，获得的涂层成形良好、无裂纹且与基体形成良好的冶金结合。
本发明所述的激光熔覆用合金粉末中添加的元素都有各自的作用，Co可以溶解很多的合金元素，Fe能保持较好的组织稳定性，二者可以形成共格有序的金属间化合物，使熔覆层具有更高的高温强度；Cr元素有固溶强化和钝化作用，它能提高耐腐蚀性能和抗高温氧化性能，多余的Cr容易与C、B形成硬质相，从而可以提高熔覆层的硬度和耐磨性；少量的B元素具有脱氧还原和造渣功能；NbC对熔覆层有硬化强化作用；ZrO2能提高熔覆层的韧性；CaF2能显著降低熔覆层的裂纹敏感性，减少熔覆层的气孔和裂纹，对熔覆层的整体性能有很大的提高。
本发明还要求保护一种使用上述铁钴基复合合金粉末的激光熔覆方法，包括如下步骤：
1)将激光器的激光头对准待熔覆的工件表面；
2)向激光头对准的工件表面均匀不断送入熔覆用合金粉末，所述合金粉末的配比如下：23～30wt％Fe,2～3.5wt％ZrO2,余量为钴基基础粉末，所述钴基基础粉末由如下组分组成：0.6～1.0wt％C、14～17wt％Cr、2.5～4.5wt％B、3～4.5wt％Mo、3～3.5wt％NbC、2～5wt％CaF2、余量为Co；
3)激光器发出激光在工件表面扫描从而熔化上述熔覆用合金粉末，使其在工件表面形成熔覆涂层，激光器的输出功率大于1500W；
4)激光头在工件表面扫描，实现所需范围内工件表面的连续熔覆。
进一步，所述激光器为半导体泵浦固体激光器、CO2激光器或半导体激光器中的一种。
进一步，所述激光器的功率为2000W～3000W,激光光斑直径为3～4mm。
进一步，所述步骤2)中向工件表面送合金粉末采用同步侧向或同步同轴的方式输送，合金粉末的送出速度为100～300g/min。
进一步，步骤3)中激光器扫描速度为480～600mm/min。
本发明的有益效果是：
1)采用本发明的方法获得的涂层成形良好，无裂纹且能够与基体形成良好的冶金结合；
2)采用本方法获得的涂层硬度高、耐腐性好。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：
一种激光熔覆用铁钴基复合合金粉末，由23wt％的Fe、2wt％的ZrO2、75wt％钴基基础粉末组成，钴基基础粉末由0.6wt％的C、14wt％的Cr、2.5wt％的B、3wt％的Mo、3.2wt％的NbC、2.8wt％CaF2和73.9wt％的Co组成。
一种激光熔覆方法，包括如下步骤：
1)将半导体激光器的激光头对准待熔覆的工件表面；
2)向激光头对准的工件表面均匀不断送入上述的熔覆用合金粉末，采用同步侧向方式输送，合金粉末的送出速度为100g/min；
3)激光器发出激光在工件表面扫描从而熔化上述熔覆用合金粉末，激光器的扫描速度为480mm/min,使其在工件表面形成熔覆涂层，激光器的输出功率为2000W，激光光斑直径为3mm，保持送粉量/扫描速度保持不变，使单层熔覆厚度维持在3mm；
4)激光头在工件表面扫描，实现所需范围内工件表面的连续熔覆。
实施例2：
一种激光熔覆用铁钴基复合合金粉末，由26wt％的Fe、2.8wt％的ZrO2、71.2wt％钴基基础粉末组成，钴基基础粉末由0.8wt％的C、15wt％的Cr、3.5wt％的B、3.7wt％的Mo、3.5wt％的NbC、3.5wt％的CaF2和70wt％的Co组成。
一种激光熔覆方法，包括如下步骤：
1)将半导体激光器的激光头对准待熔覆的工件表面；
2)向激光头对准的工件表面均匀不断送入上述的熔覆用合金粉末，采用同步侧向方式输送，合金粉末的送出速度为180g/min；
3)激光器发出激光在工件表面扫描从而熔化上述熔覆用合金粉末，激光器的扫描速度为600mm/min,使其在工件表面形成熔覆涂层，激光器的输出功率为2000W，激光光斑直径为4mm，保持送粉量/扫描速度保持不变，使单层熔覆厚度维持在2mm；
4)激光头在工件表面扫描，实现所需范围内工件表面的连续熔覆。
实施例3：
一种激光熔覆用铁钴基复合合金粉末，由30wt％的Fe、3.5wt％的ZrO2、66.5wt％钴基基础粉末组成，钴基基础粉末由1.0wt％的C、17wt％的Cr、4.5wt％的B、4.5wt％的Mo、3wt％的NbC、4wt％的CaF2和66wt％的Co组成。
一种激光熔覆方法，包括如下步骤：
1)将半导体激光器的激光头对准待熔覆的工件表面；
2)向激光头对准的工件表面均匀不断送入上述的熔覆用合金粉末，采用同步侧向方式输送，合金粉末的送出速度为200g/min；
3)激光器发出激光在工件表面扫描从而熔化上述熔覆用合金粉末，激光器的扫描速度为540mm/min,使其在工件表面形成熔覆涂层，激光器的输出功率为3000W，激光光斑直径为4mm，保持送粉量/扫描速度保持不变，使单层熔覆厚度维持在5mm；
4)激光头在工件表面扫描，实现所需范围内工件表面的连续熔覆。
实施例4：
一种激光熔覆用铁钴基复合合金粉末，由23wt％的Fe、3.5wt％的ZrO2、73.5wt％钴基基础粉末组成，钴基基础粉末由0.6wt％的C、14wt％的Cr、4.5wt％的B、3.5wt％的Mo、3wt％的NbC、5wt％的CaF2和69.4wt％的Co组成。
一种激光熔覆方法，包括如下步骤：
1)将半导体激光器的激光头对准待熔覆的工件表面；
2)向激光头对准的工件表面均匀不断送入上述的熔覆用合金粉末，采用同步侧向方式输送，合金粉末的送出速度为300g/min；
3)激光器发出激光在工件表面扫描从而熔化上述熔覆用合金粉末，激光器的扫描速度为600mm/min,使其在工件表面形成熔覆涂层，激光器的输出功率为2000W，激光光斑直径为4mm，保持送粉量/扫描速度保持不变，使单层熔覆厚度维持在5mm；
4)激光头在工件表面扫描，实现所需范围内工件表面的连续熔覆。
实施例5：
一种激光熔覆用铁钴基复合合金粉末，由30wt％的Fe、2wt％的ZrO2、68wt％钴基基础粉末组成，钴基基础粉末由1.0wt％的C、17wt％的Cr、2.5wt％的B、3.3wt％的Mo、3.3wt％的NbC、2.3wt％的CaF2和70.6wt％的Co组成。
一种激光熔覆方法，包括如下步骤：
1)将半导体激光器的激光头对准待熔覆的工件表面；
2)向激光头对准的工件表面均匀不断送入上述的熔覆用合金粉末，采用同步侧向方式输送，合金粉末的送出速度为300g/min；
3)激光器发出激光在工件表面扫描从而熔化上述熔覆用合金粉末，激光器的扫描速度为600mm/min,使其在工件表面形成熔覆涂层，激光器的输出功率为3000W，激光光斑直径为3mm，保持送粉量/扫描速度保持不变，使单层熔覆厚度维持在4mm；
4)激光头在工件表面扫描，实现所需范围内工件表面的连续熔覆。
为了验证本发明提供的合金粉末经激光熔覆后所得涂层的性能，我们对实施例2所得涂层进行了硬度、耐蚀性等方面的测试。
硬度：熔覆表面随机取5个点进行硬度测试，测试结果为：57.5HRC,58.1HRC,58.1HRC,56.8HRC,61.4HRC。
耐蚀性：利用上述制件进行耐腐蚀性试验，试验为中性盐雾试验(NSS试验)，执行标准为GB/T10125一1997(eqvISO9227：1990)《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》。在标准允许的时间范围内未出现锈斑。
利用上述制件进行金相显微试验，在100倍金相显微镜下观察熔覆层内部及熔覆层与基体结合部分，均未发现裂纹。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种激光熔覆用铁钴基复合合金粉末，其特征在于，其配比如下：23～30wt％Fe,2～3.5wt％ZrO2,余量为钴基基础粉末，所述钴基基础粉末由如下组分组成：0.6～1.0wt％C、14～17wt％Cr、2.5～4.5wt％B、3～4.5wt％Mo、3～3.5wt％NbC、2～5wt％CaF2、余量为Co。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆用铁钴基复合合金粉末，其特征在于，所述粉末的粒度为-140～+325目。
3.一种使用权利要求1或2所述的铁钴基复合合金粉末的激光熔覆方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将激光器的激光头对准待熔覆的工件表面；
2)向激光头对准的工件表面均匀不断送入熔覆用合金粉末，所述合金粉末的配比如下：23～30wt％Fe,2～3.5wt％ZrO2,余量为钴基基础粉末，所述钴基基础粉末由如下组分组成：0.6～1.0wt％C、14～17wt％Cr、2.5～4.5wt％B、3～4.5wt％Mo、3～3.5wt％NbC、2～5wt％CaF2、余量为Co；
3)激光器发出激光在工件表面扫描从而熔化上述熔覆用合金粉末，使其在工件表面形成熔覆涂层，激光器的输出功率大于1500W；
4)激光头在工件表面扫描，实现所需范围内工件表面的连续熔覆。
4.根据权利要求3所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光器为半导体泵浦固体激光器、CO2激光器或半导体激光器中的一种。
5.根据权利要求3或4所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光器的功率为2000W～3000W,激光光斑直径为3～4mm。
6.根据权利要求3或4所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤2)中向工件表面送合金粉末采用同步侧向或同步同轴的方式输送，合金粉末的送出速度为100～300g/min。
7.根据权利要求6所述的激光熔覆方法，其特征在于，步骤3)中激光器扫描速度为480～600mm/min。
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