CN105624470A - 一种铁镍基复合激光熔覆用合金粉末及激光熔覆该粉末的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光表面处理技术领域，具体公开了一种铁镍基复合激光熔覆用合金粉末及激光熔覆该合金粉末的方法。该激光熔覆用合金粉末重量百分比组成如下：Fe：23%~30%、CaF：2%~3%，余量为Ni60。本发明激光熔覆用合金粉末中含有较高含量的C、Si、B等元素，使熔覆层具有耐高温能力强、耐磨性强、硬度高、组织致密、晶粒细化、气孔和裂纹少等优点；本发明激光熔覆该粉末的方法可大幅提高工件的工作可靠性，有效降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光表面强化技术领域，尤其涉及一种铁镍基复合激光熔覆用合金粉末材料及激光熔覆该粉末的方法。
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。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
（一）要解决的技术问题
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种铁镍基复合激光熔覆用合金粉末及应用其的激光熔覆方法，以提高被处理工件表面的硬度。
（二）技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种激光熔覆用合金粉末，其按质量百分比由23%~30%的Fe、2%~3%的CaF和余量的Ni60组成。
优选地，所述Ni60按质量百分比0.6%~1.0%的C、14%~17%的Cr、2.5%~4.5%的B、3%~4.5%的Si、12%~15%的Fe和余量的Ni组成。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种应用上述激光熔覆用合金粉末的激光熔覆方法，该方法包括：激光器的激光头对准待熔覆工件表面；利用同轴载气送粉装置向所述激光头对准的工件表面均匀送入所述激光熔覆用合金粉末；所述激光器射出激光束辐照于所述熔覆表面并熔化所述激光熔覆用合金粉末，使所述激光熔覆粉末形成熔滴并按预定轨迹连续熔覆于所述待熔覆工件表面，形成熔覆涂层；所述激光头在预设范围的工件表面扫描，完成该预设范围工件表面的连续熔覆。
（三）有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明激光熔覆用合金粉末及激光熔覆该粉末的方法具有以下有益效果：
（1）本发明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HRC55以上；
（2）本发明激光熔覆用合金粉末中含有较高含量的Ni、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。
附图说明
图1为本发明的激光熔覆合金粉末的方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例的激光熔覆用合金粉末按质量百分比由30%的Fe、3%的CaF和67%的Ni60组成，其中Ni60按质量分数由1%的C、14%的Cr、3%的B、4%的Si、14%的Fe和64%的Ni组成。
实施例2
本实施例的激光熔覆合金粉末按质量百分比由28%的Fe、2%的CaF和70%的Ni60组成，其中Ni60按质量分数由1%的C、15%的Cr、4.5%的B、4.5%的Si、12%的Fe和63%的Ni组成。
实施例3
本实施例的激光熔覆合金粉末按质量百分比由23%的Fe、2%的CaF和75%的Ni60组成，其中Ni60按质量分数由2%的C、16%的Cr、3%的B、3%的Si、13%的Fe和63%的Ni组成。
所述激光熔覆用合金粉末中添加的元素都有各自的作用，Ni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Si和B元素具有脱氧还原和造渣功能，对熔覆层有硬化强化作用；CaF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。
本发明实施例的激光熔覆所述合金粉末的方法的具体内容为：
步骤A，激光器的激光头对准工件的表面。
激光器可选用半导体泵浦固体激光器、CO2激光器以及半导体激光器。
步骤B，向激光头对准的工件表面均匀送入激光熔覆用合金粉末。
激光熔覆用合金粉末送出前预热至120℃保温2-4小时，进行烘干处理。
合金粉末可选用同步侧向或同步同轴送粉方式送出。同步侧向送粉时，送粉方向、激光入射方向、工件的相对运动方向在同一平面内。同轴送粉时，送粉方向与激光入射方向相同。
根据扫描速度调整送粉量，保持送粉量/扫描速度基本保持不变，从而保证形成良好的熔覆涂层，使单层熔覆厚度维持在0.3mm～0.5mm之间，如此可以抑制涂层裂纹、气孔等缺陷的形成。优选地，激光扫描速度为480～600mm/min，合金粉末的送出速度为100～300g/min。
步骤C，激光器发出激光熔化上述激光熔覆用合金粉末，在工件的表面形成熔覆涂层。
激光器输出功率需要大于1500W。当激光功率增大时，可适当增大激光扫描速度与离焦量，保证功率/光斑面积与功率/扫描速度保持稳定。优选地，激光器的功率介于2000W～3000W之间，激光光斑为直径3mm～4mm的圆斑。
步骤D，激光头在预设范围的工件表面扫描，实现该预设范围工件表面的连续熔覆。
当工件为圆柱形时：首先应当使工件沿X轴旋转，而后再令激光头沿X轴运动扫描工件的表面，其中，X轴为工件长度的方向。
当工件为平板形时：激光头沿X轴运动到指定长度，激光关闭，激光头运动到下一个起始点，继续发射激光扫描工件，激光一次扫描形成的涂层为单道熔覆涂层，其中，X轴为平行于工件的方向。扫描路径为并排平行的线段。
优选地，当前道次熔覆涂层会覆盖部分前道涂层，形成搭接。搭接率为30%。
此外，上述对各元件、方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方法，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：本发明的激光熔覆用合金粉末也可用于其它形状金属基体的激光熔覆。
综上所述，本发明提供一种激光熔覆用合金粉末及应用其的激光熔覆方法。利用本发明的激光熔覆用合金粉末进行熔覆所获得的立柱具有良好的成形性，涂层不易产生裂纹缺陷，能与金属基体形成良好的冶金结合，具有较高的硬度及耐腐蚀性能，尤其是，涂层硬度可达HRC55以上，具有良好的应用前景。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种铁镍基复合激光熔覆用合金粉末，其特征在于，其按质量百分比由23%~30%的Fe、2%~3.5%的CaF和余量的Ni60组成。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于，所述Ni60按质量百分比由0.6%~1.0%的C、14%~17%的Cr、2.5%~4.5%的B、3%~4.5%的Si、12%~15%的Fe和余量的Ni组成。
3.根据权利要求1所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于，其粒度介于-140～+325目之间。
4.一种应用权利要求1中所述激光熔覆用合金粉末的激光熔覆方法，其特征在于，满足以下步骤：
激光器的激光头对准待熔覆工件表面；
利用同轴载气送粉装置向所述激光头对准的工件表面均匀送入所述激光熔覆用合金粉末；
所述激光器射出激光束辐照于所述熔覆表面并熔化所述激光熔覆用合金粉末，使所述激光熔覆粉末形成熔滴并按预定轨迹连续熔覆于所述待熔覆工件表面，形成熔覆涂层；
所述激光头在预设范围的工件表面扫描，完成该预设范围工件表面的连续熔覆。
5.根据权利要求4所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述向激光头对准的工件表面均匀送入所述激光熔覆用合金粉末的步骤中，送入合金粉末的量满足单层熔覆厚度介于0.3mm～0.5mm之间。
6.根据权利要求4所述的激光熔覆方法，其特征在于，激光扫描速度为480～600mm/min，所述激光熔覆用合金粉末的送粉速率为100～300g/min。
7.根据权利要求4所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光器功率大于1500W，激光光斑为直径3mm～4mm的圆斑。
8.根据权利要求4所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆过程中对熔覆层的保护气体为氩气。
9.根据权利要求4所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述向激光头对准的工件表面均匀送入所述激光熔覆用合金粉末的步骤之前还包括：
将所述激光熔覆用合金粉末进行烘干处理；
将所述工件表面进行除油、除锈及预热处理，预热温度不低于350℃。
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