CN106884109B - 一种镍基多组元激光熔覆粉末及激光熔覆该粉末的方法 - Google Patents

一种镍基多组元激光熔覆粉末及激光熔覆该粉末的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光熔覆材料领域，公开了一种镍基多组元激光熔覆粉末，按照质量百分比粉末组成为：Fe为10～25%，Al为6～15%，TiB2为1～5%，Dy为0.5~1.0%，Ni为余量。本发明还公开了激光熔覆该粉末的方法：将镍基多组元激光熔覆粉末和无水乙醇混合后均匀铺覆在熔覆基体材料表面，辊压后晾干，形成预制层，通过激光熔覆即可获得熔覆层。利用本发明技术可获得无裂纹的激光熔覆层，硬度较高，成本较低，提高熔合度并保证强度和塑性，适合于多种零部件修复加工。

Description

一种镍基多组元激光熔覆粉末及激光熔覆该粉末的方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆材料领域，具体涉及一种镍基多组元激光熔覆粉末及激光熔覆该粉末的方法。
背景技术
随着激光技术的快速发展，其在材料加工领域扮演着越来越多重要的角色，作为激光加工技术的一种，激光熔覆由于其成型速度快，加工面积小，控制精度高等优势，在材料工件的表面修复及表面改性方面发挥着越来越重要的作用。激光熔覆加工通过将特定粉末或丝材在工件表面缺陷处熔融，使缺陷表面和熔融粉末重新凝固结晶，获得完好的表面组织结构，恢复工件的使用性能。此外，激光熔覆加工可以将特定粉末在工件表面进行连续性熔融结晶，获得特定熔覆层表面，改善零件的耐磨、耐蚀、耐热等性能。
目前，针对激光熔覆修复的粉末主要依据所修复或改性工件的基材，一般分为镍基、钴基和铁基，同时针对修复和改性的需要在粉末内添加一定量的活性元素及硬质颗粒，构成多组元粉末，来调整修复或改性区的晶粒度、硬度等性能。激光熔覆粉末的多元化虽然可以获得较多的性能改善，但是增加了加工的难度，特别是多组元粉末的熔点差异性容易导致粉末熔池组元的不均匀性，影响修复及改性区的性能。此外，激光高能量密度的特点使得熔区和零件基材的温差过大，加之熔区成分组元的多元化增加了熔覆区的裂纹敏感性，很容易导致熔覆层的开裂、和基材的融合度不高等问题，影响激光熔覆加工修复及改性工件的效果。因此，研究具有良好融合度、耐磨等性能的激光熔覆粉末，用于机械零件损伤部位的修复，恢复工件的功能，可以有效延长机器设备的使用寿命，既可以提高生产效率，还能解决通过堆焊、喷涂技术普遍存在的工件应力形变大和界面结合力低等问题，具有巨大的发展潜力。
虽然目前主流的铁基、镍基和钴基熔覆粉末的主体为同一族元素，但是其适用范围相差较大，特别是用于工件修复。其中，铁基粉末主要用于各种钢，镍基粉末主要用于镍基高温合金，钴基粉末主要用于钴基合金。镍基粉末之所以不同于铁基和钴基粉末，是因为其修复的镍基高温合金大多以镍和铝元素形成的γ＇作为主要强化相，铁基和钴基粉末会对修复区的成分造成显著的改变，进而影响修复工件的整体性能。为了降低激光熔覆修复对镍基合金成分和组织的影响，镍基合金熔覆粉末大都以镍为主，添加适量的铝，辅以适量的组织优化材料，同时要尽量接近修复合金的成分。
发明内容
本发明的目的在于解决现有传统技术的不足，提供一种镍基多组元激光熔覆粉末及激光熔覆该粉末的方法。
一种镍基多组元激光熔覆粉末，按照质量百分比粉末组成为：Fe为10～25％，Al为6～15％，TiB2为1～5％，Dy为0.5～1.0％，Ni为余量。
进一步地，镍基多组元激光熔覆粉末的组成为：Fe为15～20％，Al为6～10％，TiB2为1～3％，Dy为0.5～1.0％，Ni为余量。
进一步地，镍基多组元激光熔覆粉末的组成为：Fe为18％，Al为8％，TiB2为3％，Dy为0.5％，Ni为70.5％。
进一步地，镍基多组元激光熔覆粉末各组分为纯度≥99％的粉末，即镍粉、铝粉、二硼化钛粉、镝粉和铁粉，粒径为200～600目。
进一步地，镍基多组元激光熔覆粉末各组分的粒径为300～500目。
一种激光熔覆上面所述粉末的方法，具体是：将镍基多组元激光熔覆粉末和无水乙醇混合后均匀后铺覆在熔覆基体材料表面，辊压后晾干，形成预制层，通过激光熔覆即可获得熔覆层。
进一步地，在镍基多组元激光熔覆粉末和无水乙醇的混合物中，镍基多组元激光熔覆粉末占90～94wt％，无水乙醇占6～10wt％。
进一步地，所述预制层的厚度为1.0～1.8mm。
进一步地，所述基体材料为K452高温合金。
进一步地，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为900～1250KW，光斑直径为0.6～0.8mm，扫描速度为240～320mm/min，离焦量为0，保护气体采用氩气，气体流量为18～24L/min。
进一步地，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为1000～1250KW，光斑直径为0.6～0.8mm，扫描速度为280～320mm/min，离焦量为0，保护气体采用氩气，气体流量为18～24L/min。
本发明具有以下有益效果：
本发明的镍基多组元激光熔覆粉末中，Fe和Al为主要的合金元素，其中Fe主要用于形成γ基体，Fe和Ni混合可以改善熔体的润湿性，提高熔覆材料在损伤部位的融合度，改善修复效果；Al主要用于形成γ＇强化相，保障熔区强度，同时Al可以与氧结合形成氧化物上浮，提高熔体纯净度，改善熔覆材料的高温延塑性，降低裂纹形成。
本发明通过在激光熔覆粉末中添加适量的TiB2，TiB2可以作为一次结晶的形核核心，增加形核数，从而细化晶粒，改善熔覆区的强度。
本发明通过在激光熔覆粉末中添加适量的Dy，主要是为了利用其活性对粉末熔池进行净化，降低熔池中的杂质含量，形成的稀土化合物可以作为结晶形核核心，改善熔融微区晶粒度。
本发明作为镍基多组元激光熔覆粉末材料，可以按照实际需要，再加入一定量的W、Ta、Zr、Mo等元素来进一步改善熔覆区的性能。
本发明针对镍基高温合金K452工件的表面微区修复，设计出了一种含有铁、铝、稀土和硬质陶瓷颗粒的镍基激光熔覆粉末，其主体成分跟K452合金相近，同时添加适量稀土和硬质陶瓷，可以进一步优化熔覆修复区的组织和性能。针对激光熔覆工艺能量输入低、组织可控性强、工件热影响小等特点，研究具体的激光修复加工工艺，有效修复K452高温合金工件的缺陷及损伤部位，恢复工件的结构功能，在实际生产中具有重要的应用价值。
利用本发明技术可获得无裂纹的激光熔覆层，硬度较高，成本较低，提高熔合度并保证强度和塑性，适合于多种零部件修复加工。
附图说明
图1是实施例1在K452高温合金表面熔覆的镍基多组元激光熔覆粉末的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，以下实施例使用的各个药品如下表所示，粒径均为200～600目。
使用的基体材料K452高温合金的化学成份如下表所示。
依据下表所示的各个组分的质量百分含量，采用电子称准确称取各种组分的粉末。
将各组分加入行星球磨机研磨罐中并添加适量无水乙醇，球磨0.5小时使其混合均匀，得到镍基多组元激光熔覆粉末。
使用时，将镍基多组元激光熔覆粉末通过无水乙醇调成糊状，均匀铺覆在基体材料表面，适当辊压，待无水乙醇挥发后，形成预制层，通过激光熔覆即可获得熔覆层。
激光器采用JK2003SM型Nd：YAG。
实施例1
镍基多组元激光熔覆粉末91wt％，乙醇9wt％，预制层厚度为1.5mm，激光功率为1250KW，光斑直径为0.8mm，扫描速度为240mm/min，离焦量为0，保护气体采用氩气，气体流量24L/min。
实施例2
镍基多组元激光熔覆粉末94wt％，乙醇6wt％，预制层厚度为1.0mm，激光功率为1000KW，光斑直径为0.6mm，扫描速度为280mm/min，离焦量为0，保护气体采用氩气，气体流量20L/min。
实施例3
镍基多组元激光熔覆粉末90wt％，乙醇10wt％，预制层厚度为1.2mm，激光功率为900KW，光斑直径为0.8mm，扫描速度为300mm/min，离焦量为0，保护气体采用氩气，气体流量20L/min。
实施例4
镍基多组元激光熔覆粉末92wt％，乙醇8wt％，预制层厚度为1.8mm，激光功率为1100KW，光斑直径为0.7mm，扫描速度为320mm/min，离焦量为0，保护气体采用氩气，气体流量22L/min。
实施例5
镍基多组元激光熔覆粉末93wt％，乙醇7wt％，预制层厚度为1.5mm，激光功率为1150KW，光斑直径为0.6mm，扫描速度为280mm/min，离焦量为0，保护气体采用氩气，气体流量18L/min。
采用自动转塔数显硬度计测量了熔覆区和合金基体的显微硬度，实验结果如下表所示。
以上实验结果表明熔覆区的硬度相比合金基体有显著提升。
采用扫描电镜对在K452高温合金表面熔覆的镍基多组元激光熔覆粉末(实施例1)进行了观察，并对熔融区和高温合金的界面进行了分析，图1(a)显示熔覆粉末所形成的熔池跟K452高温合金基体存在着较好的润湿铺展，产生了深度为0.3mm左右的基体熔融；图1(b)显示熔融区和基体具有较好的结合界面，没有夹杂。
可见利用本发明的镍基多组元激光熔覆粉末在激光熔覆加工后可以同K452高温合金形成较好的融合度，消除表面的微缺陷或损失，并能提高熔覆区的显微硬度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种镍基多组元激光熔覆粉末，其特征在于，按照质量百分比粉末组成为：Fe为10～25％，Al为6～15％，TiB2为1～5％，Dy为0.5～1.0％，Ni为余量。
2.根据权利要求1所述的镍基多组元激光熔覆粉末，其特征在于，粉末组成为：Fe为15～20％，Al为6～10％，TiB2为1～3％，Dy为0.5～1.0％，Ni为余量。
3.根据权利要求2所述的镍基多组元激光熔覆粉末，其特征在于，粉末组成为：Fe为18％，Al为8％，TiB2为3％，Dy为0.5％，Ni为70.5％。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的镍基多组元激光熔覆粉末，其特征在于，各组分为纯度≥99％的粉末，粒径为200～600目。
5.根据权利要求4所述的镍基多组元激光熔覆粉末，其特征在于，各组分的粒径为300～500目。
6.一种激光熔覆权利要求1～3任意一项所述粉末的方法，其特征在于，将镍基多组元激光熔覆粉末和无水乙醇混合后均匀铺覆在熔覆基体材料表面，辊压后晾干，形成预制层，通过激光熔覆即可获得熔覆层，所述激光熔覆的工艺参数包括：激光功率为900～1250kW，光斑直径为0.6～0.8mm，扫描速度为240～320mm/min。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在镍基多组元激光熔覆粉末和无水乙醇的混合物中，镍基多组元激光熔覆粉末占90～94wt％，无水乙醇占6～10wt％。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预制层的厚度为1.0～1.8mm。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基体材料为K452高温合金。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为900～1250kW，光斑直径为0.6～0.8mm，扫描速度为240～320mm/min，离焦量为0，保护气体采用氩气，气体流量为18～24L/min。
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