CN107760930B

CN107760930B - 一种用于修复离心球磨管模内壁的半导体激光熔覆镍基合金粉末

Info

Publication number: CN107760930B
Application number: CN201711287439.7A
Authority: CN
Inventors: 姜涵之; 李文斌
Original assignee: Shanxi Xinsheng Laser Technology Development Co Ltd
Current assignee: Shanxi Xinsheng Laser Technology Development Co Ltd
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2019-03-26
Anticipated expiration: 2037-12-07
Also published as: CN107760930A

Abstract

本发明公开了一种用于修复离心球磨管模内壁的半导体激光熔覆镍基合金粉末，属于激光表面熔覆技术，所述的镍基合金粉末按照重量百分比为C：0.06‑0.09%，Cr：20‑22%，B：0.5‑1.0%，Fe：2‑6%，Mo：8‑10%，Al：4‑8%，W：0.6‑1.2%，Nb+Ta：2‑6%，其余为Ni；该镍基合金粉末为800nm至1000nm波长的半导体激光器专用的激光熔覆合金粉末，在保证熔覆层具有高冲击性能的同时，具有良好的耐热疲劳性能；在球磨铸管工况下，可有效提升激光熔覆功能层的抗热疲劳性能；采用此粉末对管模内壁激光熔覆整体修复后，可延长其使用寿命，大大降低生产成本，显著提高经济效益。

Description

一种用于修复离心球磨管模内壁的半导体激光熔覆镍基合金粉末

技术领域

本发明涉及激光表面熔覆技术，尤其涉及一种用于修复离心球磨铸管管模内壁的具有高冲击韧性、抗热疲劳特性的半导体激光熔覆镍基合金粉末。

背景技术

离心球墨铸管管模是制造离心球墨铸铁管的关键部件，在离心铸造球墨铸铁管的制造成本中占有很高的比例，其制造成本昂贵，尤其是大直径铸管模，经过上千次使用后，由于热疲劳磨损失效，造成巨大的浪费。

管模反复进行使用磨损和维修引起管模的内表面尺寸出现超差，以及管模内表面出现无法维修的缺陷，如管模中间出现龟裂纹等，都会导致管模无法继续使用。

从管模失效样品的失效形式来看，主要是热裂。裂纹呈网格状、均匀、没有明显的方向性，经打磨无氧化皮，可以判断失效的主要原因在于热疲劳和应力所造成的热裂。热应力是造成管模损坏的主要原因，管模产生热应力主要有以下两点：一是管模壁热膨胀或冷收缩受到相邻材料的约束；二是管壁热循环过程产生热冲击。

对于管模来说，其冲击韧性性能和组织状态决定管模的使用寿命的长短。

对管模内壁修复来说，传统的修复方式即堆焊，一方面由于受管模内孔尺寸的限制，焊接机头的深入，焊丝，焊剂的输送和回收，以及电缆，电机和电器元件的耐热极限等难题制约，另一方面，如发明专利00123344.0公开了铸管模内壁埋弧堆焊修复方法，其堆焊过程需要焊前预热、焊后高温回火，会导致修复过程中热输入量较大，对管模形状有很大的影响。同时传统的筒体堆焊修补，多采用与筒体母材相接近成分的焊接材料，采用与轴线垂直螺旋步进单焊道堆焊，堆焊层为粗大的魏氏体组织，在高温，急冷急热的工况条件使用下，堆焊层极易产生沿焊道的环状热疲劳裂纹，使管模抗疲劳性能降低，造成过早的失效。

激光熔覆技术是一种在金属表面进行微熔炼的表面处理技术，高能量激光束所形成的的光斑照射在金属表面，在局部使基材和功能合金粉末完全融化从而形成熔池。因为熔池的温度极高，因此基材与合金成分可以充分在熔池中反应。激光束同时又具有极强的方向性，因此只要光斑离开熔池位置，熔池就会以很快的速度冷却，由于晶胞没有时间长大，因此会形成极其致密的组织结构，这种组织结构的稳定性很高，组织中的缺陷率也是极低的。同时激光熔覆其热影响区范围极小，温度低于铸管管模制造时的回火温度，避免破坏管模母材的热处理状态。

现有激光熔覆所用的镍基合金粉末中大部分是基于CO₂气体激光器所开发的，其成分基本上不含有Al元素，是因为CO₂气体激光器的发光波长为10600nm，而Al元素对该波长的光的吸收率不足2%，同时由于激光熔覆极冷极热的特性，导致在激光熔覆过程中，熔覆层中的Al 元素无法吸收到足够的能量，从而根本无法与Ni元素充分反应形成Ni₃Al，反而是以单质或者是碳化物、硼化物的形式存在，不但没有对激光熔覆层基体起到强化作用，反而在基体中形成了缺陷或裂纹源，甚至导致熔覆层直接开裂。事实上，CO₂气体激光器始终无法对经典的Ni60粉末进行激光熔覆的原因就是基于此。

而半导体激光器是近年来才出现的新型激光器，其发光波长为800nm至1000nm。而通过公开的资料可以查到Al元素对光的吸收率在波长800nm至1000nm刚好有一个波峰存在，其吸收率可接近或达到15%。但是，相关的激光熔覆工艺还未针对离心球磨铸管管模的修复进行应用。其原因是没有专用于此工况下的激光熔覆合金粉末，因此，通过调整粉末成分，采用激光熔覆的方法，对管模内壁进行修复强化，得到耐冲击、耐热疲劳性能的修复层。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，提供一种用于修复离心球磨铸管管模内壁的具有高冲击韧性、抗热疲劳特性的半导体激光熔覆镍基合金粉末。利用C、Cr、Mo、Ni、W等元素改善熔覆层与基材的相容性，同时针对目前新出现的800nm至1000nm波长的半导体激光器使Al元素对光的吸收效率大幅度提高所带来的技术特点，通过添加Al元素使激光熔敷层内可形成充分的Ni₃Al相，通过组织调整，保证熔覆层具有高冲击性能的同时，具有良好的耐热疲劳性能。

为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种用于修复离心球磨管模内壁的半导体激光熔覆镍基合金粉末，所述的镍基合金粉末按照重量百分比为C：0.06-0.09%，Cr：20-22%，B：0.5-1.0%，Fe：2-6%，Mo：8-10%，Al：4-8%，W：0.6-1.2%，Nb+Ta：2-6%，其余为Ni。

优选的，镍基合金粉末按照重量百分比为：C：0.08%，Cr：21%，B：1%，Fe：5%，Mo：9%，Al：5%，W：1%，Nb+Ta：4%，其余为Ni。

优选的，镍基合金粉末的目数为-100目~+300目。

所述的镍基合金粉末的制备方法为依次通过配料、真空熔炼、真空气雾化、干燥、筛分工艺步骤。

所述的镍基合金粉末的纯度≥99.9%。

采用半导体激光器，选定的激光熔覆工艺参数为：功率2600-3000W；焦距：280-320mm；光斑尺寸：2×10mm-4×10mm；扫描速度：480-560mm/min，置粉厚度：0.5-1.5mm。

本发明通过降低镍基合金粉末中C的含量，降低熔覆层的硬度，提高韧性、塑性、冲击性能；提高Cr含量，从而提高熔覆层的抗氧化性和耐蚀性；提高Mo元素含量，细化熔覆层的组织，提高熔覆层的韧性和耐磨性，并降低熔覆层的裂纹敏感性；增加Ni含量会使韧性相增加，从而增加了熔覆层的韧性；同时也降低了熔覆层的线胀系数，降低熔覆层的残余拉应力，较少裂纹率和缺陷的产生；同时加入1%左右的W提高熔覆层的高温性能。

该镍基合金粉末为800nm至1000nm波长的半导体激光器专用的激光熔覆合金粉末。该镍基合金粉末正是在新光源、新特性出现的情况下，在激光熔覆专用镍基合金粉末中加入了Al元素，通过大量分析和实验调整Al元素和其他合金元素的成分比例，得到了适合于半导体激光器进行激光熔覆的镍基合金粉末，使熔覆层中可以得到充分的Ni₃Al相，完美的解决了激光熔覆专用镍基合金粉末以前存在的问题。

本发明与现有技术相比具有如下列有益效果：

本发明镍基合金粉末激光熔覆后的冲击性能：熔覆层冲击韧性平均值为104J，远远高于标准中≥50J母材冲击韧性的要求。

高温及高应力下的机械性能稳定性：在球磨铸管工况下，熔覆层的抗疲劳性能是母材的1.4~1.8倍。

组织：采用本发明涉及的镍基合金粉末对复离心球磨铸管管模内壁进行激光熔覆修复，晶粒度检测级别达到10级。

硬度：管模内壁熔覆层硬度约HB240左右，便于使用过程中打点，消除管模使用过程中造成的热疲劳应力。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

实施例1

选用母材为离心球磨铸管管模材料21CrMo10，熔覆前打磨加工，并用酒精清洗干净。采用的镍基合金粉末化学成分为：C：0.08%，Cr：21.00%，B：1.00%，Fe：5%，Mo：9.00%，Al：5.00%，W：1.00%，Nb+Ta：4%，其余为Ni。

镍基合金粉末的制备方法为依次通过配料、真空熔炼、真空气雾化、干燥、筛分工艺步骤制备得到，镍基合金粉末的目数为-100目~+300目，纯度≥99.9%。

采用半导体激光器，选定的激光熔覆工艺参数为：功率2800W；焦距：300mm；光斑尺寸：2×10mm；扫描速度：480mm/min，置粉厚度：0.5mm。

经激光熔覆后，得到的熔覆层厚度在1mm左右，表面平整，无裂纹、气孔等缺陷，熔覆层与母材为冶金结合，耐冲击性能好、抗热疲劳性强。

实施例2

采用的镍基合金粉末化学成分为：C：0.06%，Cr：20.00%，B：0.5%，Fe：2%，Mo：8%，Al：8%，W：0.6%，Nb+Ta：2%，其余为Ni。

对DN800离心球磨铸管管模内径表面进行修复，由于铸管管模使用过程中表面裂纹较大，无法继续使用，将内孔疲劳层用深孔车床车削，然后将粉末由激光头的喷粉口均匀喷出，粉末送粉方向与激光光束同轴，熔覆层厚度2mm，表面无裂纹、气孔等缺陷，然后深孔加工，尺寸恢复新产品状态，使用性能超过新产品。

实施例3

选用母材为离心球磨铸管管模材料21CrMo10，熔覆前打磨加工，并用酒精清洗干净。采用的镍基合金粉末化学成分为：C：0.09%，Cr：22%，B：0.8%，Fe：4%，Mo：10%，Al：4%，W：1.2%，Nb+Ta：6%，其余为Ni。

采用半导体激光器，选定的激光熔覆工艺参数为：功率2600W；焦距：320mm；光斑尺寸：3×10mm；扫描速度：520mm/min，置粉厚度：1.5mm。

实施例4

选用母材为离心球磨铸管管模材料21CrMo10，熔覆前打磨加工，并用酒精清洗干净。采用的镍基合金粉末化学成分为：C：0.08%，Cr：22%，B：0.9%，Fe：6%，Mo：10%，Al：6%，W：0.9%，Nb+Ta：5%，其余为Ni。

采用半导体激光器，选定的激光熔覆工艺参数为：功率3000W；焦距：280mm；光斑尺寸：4×10mm；扫描速度：560mm/min，置粉厚度：1mm。

本发明高冲击韧性、抗热疲劳特性的激光熔覆镍基合金粉末与离心球墨铸管管模基材良好结合，耐冲击性能好、抗热疲劳性强，不产生裂纹、气孔、夹杂等缺陷，且无环境污染，采用激光熔覆技术，能量密度高，热输入小，该熔覆层在热循环作用下抗热疲劳性能具有十分重要的创新价值和工程应用意义，亦可用于离心球墨铸管管模保护层的制造。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims

1.一种用于修复离心球磨管模内壁的半导体激光熔覆镍基合金粉末，其特征在于，所述的镍基合金粉末按照重量百分比为C：0.06-0.09%，Cr：20-22%，B：0.5-1.0%，Fe：2-6%，Mo：8-10%，Al：4-8%，W：0.6-1.2%，Nb+Ta：2-6%，其余为Ni。

2.根据权利要求1所述的一种用于修复离心球磨管模内壁的半导体激光熔覆镍基合金粉末，其特征在于，所述的镍基合金粉末按照重量百分比为：C：0.08%，Cr：21%，B：1%，Fe：5%，Mo：9%，Al：5%，W：1%，Nb+Ta：4%，其余为Ni。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于修复离心球磨管模内壁的半导体激光熔覆镍基合金粉末，其特征在于，所述的镍基合金粉末的目数为-100目~+300目。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于修复离心球磨管模内壁的半导体激光熔覆镍基合金粉末，其特征在于，所述的镍基合金粉末的制备方法为依次通过配料、真空熔炼、真空气雾化、干燥、筛分工艺步骤。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于修复离心球磨管模内壁的半导体激光熔覆镍基合金粉末，其特征在于，所述的镍基合金粉末的纯度≥99.9%。

6.根据权利要求1或2所述的一种用于修复离心球磨管模内壁的半导体激光熔覆镍基合金粉末，其特征在于，采用半导体激光器，选定的激光熔覆工艺参数为：功率2600-3000W；焦距：280-320mm；光斑尺寸：2×10mm-4×10mm；扫描速度：480-560mm/min，置粉厚度：0.5-1.5mm。