CN108103499A - 一种用于超高速激光熔覆的颗粒增强铁基金属粉末 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种用于超高速激光熔覆的颗粒增强铁基合金粉末，由铁基体金属粉末与氧化物或碳化物颗粒组成，其配比为：50‑98%的铁基体金属粉末，2‑50%的氧化物或碳化物颗粒；其中铁基体的化学成分及其质量百分比为：0.03‑2%C，0.50‑2.80%Si，0.30‑1.60%Mn，2‑12%Cr，0.5‑3%V，0.5‑4%Mo，0.3‑1%Nb，P≤0.030%，S≤0.030%，0.05‑3.0%B，余量为Fe和不可避免的杂质。该金属粉末粒径为：10‑100μm，流动性：32‑45 s/100g。应用上述颗粒增强金属粉末，采用激光熔覆技术，搭配不同工艺，对基体表面进行强化与修复。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种用于超高速激光熔覆的颗粒增强铁基金属粉末。
背景技术
激光熔覆技术是一种表面硬化工艺技术，指在基材表面通过不同的填料方式添加被选择的涂层材料，利用高功率密度的激光束使之与基材表面极薄层同时熔凝，并迅速凝固后形成稀释度极低、与基体成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特性的工艺方法。传统的激光熔覆技术由于激光能量主要作用于基材表面，粉末温度低于熔点，热量散失大、能量利用率低，熔覆速率慢，且热影响区较大，严重制约了激光熔覆技术的推广应用。
传统铁基金属材料有成本低、机加工性能好、可焊接、耐腐蚀、可进行热处理等一系列优点，但其密度大、比强度小，耐磨性及高温稳定性有待提高。
发明内容
本发明涉及一种超高速率激光熔覆方法以及该方法所使用的颗粒增强铁基合金粉末。超高速率激光熔覆是一种表面加工技术，通过同步送粉添料方式，利用高能密度的束流使添加材料与高速率运动的基体材料表面同时熔化，并快速凝固后形成稀释率极低，与基体呈冶金结合的熔覆层，极大提高熔覆速率，显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等工艺特性的工艺方法。
与传统低速率高速熔覆相比较，超高速率激光熔覆高能束少部分能量作用在基体材料上形成较浅的熔池，而大部分能量作用在了粉末材料上，使粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化，以液滴的形式与基体材料结合，从而使得超高速激光熔覆加工比传统熔覆效率提高40倍至上百倍。
由于超高速率激光熔覆技术的激光能量主要作用于粉末，熔覆过程中所使用的金属粉末对于熔覆效果有着至关重要的影响，粉末成分、粒度范围、流动性、球形度、增强颗粒的成分及添加比例等参数直接影响熔覆层的性能。主要采用以下指标：(1) 粒度范围，金属粉末颗粒的大小，通常用颗粒的直径来表征；(2) 流动性，是指以一定量粉末流过规定孔径的标准漏斗所需要的时间来表示，通常采用的单位为s/50g，其数值越小说明该粉末的流动性愈好；(3) 球形度，颗粒的形状与球体相似的程度；(5) D50，描述粉末平均粒度的指标，指一个样品的累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径。
由于传统铁基金属材料无法有效汇聚成较小的斑点等原因，该粒度粉末经熔覆头输送汇聚后，粉斑直径较大，无法满足超高速率激光熔覆小粉斑的工艺要求。需要说明的是，本发明中的超高速是相对于现有的激光熔覆速度而言的，该超高速具体是指激光扫描线速度大于等于25m/min。
根据本发明一方面，本发明提供了一种用于超高速激光熔覆的颗粒增强铁基金属粉末，其特征在于由铁基体金属粉末与氧化物或碳化物颗粒组成，其配比为：50-98%的铁基体金属粉末，2-50%的氧化物或碳化物颗粒，该氧化物或碳化物颗粒选自Al2O3、ZrO2、WC、TiC中的一个或多个；其中铁基体金属粉末的化学成分及其质量百分比为：0.03-2 %C，0.50-2.80%Si，0.30-1.60%Mn，2-12%Cr，0.5-3%V，0.5-4%Mo，0.3-1%Nb，P≤0.030%，S≤0.030%，0.05-3.0%B，余量为Fe和不可避免的杂质；
其中，该粉末的球形度≥ 90%，流动性为32-45 s/100g。
根据本发明另一方面，B0.05－1.5%。
根据本发明另一方面，Si0.5-2.5%。
根据本发明另一方面，粒度分布为：10-100μm。
根据本发明另一方面，粉末的平均力度D50为25-50μm。
根据本发明另一方面，含氧量≦150ppm。
根据本发明另一方面，提供了上述粉末的制备方法，其特征在于，该方法为：原材料成分合金化配比，而后进行真空熔炼钢锭，应用中频感应加热熔化钢锭，熔炼室真空度10-1-10-2Pa，采用气雾化方法制粉，喷粉气体氩气压力1.5-3.5MPa，收得粉末后进行粒度筛分，筛选10-100μm粒度范围的金属粉末；选取粒度范围为10-100μm的氧化物或碳化物颗，将制备好的粒度范围为10-100μm的金属粉末与氧化物或碳化物颗粒按相应配比在混料机中均匀混合，即可制得超高速激光熔覆用颗粒增强铁基金属粉末。
根据本发明另一方面，本发明提供了一种用于超高速激光熔覆的颗粒增强铁基合金粉末，由铁基体金属粉末与氧化物或碳化物颗粒组成，其配比为：50-98%的铁基体金属粉末，2-50%的Al2O3、ZrO2或WC、TiC其中之一或二种以上的组合混合粉末；其中铁基体的化学成分及其质量百分比为：0.03-2 %C，0.50-2.80%Si，0.30-1.60%Mn，2-12%Cr，0.5-3%V，0.5-4%Mo，0.3-1%Nb，P≤0.030%，S≤0.030%，0.05-3.0%B，余量为Fe和不可避免的杂质。
根据本发明另一方面，其中：B优选 0.05－1.5%，Si优选0.5-2.5%。
根据本发明另一方面，该金属粉末粒径为： 10-100μm，流动性：32-45 s/100g。
根据本发明另一方面，制备上述超高速激光熔覆用颗粒增强铁基金属粉末的步骤为：
(1)铁基体粉末制备
将铁基体原材料按成分合金化配比，而后进行真空熔炼钢锭，应用中频感应加热熔化钢锭，熔炼室真空度10-1-10-2Pa，采用气雾化方法制粉，喷粉气体氩气压力1.5-3.5MPa，收得粉末后进行粒度筛分，筛选10-100μm粒度范围的金属粉末。
其中，真空度的控制对于粉末含氧量等指标有重大影响，喷粉气体氩气的压力控制是控制粉末粒度、球形度和成粉率的核心参数，需要全面根据液流情况及各个喷粉时期做出精确调整。
(2) 添加增强颗粒
选取粒度范围为5-150μm的Al2O3、ZrO2或WC、TiC颗粒，将制备好的粒度范围为10-100μm的金属粉末与Al2O3、ZrO2或WC、TiC其中之一或二种以上的组合，按相应配比在混料机中均匀混合，即可制得超高速激光熔覆用颗粒增强铁基金属粉末。
根据本发明另一方面，应用上述颗粒增强金属粉末，采用激光熔覆技术，搭配不同工艺，对基体表面进行强化与修复，具体步骤为：
(1)对基体表面进行机加工；
(2)用丙酮擦拭基体表面，去除表面油脂；
(3)根据基体表面几何形状进行激光熔覆路径规划，制定工艺参数；
(4)采用半导体激光熔覆系统对基体表面进行熔覆修复，采用上述工艺参数：激光功率1~2kw，光斑直径1mm，送粉速率5~8kg/h，激光扫描速率20m~500m/min，搭接率30%~40%，单层熔覆厚度25~500μm，激光熔覆头具有氩气保护功能，氩气流量15~30L/min。
(5)采用五轴数控机床对修复后的基体表面进行机加工，获得所需尺寸。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1. 该金属粉末具有优选合金含量搭配，能够致密紧实的与基体结合，大幅度的提升基体表面耐磨性能及使用寿命，经济性好。
2. 超高速激光熔覆技术可极大提高激光熔覆表面加工速率，得到表面平整光滑、无气孔、无裂纹的熔覆层，该技术对金属粉末粒度、流动性等指标有特殊要求，本发明所涉及的超高速率激光熔覆用颗粒增强铁基金属粉末适用于该加工技术。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不局限于下列实施例。实施例中目标产物中各元素的质量分数如表1所示，性能参数如表2所示，应用实施例进行超高速率激光熔覆加工后表面性能如表3所示。
表1 超高速激光熔覆用颗粒增强铁基金属粉末成分（质量分数，%）
| 实施例 | C | Si | Mn | P、S | Cr | Mo | V | B | 颗粒/含量 | Fe |
| 实施例1 | 0.29 | 0.5 | 0.8 | ≤0.03 | 5.9 | 2.1 | 0.89 | 2.5 | WC-18 | Bal. |
| 实施例2 | 0.30 | 1.8 | 0.7 | ≤0.03 | 3.0 | 2.2 | 0.95 | 0.2 | Al2O3-5，ZrO2-5 | Bal. |
| 实施例3 | 0.42 | 1.7 | 0.85 | ≤0.03 | 3.2 | 1.9 | 1.02 | 1.6 | WC-10，TiC-10 | Bal. |
表2 超高速激光熔覆用颗粒增强铁基金属粉末性能参数（质量分数，%）
| 实施例 | 粒度μm | 流动性s/50g | 球形度% | D50/μm |
| 实施例1 | 10-100 | 16 | 90 | 45 |
| 实施例2 | 10-100 | 16 | 93 | 43 |
| 实施例3 | 10-100 | 17 | 92 | 42 |
表3 超高速激光熔覆修复后Cr12Mo1V1钢表面性能
| 实施例 | 硬度HRC | 硬度提高百分比% | 寿命延长百分比% |
| 实施例1 | 64 | 32 | 220 |
| 实施例2 | 60 | 28 | 170 |
| 实施例3 | 66 | 34 | 190 |
实施例1
优选地，本发明提供了一种用于超高速激光熔覆的颗粒增强铁基金属粉末，其特征在于由铁基体金属粉末与氧化物或碳化物颗粒组成，其配比为：50-98%的铁基体金属粉末，2-50%的氧化物或碳化物颗粒，该氧化物或碳化物颗粒选自Al2O3、ZrO2、WC、TiC中的一个或多个；其中铁基体金属粉末的化学成分及其质量百分比为：0.03-2 %C，0.50-2.80%Si，0.30-1.60%Mn，2-12%Cr，0.5-3%V，0.5-4%Mo，0.3-1%Nb，P≤0.030%，S≤0.030%，0.05-3.0%B，余量为Fe和不可避免的杂质；
其中，该粉末的球形度≥ 90%，流动性为32-45 s/100g。
优选地，B0.05－1.5%。
优选地，Si0.5-2.5%。
优选地，粒度分布为：10-100μm。
优选地，粉末的平均力度D50为25-50μm。
优选地，含氧量≦150ppm。
优选地，提供了上述粉末的制备方法，其特征在于，该方法为：原材料成分合金化配比，而后进行真空熔炼钢锭，应用中频感应加热熔化钢锭，熔炼室真空度10-1-10-2Pa，采用气雾化方法制粉，喷粉气体氩气压力1.5-3.5MPa，收得粉末后进行粒度筛分，筛选10-100μm粒度范围的金属粉末；选取粒度范围为10-100μm的氧化物或碳化物颗，将制备好的粒度范围为10-100μm的金属粉末与氧化物或碳化物颗粒按相应配比在混料机中均匀混合，即可制得超高速激光熔覆用颗粒增强铁基金属粉末。
优选地，还提供了一种铁基体金属粉末，各元素的质量分数为：0.29%C，0.50%Si，0.80%Mn，5.9%Cr，2.1%Mo，0.89%V，P≤0.030%，S≤0.030%，2.5%B，18%WC颗粒，余量为Fe和不可避免的杂质。
该金属粉末粒径为：10-100μm，流动性：16 s/50g，球形度≥90%，D50=45μm。
优选地，粉末粒度区间为15~45μm。含氧量≦150ppm。空心粉率＜1%。
优选地，制备方法为：原材料成分合金化配比，而后进行真空熔炼钢锭，应用中频感应加热熔化钢锭，熔炼室真空度10-1-10-2Pa，采用气雾化方法制粉，喷粉气体氩气压力1.5-3.5MPa，收得粉末后进行粒度筛分。
应用筛分后的粉末，采用超高速激光熔覆技术，搭配不同工艺，对基体表面进行修复。
优选地，修复方法为：对基体表面机加工。
用丙酮擦拭模具待修复表面，去除表面油脂。
根据基体表面几何形状进行超高速激光熔覆路径规划，制定工艺参数。
用半导体激光熔覆系统对基体表面进行熔覆修复，采用上述工艺参数：激光功率1~2kw，光斑直径1mm，送粉速率5~8kg/h，激光扫描速率20m~500m/min，搭接率30%~40%，单层熔覆厚度25~500μm，激光熔覆头具有氩气保护功能，氩气流量15~30L/min。
采用五轴数控机床对修复后的基体表面进行机加工，获得所需尺寸及良好的表面性能。
目标产物中各元素的质量分数如表1中实施例1所示。实施例1的性能参数如表2所示。应用实施例1对基体进行超高速激光熔覆修复后表面性能如表3所示。
实施例2
其各元素的质量分数为：0.30%C，1.8%Si，0.70%Mn，3.0%Cr，2.2%Mo，0.95%V，P≤0.030%，S≤0.030%，0.2%B，5%Al2O3颗粒，5%ZrO2颗，余量为Fe和不可避免的杂质。
该金属粉末粒径为：10-100μm，流动性：16 s/50g，球形度≥90%，D50=43μm。
制备方法为：原材料成分合金化配比，而后进行真空熔炼钢锭，应用中频感应加热熔化钢锭，熔炼室真空度10-1-10-2Pa，采用气雾化方法制粉，喷粉气体氩气压力1.5-3.5MPa，收得粉末后进行粒度筛分。
应用筛分后的粉末，采用超高速激光熔覆技术，搭配不同工艺，对基体表面进行修复。
对基体表面机加工。
用丙酮擦拭模具待修复表面，去除表面油脂。
根据基体表面几何形状进行超高速激光熔覆路径规划，制定工艺参数。
用半导体激光熔覆系统对基体表面进行熔覆修复，采用上述工艺参数：激光功率1~2kw，光斑直径1mm，送粉速率5~8kg/h，激光扫描速率20m~500m/min，搭接率30%~40%，单层熔覆厚度25~500μm，激光熔覆头具有氩气保护功能，氩气流量15~30L/min。
采用五轴数控机床对修复后的基体表面进行机加工，获得所需尺寸及良好的表面性能。
目标产物中各元素的质量分数如表1中实施例2所示。实施例2的性能参数如表2所示。应用实施例2对基体进行超高速激光熔覆修复后表面性能如表3所示。
实施例3
其各元素的质量分数为：0.42%C，1.7%Si，0.85%Mn，3.2%Cr，1.9%Mo，1.02%V，P≤0.030%，S≤0.030%，1.6%B，10%WC颗粒，10%TiC颗粒，余量为Fe和不可避免的杂质。
该金属粉末粒径为：10-100μm，流动性：17 s/50g，球形度≥90%，D50=42μm。
制备方法为：原材料成分合金化配比，而后进行真空熔炼钢锭，应用中频感应加热熔化钢锭，熔炼室真空度10-1-10-2Pa，采用气雾化方法制粉，喷粉气体氩气压力1.5-3.5MPa，收得粉末后进行粒度筛分。
应用筛分后的粉末，采用超高速激光熔覆技术，搭配不同工艺，对基体表面进行修复。
对基体表面机加工。
用丙酮擦拭模具待修复表面，去除表面油脂。
根据基体表面几何形状进行超高速激光熔覆路径规划，制定工艺参数。
用半导体激光熔覆系统对基体表面进行熔覆修复，采用上述工艺参数：激光功率1~2kw，光斑直径1mm，送粉速率5~8kg/h，激光扫描速率20m~500m/min，搭接率30%~40%，单层熔覆厚度25~500μm，激光熔覆头具有氩气保护功能，氩气流量15~30L/min。
采用五轴数控机床对修复后的基体表面进行机加工，获得所需尺寸及良好的表面性能。
目标产物中各元素的质量分数如表1中实施例3所示。实施例3的性能参数如表2所示。应用实施例3对基体进行超高速激光熔覆修复后表面性能如表3所示。
与传统的激光熔覆技术相比，超高速激光熔覆工艺在原理上有显著不同，其高能束少部分能量作用在基体材料上形成较浅的熔池，而大部分能量作用在了粉末材料上，使粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化，以液滴的形式滴入熔池与基体材料结合，再依靠基体自身冷却凝固。基于这一原理，超高速激光熔覆大大缩短了粉末熔化时间，从而使熔覆效率成倍提高，一般可达到传统激光熔覆的10倍以上。相应的，颗粒增强铁基金属粉末聚焦点距离基体表面可以达到0.2~2mm，该粉末经熔覆头输送汇聚后，粉斑尺寸较小，例如可以达到Φ0.5~1mm，能够适应和实现激光扫描线速度大于等于25m/min。
Claims (7)
1.一种用于超高速激光熔覆的颗粒增强铁基金属粉末，其特征在于由铁基体金属粉末与氧化物或碳化物颗粒组成，其配比为：50-98%的铁基体金属粉末，2-50%的氧化物或碳化物颗粒，该氧化物或碳化物颗粒选自Al2O3、ZrO2、WC、TiC中的一个或多个；其中铁基体金属粉末的化学成分及其质量百分比为：0.03-2 %C，0.50-2.80%Si，0.30-1.60%Mn，2-12%Cr，0.5-3%V，0.5-4%Mo，0.3-1%Nb，P≤0.030%，S≤0.030%，0.05-3.0%B，余量为Fe和不可避免的杂质；
其中，该粉末的球形度≥ 90%，流动性为32-45 s/100g。
2.根据权利要求1所述的颗粒增强铁基金属粉末，其特征在于：B0.05－1.5%。
3.根据权利要求1所述的颗粒增强铁基金属粉末，其特征在于：Si0.5-2.5%。
4.根据权利要求1-3任一项所述的颗粒增强铁基金属粉末，其特征在于：粒度分布为：10-100μm。
5.根据权利要求1-3任一项所述的颗粒增强铁基金属粉末，其特征在于：粉末的平均力度D50为25-50μm。
6.根据权利要求1所述的颗粒增强铁基金属粉末，其特征在于：32-45 s/100g含氧量≦150ppm。
7.如权利要求1－6所述的金属粉末的制备方法，其特征在于，该方法为：原材料成分合金化配比，而后进行真空熔炼钢锭，应用中频感应加热熔化钢锭，熔炼室真空度10-1-10- 2Pa，采用气雾化方法制粉，喷粉气体氩气压力1.5-3.5MPa，收得粉末后进行粒度筛分，筛选10-100μm粒度范围的金属粉末；选取粒度范围为10-100μm的氧化物或碳化物颗，将制备好的粒度范围为10-100μm的金属粉末与氧化物或碳化物颗粒按相应配比在混料机中均匀混合，即可制得超高速激光熔覆用颗粒增强铁基金属粉末。
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