CN108823565B - 硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末及制备、熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末及其制备方法，按照质量百分比，各元素含量:C:0.11～0.15％、Cr:14～16％、Ni:1.5～1.8％、B:0.02～0.04％、Si:0.8～1.3％，Mn:0.9～1.2％,Al：0.2～0.45％，V：0.08～0.15％，余量为Fe。按照上述元素成分，选取中间合金铁碳、铁铬、铁硅、硼铁、铁锰、铁铝、铁钒和纯镍，配成上述成分合金混合物，将其真空熔炼、气雾化即可。本发明的激光成形专用马氏体铁基合金粉末，通过激光熔覆技术制得的熔覆层抗拉强度为1400‑1500MPa，屈服强度达到1000‑1100MPa，延伸率达到10％以上。工业应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于激光再制造技术领域，主要面向调质钢和Cr13马氏体钢类零件再制造。特别涉及硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末及其制备方法、熔覆方法。
背景技术
从经济性和使用广泛性考虑，常用的激光熔覆合金粉末主要为铁基自熔合金粉末，但是铁基自熔合金粉末在激光成型后，很难获得高强塑的熔覆层。对于马氏体铁基自熔合金粉末激光熔覆层，主要表现为高强度、低塑性的特点，造成这一现象的主要原因是合金粉末设计时为了熔点尽量靠近共晶点，通常把硼、硅的含量提高，从而生成硬质相，使强度和脆性提高，塑性下降。为了得到高强塑的马氏体合金粉末激光成型件，在粉末设计过程中首先要考虑其成形工艺性，即粉末应具有好的流动性、激光熔池有较好抗氧化性和各元素之间合理配比；其次要求粉末激光成形时，成形层具有强塑性；最后要考虑界面相熔性和强塑性。我们通过长期的理论分析和实验研究，放弃了自熔合金粉末共晶设计的原则，采用铬、硅、铝、钒提高合金粉末激光熔池抗氧化性，代替自熔合金激光熔池表面硼硅酸盐抗氧化性；利用微量硼元素扩大了激光熔覆层向马氏体转变的工艺参数区间；利用激光熔池快速凝固的原理获得细晶低碳高强塑马氏体组织；利用硅铝钒固碳的原则，保证获得的低碳细晶马氏体在300度温度范围内的稳定性。我们不断优化马氏体铁基合金粉末元素成分配比，最终确定适量硅、铝、钒元素含量的情况下，低碳微硼马氏体铁基合金粉末可以获得高强塑的熔覆层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末，制得的粉末具有高强度及良好的塑性。
本发明的另一目的是提供上述铁基合金粉末的制备方法。
本发明的又一目的是提供上述铁基合金粉末激光熔覆的方法。
本发明所采用的技术方案是，一种硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末，按照质量百分比，由以下元素组成：
C:0.11～0.15％、Cr:14～16％、Ni:1.5～1.8％、B:0.02～0.04％、Si:0.8～1.3％，Mn:0.9～1.2％,Al：0.2～0.45％，V：0.08～0.15％，余量为Fe，以上质量百分比之和为100％。
进一步的，按照质量百分比，由以下元素组成：C:0.12％、Cr:15.74％、Ni:1.6％、B:0.04％、Si:0.84％、Mn：0.95％、Al：0.24％、V：0.11％，余量为Fe，以上质量百分比之和为100％。
本发明所采用的另一技术方案是：硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末的制备方法，按照合金元素质量百分比，选取中间过渡合金铁碳、铁铬、铁硅、硼铁、铁锰、铁铝、铁钒和纯镍，配成上述成分合金混合物，将其真空熔炼、气雾化即可。
进一步的，用高纯氮气制粉，粉末含氧量小于500ppm，磷、硫有害元素按质量百分比控制在0.01％以内。
本发明所采用的又一技术方案是：硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末的熔覆方法，采用循环水冷式气幕罩保护激光同步侧向送粉喷嘴装置，将喷砂处理过的基材放在循环式水冷装置上，然后通过控制实验工作台确定激光扫描轨迹，调整好激光器的喷嘴与基材的距离，采用侧向同步送粉法，将硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末熔覆在基材表面。
进一步的，激光处理工艺参数为：激光能量密度9550～26500W/cm2，光斑直径为1.2-2.0mm，扫描速度为6-9mm/s，送粉速度为3-5g/min，搭接系数为0.5，保护气体为氮气，即可以制得高强度且具有良好塑性的激光熔覆层。
本发明的有益效果：通过硅、铝、钒和低碳微硼共同作用，获得专用马氏体铁基合金粉末，通过激光成形技术得到高强塑熔覆层，其抗拉强度为1400-1500MPa，屈服强度达到1000-1100MPa，延伸率达到10％以上。工业应用前景广阔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是低碳微硼高强度马氏体铁基合金粉末激光熔覆层的显微组织图，其中图a和图b分别为放大1000倍与15000倍SEM组织相图。
图2低碳微硼高强度马氏体铁基合金粉末激光熔覆层拉伸试样拉伸断口形貌图；其中图a和图b为放大1000倍与10000倍拉伸断口形貌图。
图3是激光成形拉伸力学试样图；
图4是激光成形拉伸试样断裂侧面图；
图5是激光成形试样应力-应变曲线图；
图6激光成形拉伸试样XRD分析图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末，按照质量百分比，各元素含量为：
C:0.11～0.15％、Cr:14～16％、Ni:1.5～1.8％、B:0.02～0.04％、Si:0.8～1.3％，Mn:0.9～1.2％,Al：0.2～0.45％，V：0.08～0.15％，余量为Fe。
硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末的制备方法，具体按照以下步骤进行：
按照质量百分比，选取中间合金，保证合金混合体成分为C:0.11～0.15％、Cr:14.5～15.5％、Ni:1.6～1.9％、B:0.02～0.04％、Si:0.6～1.3％，Mn:0.6～0.8％,Al：0.15～0.35％，V：0.08～0.15％，余量为Fe；然后将上述合金混粉物真空熔炼、气雾化。
真空熔炼、气雾化是把真空条件下进行金属与合金熔炼形成的金属液体以快速运动的流体(雾化介质)冲击或以其他方式细小液滴，继之冷凝为固体粉末的粉末制取方法。
真空熔炼技术是在真空条件下进行金属与合金熔炼的特种熔炼技术。可以有效地去除合金中的气体和非金属夹杂物以及有色金属杂质，提高合金的纯净度。
气雾化是采用先进的真空感应熔炼和惰性气体雾化技术制备高纯超细金属粉末的技术。具体为气雾化制粉时先用感应炉将金属原料熔炼为成分合格的合金液体(一般过热100～150℃)，然后将其注入位于雾化喷嘴之上的中间包内。合金液由中间包底部漏眼流出，通过喷嘴时与高速气流相遇被雾化为细小液滴，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成合金粉末。雾化法是生产完全合金化粉末的最好方法，其产品称为预合金粉。这种粉的每个颗粒不仅具有与既定熔融合金完全相同的均匀化学成分，而且由于快速凝固作用而细化了结晶结构；消除了第二相的宏观偏析。
硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末，按照质量百分比，通过真空熔炼、气雾化获得元素成分，以此作为实验参比：
C:0.12％、Cr:15.74％、Ni:1.6％、B:0.04％、Si:0.84％，Mn：0.95％，Al：0.24％V：0.11％余量为Fe。
为了说明上述成分配比合理性，我们做了理论分析和关键元素的实验验证。
我们针对铝、钒元素做了对比试验。没有加入铝、钒元素成分下，抗拉强度为1326MPa，屈服强度为945MPa，延伸率为11.5％。同样工艺条件下，在加入0.24％的铝和0.11％的钒后，其抗拉强度达到1404MPa，屈服强度达到1080MPa，延伸率为10.6％。实验结果表明，在低碳微硼马氏体铁基合金粉末中加入少量的铝、钒元素，能保证高塑性的情况下，提高其抗拉强度。同时针对优选硅、铝、钒元素成分含量做了实验分析，三种元素含量提高，抗拉强度略有提高，延伸率略有降低。降低其含量，延伸率提高，抗拉强度强度下降。最终确定Si:0.6～1.3％、Al：0.15～0.35％和V：0.08～0.15％时能得到高强塑马氏体铁基合金粉末。
硅、铝、钒铬元素的加入可以保证碳化物的稳定，减少马氏体分解，提高马氏体稳定性，提高熔池抗氧化性，其中铝元素提高熔覆层在600℃左右的抗氧化性。对于抗氧化性来讲，即在激光熔覆过程中，熔池在保护气保护下快速凝固，但在没有保护气的情况下，表面尚有很高的温度，熔覆层易被氧化。所以铝的加入可以减少表面氧化，提高表面质量。在铁基合金粉末中加入微硼可以提高熔覆层淬透性，保证在较宽的工艺范围内获得马氏体。实验结果表明，适量硅、铝、钒稳定比例情况下，共同作用保持碳化物的稳定性，防止马氏体分解。
实验验证
采用循环水冷式气幕罩保护激光同步侧向送粉喷嘴装置：将喷砂处理过的基材Q235钢板放在循环式水冷装置上，然后通过控制实验工作台确定激光扫描轨迹。调整好激光器的喷嘴与基材的距离，采用侧向同步送粉法，将马氏体铁基合金粉末熔覆在基材表面，激光处理工艺参数为：激光能量密度9550～26500W/cm2，光斑直径为1.2-2.0mm，扫描速度为6-9mm/s，送粉速度为3-5g/min，搭接系数为0.5，保护气体为氮气，即可以制得高强度且具有良好塑性的激光熔覆层。
制得的硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑铁基合金熔覆层，SEM如图1和图2；从图1中可知，硅铝钒稳定的低碳微硼高强度专用铁基合金粉末熔覆层的显微组织具有明显的板条状马氏体特征，同时从SEM显微组织图1b中白亮色的物相可知，马氏体板条状周围有少量残余奥氏体存在，间接证明其良好的塑性。图2拉伸试样断口SEM图可知，断口处韧窝较多。从图4可知，拉伸试样断口有明显缩进。由图5三个拉伸试样应力-应变曲线图可知，抗拉强度在1400MPa左右，屈服强度都在1000MPa以上。成形层力学性能较稳定。由图6激光成形拉伸试样XRD分析图可知，除了马氏体相，还有复杂碳硼化合物析出。
硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层专用铁基合金粉末熔覆层硬度测试：本实验采用TH320全洛氏硬度计测量其表面洛氏显微硬度，实验在室温下进行，实验力为150Kg，保压时间为6s。取10个点进行测量，从表1可以看出，涂层的平均洛氏硬度为49.09HRC(硬度最大值为49.8HRC，硬度最小值为48.4HRC)。
表1涂层洛氏硬度
硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层专用铁基合金粉末熔覆层拉伸强度测试：将试样加工成图3形状，图中尺寸单位mm，采用PWS-E100型电液伺服动静万能试验机，采用速度控制，拉伸速度为0.2mm/min，对试样进行静态拉伸试验。测量结果显示，平均拉伸强度1408MPa(最大拉伸强度为1430MPa，最小拉伸强度为1379MPa)，屈服强度达到1000-1100MPa以上，延伸率10％以上。具体如如图5三个拉伸试样的拉伸曲线。
综上所述，本发明的铁基合金粉末激光熔覆层，抗拉强度好，且具有良好的延伸率，具有广阔的工业应用前景。
实施例1
选取中间过渡合金铁碳、铁铬、铁硅、硼铁、铁锰、铁铝、铁钒和纯镍，按照质量百分比，C:0.12％、Cr:15.74％、Ni:1.6％、B:0.04％、Si:0.84％、Mn：0.95％、Al：0.24％、V：0.11％，余量为Fe，以上质量百分比之和为100％，配成上述成分合金混合物将其真空熔炼、气雾化。采用循环水冷式气幕罩保护激光同步侧向送粉喷嘴装置，将喷砂处理过的基材放在循环式水冷装置上，然后通过控制实验工作台确定激光扫描轨迹，调整好激光器的喷嘴与基材的距离，采用侧向同步送粉法，将硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末熔覆在基材表面。激光能量密度16500W/cm2，光斑直径为1.5mm，扫描速度为7mm/s，送粉速度为4g/min，搭接系数为0.5，保护气体为氮气，即可以制得高强度且具有良好塑性的激光熔覆层。
实施例2
选取中间过渡合金铁碳、铁铬、铁硅、硼铁、铁锰、铁铝、铁钒和纯镍，按照质量百分比，C:0.11％、Cr:16％、Ni:1.5％、B:0.02％、Si:1.3％、Mn：0.9％、Al：0.45％、V：0.08％，余量为Fe，以上质量百分比之和为100％，配成上述成分合金混合物将其真空熔炼、气雾化。采用循环水冷式气幕罩保护激光同步侧向送粉喷嘴装置，将喷砂处理过的基材放在循环式水冷装置上，然后通过控制实验工作台确定激光扫描轨迹，调整好激光器的喷嘴与基材的距离，采用侧向同步送粉法，将硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末熔覆在基材表面。激光能量密度9550W/cm2，光斑直径为1.2mm，扫描速度为6mm/s，送粉速度为3g/min，搭接系数为0.5，保护气体为氮气，即可以制得高强度且具有良好塑性的激光熔覆层。
实施例3
选取中间过渡合金铁碳、铁铬、铁硅、硼铁、铁锰、铁铝、铁钒和纯镍，按照质量百分比，C:0.15％、Cr:14％、Ni:1.8％、B:0.03％、Si:0.8％、Mn：1.2％、Al：0.2％、V：0.15％，余量为Fe，以上质量百分比之和为100％，配成上述成分合金混合物将其真空熔炼、气雾化。采用循环水冷式气幕罩保护激光同步侧向送粉喷嘴装置，将喷砂处理过的基材放在循环式水冷装置上，然后通过控制实验工作台确定激光扫描轨迹，调整好激光器的喷嘴与基材的距离，采用侧向同步送粉法，将硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末熔覆在基材表面。激光能量密度26500W/cm2，光斑直径为2.0mm，扫描速度为9mm/s，送粉速度为5g/min，搭接系数为0.5，保护气体为氮气，即可以制得高强度且具有良好塑性的激光熔覆层。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末，其特征在于，按照质量百分比，由以下元素组成：
C:0.12％、Cr:15.74％、Ni:1.6％、B:0.04％、Si:0.84％、Mn：0.95％、Al：0.24％、V：0.11％，余量为Fe，以上质量百分比之和为100％。
2.一种如权利要求1所述的硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末的制备方法，其特征在于，按照合金元素质量百分比，选取中间过渡合金铁碳、铁铬、铁硅、硼铁、铁锰、铁铝、铁钒和纯镍，配成上述成分合金混合物，将其真空熔炼、气雾化即可。
3.根据权利要求2所述的硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末的制备方法，其特征在于，用高纯氮气制粉，粉末含氧量小于500ppm，磷、硫有害元素按质量百分比控制在0.01％以内。
4.一种如权利要求1所述的硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末的熔覆方法，其特征在于，采用循环水冷式气幕罩保护激光同步侧向送粉喷嘴装置，将喷砂处理过的基材放在循环式水冷装置上，然后通过控制实验工作台确定激光扫描轨迹，调整好激光器的喷嘴与基材的距离，采用侧向同步送粉法，将硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末熔覆在基材表面。
5.根据权利要求4所述的硅铝钒稳定的低碳微硼高强塑马氏体激光熔覆层用铁基合金粉末的熔覆方法，其特征在于，激光处理工艺参数为：激光能量密度9550～26500W/cm2，光斑直径为1.2-2.0mm，扫描速度为6-9mm/s，送粉速度为3-5g/min，搭接系数为0.5，保护气体为氮气，即可以制得高强度且具有良好塑性的激光熔覆层。
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