CN109554630A - 一种马氏体耐热铸钢缺陷的补焊粉末及补焊方法 - Google Patents

一种马氏体耐热铸钢缺陷的补焊粉末及补焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种马氏体耐热铸钢缺陷的补焊粉末及补焊方法；补焊粉末原料组成及百分含量是：C：0.005％～0.02％；Cr：12％～18％；Ni：1％～3％；Fe：余量。将激光熔覆粉末置放于激光熔覆的送粉筒内，通过同步送粉进行激光熔覆得到熔覆层。采用单道熔覆，激光功率为2.5KW，光斑直径：2～5mm，扫速度为250mm/min～400mm/min，离焦量30mm，保护气体：空气，送粉速度：1.1～1.4g/min，送粉气流量为10L/min；铁基合金粉末的价格低廉；降低了再生产的制造成本。补焊粉末与马氏体耐热钢主要成分相近，在激光热源的影响下达到紧密连接，保证了试样整体硬度的相对均匀性。

Description

一种马氏体耐热铸钢缺陷的补焊粉末及补焊方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，涉及一种马氏体耐热铸钢缺陷的补焊粉末及补焊方法；特别是9Cr马氏体耐热铸钢缺陷的激光补焊方法，主要用于铸件铸造缺陷的修复。
背景技术
耐热钢的发展与能源、动力机械的进步有着密切的关系。随着能源与环境压力的进一步加剧，超超临界发电技术在火力发电、原子核能导电新技术开发中优势凸显。马氏体耐热钢因其具有良好的热物理性能和低廉的价格被广泛地应用于锅炉电站当中，各国专家对其不断的研发和改良。美国先后提出了“CCT”计划、“Combustion 2000”计划、“AST”计划和“Vision 21”等计划，并成功研发出了T23、T92等钢种。欧洲先后提出了一系列“COST”计划和“AD700”计划，并成功研发出了P91，P92等钢种，目标蒸汽参数值达到37.5MPa，700℃/720℃，将供电效率增长到52～55％。日本先后提出了“650℃”级别研究计划和“700℃新阳光”计划，并成功设计出了9Cr-3W-3Co、NF12和SAVE12等钢种。我国针对P91，P92等钢种进行了研究和改进，成功的研发出了G115钢等钢种。
全球各国不断精进工艺与参数，旨在获得更高的服役温度和工作条件。各国对耐热钢缸体的研究大都集中在铸件本体的热处理工艺方面，但对不可避免的耐热钢铸件的缺陷问题的报道可谓是少之又少。大型铸件质量的好坏直接决定了产品的最终质量，所以铸后缺陷修复就成为了制造工艺中及其关键的环节。
我国针对缺陷的措施大都属于预防手段。如针对气孔：提高浇注温度，加快浇注速度。针对裂纹问题：增大冷却速度，避免应力集中。对于铸造后较大缺陷，如气孔、砂包等较大裂纹的修复主要为热焊法，即采用与本体成分相近的耐热钢焊条进行补焊，这种方法需要焊前、焊后热处理。但对于显微探伤出的细小裂纹和其他微小缺陷，热焊法可以说是相对棘手的。而激光熔覆作为一种新兴的的改性技术，通过高能量密度的激光束将熔覆合金粉末与其基体表面熔化并快速凝固，最终使铸件与合金粉末形成良好的冶金结合，对缺陷进行良好的修复。与喷涂、电镀等修复手段相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
激光熔覆合金粉末主要有镍基、钴基和铁基三大类。镍基粉末由于其合金硬度较低、韧性好、耐磨性好，服役温度区间更大，因此被广泛应用于军工设备、高温化学等领域。钴基合金粉末也有较好的耐蚀性、硬度、耐高温氧化性，在高温、高压的环境下也能保持其优异的性能。而铁基合金粉末主要以铁元素作为主要成分，然后根据需求加入其他合金元素，以获得更好的强硬度、韧性及耐高温氧化性等。
目前针对马氏体耐热铸钢缺陷应用的激光熔覆合金粉末主要为钴基或者镍基，但是其成本高于铁基原料的劣势使其成为了原料选择中的一大问题。而且相比较钴基和镍基合金粉末，铁基原料与马氏体耐热钢成分相近，可以达到很好的冶金结合。因此通过改进铁基合金粉末的成分，使其应用到修复马氏体耐热铸钢缺陷变得尤为重要。
发明内容
本发明目的是解决马氏体耐热铸钢在铸造过程中的缺陷行为。在考虑到成本、冶金结合、相容性等因素对马氏体耐热钢的影响后，采用铁基合金粉末作为熔覆材料。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案一种铁基激光熔覆粉末及激光熔覆方法，由以下原料组成：C：0.005％～0.02％；Cr：12％～18％；Ni：1％～3％；Fe：余量。
进一步的，所述各粉末的质量百分比组成为：C：0.01％；Cr：16.39％；Ni：2.03％；Fe：80.59％。一种铁基激光熔覆粉末，其特征在于：所述各组分为纯度大于99％的粉末，粒径为150～350目。
一种铁基激光熔覆粉末及激光熔覆的方法，其特征在于：采用单道熔覆，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2.5KW，光斑直径：2～5mm，扫速度为250mm/min～400mm/min，离焦量30mm，保护气体：空气，送粉速度：1.1～1.4g/min，送粉气流量为10L/min。
对上述配比及激光熔覆方法采用一种马氏体耐热钢为基材进行实验，所述马氏体耐热钢的化学成分为：
C Si Mn Cr Mo Co
0.1-0.2％ 0.1-0.3％ 0.5-0.8％ 7.5-9.5％ 0.5-2.5％ 0.5-1.5％
V Nb N B Fe
0.05-0.25％ 0.05-0.08％ 0.03-0.06％ 0.01-0.04％ Bal
本发明的优点是：从成本上来讲，铁基合金粉末的价格较镍基、钴基合金更为低廉，其费用是镍基原料的二分之一，是钴基原料的八分之一。而且采买渠道广泛，回收方法便捷，极大的降低了再生产的制造成本。从冶金结合质量上来讲，铁基合金与马氏体耐热钢主要成分相近，二者可在激光热源的影响下达到紧密连接，同时也避免了覆层与基体产生过大的硬度差，保证了试样整体硬度的相对均匀性。而且熔覆层的性能总体上略优于基体，二者电化学行为接近，可以对基体进行良好的保护。
附图说明
图1为案例1中基体材料马氏体耐热钢的金相照片：马氏体。A为铸态组织，B为均质化退火后组织，C为正火后组织，D为回火后组织。
图2为案例1中扫描速度250mm/min下激光熔覆宏观样貌图片。
图3为案例1中扫描速度250mm/min下熔覆层高倍镜下金相组织照片。
图4为案例中不同扫描速度下激光熔覆试样金相照片。A为案例1中扫描速度250mm/min组织，B为案例2中扫描速度300mm/min组织，C为案例3中扫描速度350mm/min组织，D为案例4中扫描速度400mm/min组织。
图5为案例1中扫描速度为250mm/min下熔覆层和基体分别在3.5％NaCl溶液中的阳极动电位极化曲线图。
图6为案例1中扫描速度为250mm/min熔覆层和基体分别在3.5％NaCl中测得的电化学Nyquist谱图。
图7为案例1中扫描速度250mm/min下试样经退火处理后硬度分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明：
制备基体材料：为使基材铸件获得良好的组织结构和力学性能以更好的模拟电站缸体材料的特性，耐热钢各元素的化学成分及其质量百分比为：C：0.1％～0.2％；Si：0.1％～0.3％；Mn：0.5％～0.8％；Cr：7.5％～9.5％；Mo：0.5％～2.5％；Co：0.5％～1.5％；V：0.05％～0.25％；Nb：0.05％～0.08％；N：0.03％～0.06％；B：0.01％～0.04％；Fe：余量。在获得其铸件后需制定合理的热处理优化工艺：均质化退火(1070℃，10h，空冷)—正火(1100℃，5h，空冷)—回火(730℃，2h，空冷)作为基体材料工艺流程的最优参数匹配。如附图1所示，可以看到试样在未经过任何热处理，铸态组织组织成分偏析较为严重，且马氏体板条较为粗大。经过均质化退火之后板条尺寸略有变细。得到了均匀细小的回火马氏体组织，维氏硬度约为250Hv左右，达到所需基体材料性能要求。
对基体材料马氏体耐热钢进行激光熔覆，所述各粉末的质量百分比组成为：C：0.005％～0.02％；Cr：13％～18％；Ni：1％～3％；Fe：余量。采用单道熔覆，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2.5KW，光斑直径为5mm，扫描速度分别为250mm/min～400mm/min，离焦量30mm，保护气体：空气，送粉速度：1.1～1.4g/min，送粉气流量为10L/min。
对激光熔覆试样进行宏观样貌及显微组织观察，判断冶金结合程度。
为保证激光熔覆后得到与基体性能匹配良好的熔覆层，对激光熔覆试样进行去应力退火处理。退火工艺：450℃，1h，空冷。
对激光熔覆试样进行硬度检测，为保证相同位置的对比性，把熔覆区域和过渡区域之间的界面作为起始原点，向涂覆层顶端以及基体底端两个方向分别进行硬度测试，其间隔步长为170μm，每个位置纵向各打10个点，然后取其平均值，观察熔覆层、过渡层及基体硬度范围。
对激光熔覆试样进行电化学行为测试，采用三电极体系，分别测量并观察熔覆层与基体的极化曲线、交流阻抗之间的差异，以讨论腐蚀速率、耐蚀性等规律。
实施例1
对马氏体耐热钢进行激光熔覆。马氏体耐热钢各元素的化学成分及其质量百分比为：C：0.12％；Si：0.21％；Mn：0.79％；Cr：9.02％；Mo：1.05％；Co：0.96％；V：0.20％；Nb：0.063％；N：0.040％；B：0.025％；Fe：余量。激光熔覆：所述各粉末的质量百分比组成为：C：0.01％；Cr：16.39％；Ni：2.03％；Fe：80.59％。采用单道熔覆，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2.5KW，光斑直径为5mm，扫描速度分别为250mm/min，离焦量30mm，保护气体：空气。送粉速度为1.1g/min，送粉气流量为10L/min。
对激光熔覆试样进行宏观形貌观察，如附图2所示，可以看到熔覆层表面较为平整、致密均匀，光洁度较为良好，在单道熔覆的条件下，相邻熔覆焊道搭接度较为适宜，不存在两道重叠较多或者相距较远存在沟坎的情况，说明熔覆合金在基体表面分布均匀，且不会出现表面凹凸不平应力集中的现象。
附图3为扫描速度250mm/min下熔覆层高倍镜下金相组织照片，可以观察到，在熔覆层底部区域，其大部分为平面晶组织，且晶粒细小、致密；往熔覆层方向延伸，与细晶区相邻的为柱状晶组织，此时晶粒尺寸开始变大；在熔覆层的中上部区域，可以观察到组织主要为尺寸比较细小的等轴晶组织组成。
对扫描速度为250mm/min的激光熔覆试样进行显微组织观察，如附图4-A所示，可以看到三区组织均匀，致密良好，中间的过渡层与相邻区域连接紧密，说明熔覆层与基体形成了良好的冶金结合。过渡层分别于熔覆层、基体界面较为清晰，可以清楚的辨别各区域的相对位置。
对扫描速度为250mm/min的试样进行硬度测量。熔覆层硬度范围448～460HV，过渡层硬度范围377～397HV，基体硬度范围252～300HV。
对扫描速度为250mm/min的激光熔覆试样进行电化学行为测试。如附图5所示，可以发现随着腐蚀时间的增长，熔覆层与基体电势差未有明显改变且二者斜率逐渐变小，说明腐蚀速率小于基体，且相差不大。附图6是熔覆层和基体分别在3.5％NaCl中测得的电化学阻抗谱图。由图可见熔覆层的高频端斜率明显大于基体高频端，说明熔覆层的耐腐蚀性能高于基体，可对基体形成了良好的保护，但不会形成较大的电势，造成电偶腐蚀。
实施例2
对马氏体耐热钢进行激光熔覆。马氏体耐热钢各元素的化学成分及其质量百分比为：C：0.12％；Si：0.21％；Mn：0.79％；Cr：9.02％；Mo：1.05％；Co：0.96％；V：0.20％；Nb：0.063％；N：0.040％；B：0.025％；Fe：余量。激光熔覆：所述各粉末的质量百分比组成为：C：0.01％；Cr：16.39％；Ni：2.03％；Fe：80.59％。采用单道熔覆，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2.5KW，光斑直径为5mm，扫描速度分别为300mm/min，离焦量30mm，保护气体：空气。送粉速度为1.1g/min，送粉气流量为10L/min。
对扫描速度为300mm/min的激光熔覆试样进行显微组织观察，如附图4-B所示，可以看到三区组织均匀，致密良好，中间的过渡层与相邻区域连接紧密，说明熔覆层与基体形成了良好的冶金结合。过渡层分别于熔覆层、基体界面较为清晰，可以清楚的辨别各区域的相对位置
实施例3
对马氏体耐热钢进行激光熔覆。马氏体耐热钢各元素的化学成分及其质量百分比为：C：0.12％；Si：0.21％；Mn：0.79％；Cr：9.02％；Mo：1.05％；Co：0.96％；V：0.20％；Nb：0.063％；N：0.040％；B：0.025％；Fe：余量。激光熔覆：所述各粉末的质量百分比组成为：C：0.01％；Cr：16.39％；Ni：2.03％；Fe：80.59％。采用单道熔覆，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2.5KW，光斑直径为5mm，扫描速度分别为350mm/min，离焦量30mm，保护气体：空气。送粉速度为1.3g/min，送粉气流量为10L/min。
对扫描速度为350mm/min的激光熔覆试样进行显微组织观察，如附图4-C所示，可以看到三区组织均匀，致密良好，中间的过渡层与相邻区域连接紧密，说明熔覆层与基体形成了良好的冶金结合。过渡层分别于熔覆层、基体界面较为清晰，可以清楚的辨别各区域的相对位置
实施例4
对马氏体耐热钢进行激光熔覆。马氏体耐热钢各元素的化学成分及其质量百分比为：C：0.12％；Si：0.21％；Mn：0.79％；Cr：9.02％；Mo：1.05％；Co：0.96％；V：0.20％；Nb：0.063％；N：0.040％；B：0.025％；Fe：余量。激光熔覆：所述各粉末的质量百分比组成为：C：0.01％；Cr：16.39％；Ni：2.03％；Fe：80.59％。采用单道熔覆，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2.5KW，光斑直径为5mm，扫描速度分别为400mm/min，离焦量30mm，保护气体：空气。送粉速度为1.3g/min，送粉气流量为10L/min。
对扫描速度为400mm/min的激光熔覆试样进行显微组织观察，如附图4-D所示，可以看到三区组织均匀，致密良好，中间的过渡层与相邻区域连接紧密，说明熔覆层与基体形成了良好的冶金结合。过渡层分别于熔覆层、基体界面较为清晰，可以清楚的辨别各区域的相对位置。
实施例5
对马氏体耐热钢进行激光熔覆。马氏体耐热钢各元素的化学成分及其质量百分比为：C：0.1％；Si：0.1％；Mn：0.5％；Cr：7.5％；Mo：0.5％；Co：0.5％；V：0.05％；Nb：0.05％；N：0.03％；B：0.01％；Fe：余量。激光熔覆：所述各粉末的质量百分比组成为：C：0.005％；Cr：13％；Ni：1％；Fe：85.995％。采用单道熔覆，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2.5KW，光斑直径为5mm，扫描速度分别为300mm/min，离焦量30mm，保护气体：空气。送粉速度为1.2g/min，送粉气流量为10L/min。
激光熔覆试样可以达到组织均匀，致密良好，中间的过渡层与相邻区域连接紧密，熔覆层与基体形成了良好的冶金结合。过渡层分别于熔覆层、基体界面较为清晰，可以清楚的辨别各区域的相对位置
实施例6
对马氏体耐热钢进行激光熔覆。马氏体耐热钢各元素的化学成分及其质量百分比为：C：0.2％；Si：0.3％；Mn：0.8％；Cr：9.5％；Mo：2.5％；Co：1.5％；V：0.25％；Nb：0.08％；N：0.06％；B：0.04％；Fe：余量。激光熔覆：所述各粉末的质量百分比组成为：C：0.02％；Cr：18％；Ni：3％；Fe：78.98％。采用单道熔覆，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2.5KW，光斑直径为5mm，扫描速度分别为250mm/min，离焦量30mm，保护气体：空气。送粉速度为1.3g/min，送粉气流量为10L/min。
激光熔覆试样可以达到组织均匀，致密良好，中间的过渡层与相邻区域连接紧密，熔覆层与基体形成了良好的冶金结合。过渡层分别于熔覆层、基体界面较为清晰，可以清楚的辨别各区域的相对位置。
实施例7
对马氏体耐热钢进行激光熔覆。马氏体耐热钢各元素的化学成分及其质量百分比为：C：0.13％；Si：0.26％；Mn：0.66％；Cr：8.65％；Mo：1.22％；Co：1.02％；V：0.19％；Nb：0.072％；N：0.037％；B：0.026％；Fe：余量。激光熔覆：所述各粉末的质量百分比组成为：C：0.013％；Cr：14.72％；Ni：1.53％；Fe：83.737％。采用单道熔覆，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2.5KW，光斑直径为5mm，扫描速度分别为400mm/min，离焦量30mm，保护气体：空气。送粉速度为1.4g/min，送粉气流量为10L/min。
激光熔覆试样可以达到组织均匀，致密良好，中间的过渡层与相邻区域连接紧密，熔覆层与基体形成了良好的冶金结合。过渡层分别于熔覆层、基体界面较为清晰，可以清楚的辨别各区域的相对位置
本发明公开和提出的一种马氏体耐热铸钢缺陷的补焊粉末及补焊方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (6)

1.一种马氏体耐热铸钢缺陷的补焊粉末，其特征是原料组成及百分含量是：C：0.005％～0.02％；Cr：12％～18％；Ni：1％～3％；Fe：余量。
2.如权利要求1所述的粉末，其特征是原料组成及百分含量是：C：0.01％；Cr：16.39％；Ni：2.03％；Fe：80.59％。
3.如权利要求1所述的粉末，其特征是：所述各组分为纯度大于99％的粉末，粒径为150～350目。
4.利用权利要求1的粉末进行马氏体耐热铸钢缺陷的激光熔覆的方法，其特征在于：将激光熔覆粉末置放于激光熔覆的送粉筒内，通过同步送粉进行激光熔覆得到熔覆层。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是采用单道熔覆，激光功率为2.5KW，光斑直径：2～5mm，扫速度为250mm/min～400mm/min，离焦量30mm，保护气体：空气，送粉速度：1.1～1.4g/min，送粉气流量为10L/min。
6.如权利要求3所述的方法，其特征是所述马氏体耐热钢化学成分为：
C Si Mn Cr Mo Co 0.1-0.2％ 0.1-0.4％ 0.5-0.9％ 7-11％ 0.5-3.5％ 0.5-1.5％ V Nb N B Fe 0.05-0.35％ 0.03-0.08％ 0.01-0.06％ 0.01-0.06％ Bal
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