CN109954885A - 一种增材制造用复合粉末及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种增材制造用复合粉末及其制备方法，本发明所述的增材制造用复合粉末，采用稀土粉末与镍基合金粉末进行混合，本发明通过优选稀土和镍基粉末合金的用量，以及镍基粉末合金的组成成分，可有效提升最终涂层的均匀性和致密性。本发明所述的增材制造用复合粉末在制备时，采用水玻璃作为粘结剂，将不同粒度、密度的功能粉末粘结在一起，然后再进行机械搅拌至混合均匀。水玻璃中含有一定量的碱金属氧化物和二氧化硅，为焊材生产中极为广泛的粘结剂，成本低，来源广泛。在喷焊或熔覆过程中，作为粘结剂的水玻璃转变成硼硅酸盐，以渣的形式浮出熔化金属，并保护金属免受空气的氧化。

Description

一种增材制造用复合粉末及其制备方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体涉及一种喷焊或熔覆用复合功能粉末及其制备方法。
背景技术
增材制造是采用材料逐渐累加的方法制造或增强实体零件的技术，相对于传统的机械加工方法，它是一种自下而上的制造工艺。这一技术不需要传统的刀具、夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，可实现自由制造。
对于增材制造的零部件，为了增强零部件的性能，如耐蚀性、耐磨性、耐高温性能等特殊性能要求，往往需要在复杂的零部件外表面喷焊或是熔覆相应的功能涂层。而当服役环境对零部件表面提出兼具两种或更多种性能要求时，往往需要把喷焊或熔覆粉末进行混合使用。如稀土粉末和合金粉末混合时，适量加入的稀土就可有效提高喷焊层的耐蚀性和耐磨性。
但是这种粉末的混合存在的技术问题在于，由于不同功能的粉末可能存在粒度和密度上的差异，将多种复合粉末混合时往往难以保证粉末的均匀性，而且火焰喷焊或激光熔覆的工艺性也会变差，最终导致功能层的性能难以保障。因此，如何探索一种更加优良的复合粉末，提高喷焊或者熔覆层的均匀性和功能性，这是本领域急需解决的技术问题。
发明内容
本发明解决的是现有技术在喷焊或熔覆增材制造零部件的表面复合粉末功能涂层时，因多种复合粉末混合时往往难以保证粉末的均匀性，从而导致功能涂层的性能较差的技术问题，进而提供一种能够均匀喷焊或熔覆的增材制造用复合粉末及其制备方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种增材制造用复合粉末，由如下重量份的原料制备而成：镍基合金粉末，98-99重量份；所述镍基合金粉末的成分组成为：C，0.45-0.52wt％；Si，2.8-3.2wt％；B，2.8-3.2wt％；Cr，11.6-12.4wt％；Fe，含量小于或等于5wt％；余量为Ni及不可避免的杂质；稀土粉末，1-1.5重量份。
所述镍基合金粉末为99重量份；所述镍基合金粉末的成分组成为：C，0.5wt％；Si，3wt％；B，3wt％；Cr，12wt％；Fe，含量小于或等于5wt％；余量为Ni及不可避免的杂质。
所述稀土粉末为1重量份；所述稀土粉末为La2O3稀土粉末。
所述镍基合金粉末的粒径范围为48～106μm；所述La2O3稀土粉末的粒径范围为5～10μm。
所述的增材制造用复合粉末的制备方法，包括：(1)称取特定重量份的所述镍基合金粉末和稀土粉末并混合；(2)按照粉末的质量和水玻璃稀释液的体积比为(10-12)g：1ml的比例，向步骤(1)制备得到的混合粉末中添加水玻璃稀释液并搅拌均匀；(3)采用真空炉对步骤(2)制备得到的液体进行烘干；(4)将烘干后的粉末放入研钵进行捣碎，过筛后即得到所述增材制造用复合粉末。
所述水玻璃稀释液的制备方法为：将水玻璃与水按照体积比为1：(10-15)的比例进行混合并搅拌均匀，即得到所述水玻璃稀释液。
步骤(3)中采用真空炉对所述液体进行烘干时的烘干温度为120℃，时间为2h。
步骤(4)中将烘干后的粉末放入研钵进行捣碎后，过150目筛。
本发明所述的增材制造用复合粉末及其制备方法的优点在于：
本发明所述的增材制造用复合粉末，采用稀土粉末与镍基合金粉末进行混合，本领域公知的是稀土粉末可有效提高功能涂层的耐蚀性和耐磨性，但同时由于稀土和镍基合金粉末的密度等性质存在较大的差异，因此二者粘合容易导致功能涂层不均匀、易产生气泡。本发明通过优选稀土和镍基粉末合金的用量，以及镍基粉末合金的组成成分，可有效提升最终涂层的均匀性和致密性。
本发明所述的增材制造用复合粉末在制备时，采用水玻璃作为粘结剂，将不同粒度、密度的功能粉末粘结在一起，然后再进行机械搅拌至混合均匀。水玻璃中含有一定量的碱金属氧化物和二氧化硅，为焊材生产中极为广泛的粘结剂，成本低，来源广泛。在喷焊或熔覆过程中，作为粘结剂的水玻璃转变成硼硅酸盐，以渣的形式浮出熔化金属，并保护金属免受空气的氧化。
为了使本发明所述的增材制造用复合粉末及其制备方法的技术方案更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图对本发明中的技术方案进行进一步的描述。
附图说明
如图1所示是本发明实施例2中的复合粉末制备得到的熔覆层的扫描电镜图；
如图2所示是本发明对比例中的复合粉末制备得到的熔覆层的扫描电镜图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
下述实施例中的1重量份为1g。
实施例1
本实施例中的增材制造用复合粉末，由如下重量份的原料制备而成：
镍基合金粉末，98重量份，所述镍基合金粉末的粒径范围为48～106μm；所述镍基合金粉末的成分组成为：C，在所述镍基合金粉末中的含量为0.45wt％；Si，在所述镍基合金粉末中的含量为2.8wt％；B，在所述镍基合金粉末中的含量为2.8wt％；Cr，在所述镍基合金粉末中的含量为11.6wt％；Fe，在所述镍基合金粉末中的含量为5wt％；余量为Ni及不可避免的杂质；所述不可避免的杂质在所述镍基合金粉末中的含量低于1wt％。
稀土粉末，1重量份，述稀土粉末为La2O3稀土粉末，所述La2O3稀土粉末的粒径范围为5～10μm。
本实施例中所述的增材制造用复合粉末的制备方法，包括：(1)称取特定重量份的所述镍基合金粉末和La2O3稀土粉末并进行机械混合，本实施例中所述机械混合采用的是搅拌混合，对完成搅拌混合后的粉末进行过筛处理；(2)按照粉末的质量和水玻璃稀释液的体积比为12g：1ml的比例，向步骤(1)制备得到的混合粉末中添加水玻璃稀释液并搅拌均匀；(3)采用真空炉对步骤(2)制备得到的液体进行烘干，烘干温度为120℃，时间为2h。(4)将烘干后的粉末放入研钵进行捣碎，过150目筛后即得到所述增材制造用复合粉末。
本实施例中所述水玻璃稀释液的制备方法为：将水玻璃与水按照体积比为1：15的比例进行混合并搅拌均匀，即得到所述水玻璃稀释液。
本实施方式中步骤(1)中对完成搅拌混合后的粉末进行过筛处理，目的在于筛出搅拌混合后形成的粘结颗粒，因此过筛时采用的筛孔的孔径优选与所述金属粉末或稀土粉末的粒径范围相匹配，本实施方式中镍基合金粉末的粒径范围为48～106μm，其最大粒径值106μm对应的筛孔的目数为300目，因此本实施例中步骤(1)对完成搅拌混合后的粉末过300目筛处理，使得粘结后的颗粒无法通过，过筛后的粉末用于步骤(2)中的操作。
实施例2
本实施例中提供的增材制造用复合粉末，由如下重量份的原料制备而成：
镍基合金粉末，99重量份；本实施例中采用的镍基合金粉末为Ni50自熔合金粉末，所述镍基合金粉末的粒径范围为48～106μm；所述镍基合金粉末的成分组成为：C，在所述镍基合金粉末中的含量为0.5wt％；Si，在所述镍基合金粉末中的含量为3wt％；B，在所述镍基合金粉末中的含量为3wt％；Cr，在所述镍基合金粉末中的含量为12wt％；Fe，在所述镍基合金粉末中的含量为3.1wt％；余量为Ni及不可避免的杂质，所述不可避免的杂质在所述镍基合金粉末中的含量低于1wt％。
所述稀土粉末为1重量份；所述稀土粉末为La2O3稀土粉末，所述La2O3稀土粉末的粒径范围为5～10μm。
本实施例中所述的增材制造用复合粉末的制备方法，包括：(1)称取特定重量份的所述镍基合金粉末和La2O3稀土粉末并进行机械混合，本实施例中所述机械混合采用的是搅拌混合，完成搅拌混合后的粉末过300目筛处理；(2)按照粉末的质量和水玻璃稀释液的体积比为10g：1ml的比例，向步骤(1)制备得到的混合粉末中添加水玻璃稀释液并搅拌均匀；(3)采用真空炉对步骤(2)制备得到的液体进行烘干；烘干温度为120℃，时间为2h。(4)将烘干后的粉末放入研钵进行捣碎，过150目筛后即得到所述增材制造用复合粉末。
本实施例中所述水玻璃稀释液的制备方法为：将水玻璃与水按照体积比为1：10的比例进行混合并搅拌均匀，即得到所述水玻璃稀释液。
实施例3
本实施例中提供的增材制造用复合粉末，由如下重量份的原料制备而成：
镍基合金粉末，99重量份；所述镍基合金粉末的粒径范围为24～56μm；所述镍基合金粉末的成分组成为：C，在所述镍基合金粉末中的含量为0.52wt％；Si，在所述镍基合金粉末中的含量为3.2wt％；B，在所述镍基合金粉末中的含量为3.2wt％；Cr，在所述镍基合金粉末中的含量为12.4wt％；Fe，在所述镍基合金粉末中的含量为2.1wt％；余量为Ni及不可避免的杂质，所述不可避免的杂质在所述镍基合金粉末中的含量低于1wt％。
所述稀土粉末为1重量份；所述稀土粉末为La2O3稀土粉末，所述La2O3稀土粉末的粒径范围为5～10μm。
本实施例中所述的增材制造用复合粉末的制备方法，包括：(1)称取特定重量份的所述镍基合金粉末和La2O3稀土粉末并进行机械混合，本实施例中所述机械混合采用的是搅拌混合；(2)按照粉末的质量和水玻璃稀释液的体积比为10g：1ml的比例，向步骤(1)制备得到的混合粉末中添加水玻璃稀释液并搅拌均匀；(3)采用真空炉对步骤(2)制备得到的液体进行烘干；烘干温度为120℃，时间为2h。(4)将烘干后的粉末放入研钵进行捣碎，过150目筛后即得到所述增材制造用复合粉末。
本实施例中所述水玻璃稀释液的制备方法为：将水玻璃与水按照体积比为1：10的比例进行混合并搅拌均匀，即得到所述水玻璃稀释液。
实验例
为进一步证明本发明所述的增材制造用复合粉末的技术效果，本实施例设置以下实验：
设置三组不锈钢试件，所述不锈钢试件的尺寸为50mm×50mm×10mm，材质为Q235钢，对所述不锈钢试件的表面进行喷砂处理，以去除表面油污、氧化皮和/或铁锈。
采用预置粉末激光熔覆法将复合粉末熔覆在所述试件上，即将实施例1-3制备得到的三种合金粉末分别预置于三组试件上，用DL-HL-T5000型激光加工成套设备对已预置合金粉末的试样表面进行激光扫描，光斑尺寸为10mm×1mm，离焦量为83mm，预置粉末厚度为1mm，DPSF-2型送粉器进行气动送粉。激光熔覆功率为3400W，扫描速度为200mm/min。熔覆完成后进行熔覆层的宏观和微观形貌观察，并以普通机械混粉方法所得熔覆层为对比。
对熔覆层的宏观形貌进行观察，发现采用本实施例1-3中的复合粉末制备得到的激光熔覆层表面光滑无波纹，形成质量更好。
使用扫描电镜对熔覆层表面的微观形貌进行观察，其微观组织也更为均匀，如图1所示是本发明中实施例2中的复合粉末制备得到的熔覆层的微观形貌图。
对比例
为进一步证明本发明所述的增材制造用复合粉末的技术效果，设置如下对比例：
本对比例中提供的增材制造用复合粉末的原料组成完全同实施例2。但本对比例中所述复合粉末的制备方法仅将所述镍基合金粉末和La2O3稀土粉末进行机械混合，搅拌后过300目筛处理。
采用预置粉末激光熔覆法即将本对比例中的复合粉末熔覆在不锈钢试件上，所述预置粉末激光熔覆法同上述实验例，本对比例使用的所述不锈钢试件同实验例相同。
对熔覆层的宏观形貌进行观察，发现对比例中的复合粉末制备得到的激光熔覆层表面有波纹，平整程度较差。
使用扫描电镜对熔覆层表面的微观形貌进行观察，如图2所示是本对比例中的复合粉末制备得到的熔覆层的微观形貌图，从图中可以看出，其微观组织与实施例中的熔覆层相比较为粗糙，
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，任何熟悉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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种增材制造用复合粉末，其特征在于，由如下重量份的原料制备而成：
镍基合金粉末，98-99重量份；
所述镍基合金粉末的成分组成为：C，0.45-0.52wt％；Si，2.8-3.2wt％；B，2.8-3.2wt％；Cr，11.6-12.4wt％；Fe，含量小于或等于5wt％；余量为Ni及不可避免的杂质；
稀土粉末，1-1.5重量份。
2.根据权利要求1所述的增材制造用复合粉末，其特征在于，所述镍基合金粉末为99重量份；所述镍基合金粉末的成分组成为：C，0.5wt％；Si，3wt％；B，3wt％；Cr，12wt％；Fe，含量小于或等于5wt％；余量为Ni及不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的增材制造用复合粉末，其特征在于，所述稀土粉末为1重量份；所述稀土粉末为La2O3稀土粉末。
4.根据权利要求3所述的增材制造用复合粉末，其特征在于，所述镍基合金粉末的粒径范围为48～106μm；所述La2O3稀土粉末的粒径范围为5～10μm。
5.权利要求1-4所述的增材制造用复合粉末的制备方法，其特征在于，包括：
(1)称取特定重量份的所述镍基合金粉末和稀土粉末并混合；
(2)按照粉末的质量和水玻璃稀释液的体积比为(10-12)g：1ml的比例，向步骤(1)制备得到的混合粉末中添加水玻璃稀释液并搅拌均匀；
(3)采用真空炉对步骤(2)制备得到的液体进行烘干；
(4)将烘干后的粉末放入研钵进行捣碎，过筛后即得到所述增材制造用复合粉末。
6.根据权利要求5所述的增材制造用复合粉末的制备方法，其特征在于，所述水玻璃稀释液的制备方法为：将水玻璃与水按照体积比为1：(10-15)的比例进行混合并搅拌均匀，即得到所述水玻璃稀释液。
7.根据权利要求6所述的增材制造用复合粉末的制备方法，其特征在于，步骤(3)中采用真空炉对所述液体进行烘干时的烘干温度为120℃，时间为2h。
8.根据权利要求7所述的增材制造用复合粉末的制备方法，其特征在于，步骤(4)中将烘干后的粉末放入研钵进行捣碎后，过150目筛。
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