CN110230050A - 一种激光熔覆用铁基合金粉末及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光熔覆用铁基合金粉末及其制备方法与应用，所述合金粉末由如下质量百分比的组分组成：碳C：0.02～0.05％，铬Cr：0.8～1.2％，硅Si：0.8～1.3％，硼B：0.6～1.0％，锰Mn：0.5～0.6％，镍Ni：10.0～12.0％，钼Mo：0.4～0.5％，余量铁Fe；本发明采用所述合金粉末及其应用方法获得的激光熔覆层，无特殊的工况要求，可在合适的参数下获得具有特定合金元素、性能良好的熔覆层，可实现激光熔覆层表面的Cr含量低于1.5％，且激光熔覆操作过程灵活，重复性一致，效率高，完全可用于9‑12％Cr钢(也适用于其他高Cr超超临界转子材料)转子轴颈激光熔覆表面改性。

Description

一种激光熔覆用铁基合金粉末及其制备方法与应用
(一)技术领域
本发明涉及激光熔覆表面改性技术领域，具体涉及一种适用于9-12％Cr钢汽轮机转子轴颈激光熔覆表面改性的铁基合金粉末及其制备方法与应用。
(二)背景技术
9-12％Cr铁素体耐热钢为超超临界汽轮机转子所采用的材料，具有优良的高温性能和高温抗氧化性能。但随着材料Cr含量的提高，转子钢的导热性变差，轴颈会发生烧熔现象，使得轴颈与轴承之间的摩擦特性变差，容易发生粘着、“拉毛”的异常磨损问题，在转子和轴承合金表面形成深浅、宽窄不一的凹槽，轻则引起轴系异常震动，重则导致转子断裂。
目前一般采用埋弧堆焊方法在基体上堆焊一定厚度合金层，通过控制埋弧堆焊工艺规范和稀释率，获得特定成分的合金层来改善转轴的抗粘着磨损性能，以解决汽轮机轴颈部位摩擦性能恶化问题。但是，埋弧堆焊稀释率较大，堆焊时前三层一般用来降低稀释率，在离开母材表面10～16mm处，Cr含量才低于2％，接近堆焊填充金属1CrMo的原始成分，该处的耐磨性能优于母材。
激光熔覆作为一种先进的表面改性技术，相较于埋弧堆焊等传统技术，具有冷速快、热输入少、热影响区小、基体变形小、稀释度低等优点。因此，可通过该技术来替代传统技术，减少熔覆层数，节约工时和材料，提高转子轴颈表面改性效率。
此外，在激光熔覆用合金粉末体系中，铁基自熔性合金粉末具有成本低，抗磨性能好，成分与铸铁、低碳钢等基体合金接近，相容性好，界面结合牢固等优点，故发明一种成本适中、应用效果显著、含有特定合金元素、适用于9～12％Cr材料超超临界汽轮机转子轴颈激光熔覆表面改性的铁基合金粉末，是极其必要的。
(三)发明内容
本发明目的是提供一种含有特定合金元素、成本适中、应用效果显著、效率高、适用于9-12％Cr钢材料的汽轮机转子轴颈激光熔覆表面改性的铁基合金粉末及其制备方法与应用，以改善9-12％Cr钢转子轴颈表面的抗粘着磨损性能，防止转子轴颈在高速旋转过程中发生的异常磨损问题。
本发明的技术方案如下：
一种激光熔覆用铁基合金粉末，由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.02～0.05％，铬Cr：0.8～1.2％，硅Si：0.8～1.3％，硼B：0.6～1.0％，锰Mn：0.5～0.6％，镍Ni：10.0～12.0％，钼Mo：0.4～0.5％，余量铁Fe。
优选的，所述激光熔覆用铁基合金粉末由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.045％，铬Cr：0.8％，硅Si：0.8％，硼B：0.6％，锰Mn：0.5％，镍Ni：10.0％，钼Mo：0.4％，铁Fe：86.855％。
同样优选的，所述激光熔覆用铁基合金粉末由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.05％，铬Cr：1.2％，硅Si：1.3％，硼B：1.0％，锰Mn：0.6％，镍Ni：12.0％，钼Mo：0.5％，铁Fe：83.35％。
本发明所述铁基合金粉末成分设计原理为：
碳C：0.02％～0.05％
碳会和其它合金元素形成碳化物硬质相。碳化物容易在晶界处聚集，碳含量过高，析出的碳化物增多，熔覆层裂纹敏感性增强。同时考虑到熔覆层的硬度应与基体硬度相近，因此，将碳含量设定为0.02％～0.05％。
铬Cr：0.8％～1.2％
为了获得Cr含量低于2％的激光熔覆层，将Cr含量设定为0.8％～1.2％，过低将会影响激光熔覆熔覆层工艺性能，过高将难以达到降低Cr含量低于2％的目的。
硅Si：0.8％～1.3％
在激光熔覆中，硅可以降低合金粉末的熔点，提高熔池的流动性和对基体的润湿性，并与氧和硼结合形成硼硅酸盐覆盖于熔池表面，起到脱氧造渣的作用，以避免熔覆层的氧化。硅含量过低，起不到脱氧造渣的作用，过高则熔覆层中残余硅含量增大，熔覆层裂纹敏感性增强，机械性能变差，同时硅和硼的作用是相互关联的，硅含量要结合硼含量设定。因此，作为一种激光熔覆用合金粉末，硅含量设定为0.8％～1.3％。
硼B：0.6％～1.0％
在激光熔覆过程中，硼与硅联合起到脱氧造渣的作用，同时，硼可以提高熔覆层硬度。但是硼含量太高会显著降低熔覆层韧性，太低起不到脱氧造渣的作用，考虑到硅的含量，设定硼含量为0.6％～1.0％。
锰Mn：0.5％～0.6％
锰可以固溶在铁素体中，起到固溶强化作用，适当提高熔覆层的强度和硬度，但锰含量过高，在激光再制造过程中易与氧结合形成氧化物滞留在熔覆层中，形成夹杂，降低熔覆层的力学性能。因此，设定锰含量0.5％～0.6％。
钼Mo：0.4％～0.5％
钼的热膨胀系数小，导热性好，在熔覆层中加入，可以使熔覆层的强度、韧性、耐热性大幅度提高，过多则容易在晶界上偏析，降低晶界结合强度。因此，设定钼含量0.4％～0.5％。
镍Ni：10.0％～12.0％
镍可以溶解很多的合金元素，且与Fe可以形成共格有序的金属间化合物，使熔覆层具有更高的高温强度和韧性，因此设定镍含量为10.0％～12.0％。
本发明所述铁基合金粉末的粒度介于-140～+325目之间，含氧量低于600ppm，基于数量方面的空心粉率低于3％。
本发明所述铁基合金粉末的制备方法为：
按照配方，将各组分原料混合，加热熔融后，在真空雾化室进行气雾化，得到雾化粉末，之后分别利用140目(109μm)和320目(45μm)系列标准筛对雾化粉末进行筛分，获得140～320目之间的成品铁基合金粉末；
所述气雾化的工艺参数为：雾化介质N2、熔炼温度1600℃、过热度150℃、保温温度1300℃、气体压力7MPa。
本发明还提供了所述铁基合金粉末在9-12％Cr钢汽轮机转子轴颈激光熔覆表面改性中的应用。
具体的，所述应用的方法包括如下步骤：
(a)将待熔覆转子轴颈表面整体切削(切削深度为0.1～1mm，优选0.5mm)，使用丙酮清洗切削后的转子轴颈，去油去污；
(b)将所述铁基合金粉末置于烘箱中，于100～200℃保温直至烘干；
(c)将整体切削后的待熔覆转子轴颈置于激光器下，使用载气送粉装置向待熔覆转子轴颈表面均匀送入所述铁基合金粉末，激光器射出激光束辐照于转子轴颈表面并熔化所述铁基合金粉末，根据预设轨迹，使得铁基合金粉末连续熔覆于所述待熔覆转子轴颈表面，形成熔覆层；
所述激光器光斑时，激光器功率为2500～4500W，激光扫描速度为60～600mm/min；
所述载气送粉装置使用的气体为氩气(Ar)，所述铁基合金粉末的送粉速率为10～25g/min，送粉方式为同步同轴输送；
所述熔覆层单层厚度介于0.5～1.5mm之间，覆道次之间的搭接率为40％～60％(优选50％)；
(d)完成预设范围工件表面的连续熔覆后，将其车削至目标尺寸。
本发明的有益效果在于：采用所述合金粉末及其应用方法获得的激光熔覆层，无特殊的工况要求，可在合适的参数下获得具有特定合金元素、性能良好的熔覆层，可实现激光熔覆层表面的Cr含量低于1.5％，且激光熔覆操作过程灵活，重复性一致，效率高，完全可用于9-12％Cr钢(也适用于其他高Cr超超临界转子材料)转子轴颈激光熔覆表面改性。
(四)附图说明
图1为实施例3代表性熔覆层金相图片，激光功率至3000W，扫描速度为240mm/s，送粉量为25g/min，送粉载气流量为10L/min，搭接率为50％；
图2为实施例4代表性熔覆层金相图片，激光功率至3500W，扫描速度为450mm/min，送粉量为20g/min，送粉载气流量为10L/min，搭接率为40％；
图3为实施例5合金粉末含氧量650ppm代表性熔覆层中的气孔图片；
图4为实施例5合金粉末含氧量980ppm代表性熔覆层中的气孔图片；
图5为实施例5合金粉末基于数量方面的空心粉率4％时代表性熔覆层中的气孔图片；
图6为实施例5合金粉末基于数量方面的空心粉率10％时代表性熔覆层中的气孔图片；
图7为实施例5合金粉末基于数量方面的空心粉率10％时代表性熔覆层中的裂纹缺陷图片。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细描述，实施例仅用于说明本发明，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1用于9-12％Cr钢汽轮机转子轴颈激光熔覆表面改性的铁基合金粉末
本实施例激光熔覆合金粉末各组分的质量百分比为：
碳C：0.045％，铬Cr：0.8％，硅Si：0.8％，硼B：0.6％，锰Mn：0.5％，镍Ni：10.0％，钼Mo：0.4％，铁Fe：86.855％。合金粉末含氧量326ppm，基于数量方面的空心粉率2％。
制备方法为：
按照配方，将各组分原料混合，加热熔融后，在真空雾化室进行气雾化，得到雾化粉末，之后分别利用140目(109μm)和320目(45μm)系列标准筛对雾化粉末进行筛分，获得140～320目之间的成品合金粉末。合金粉末雾化工艺参数见表1：
表1合金粉末雾化工艺参数
实施例2用于9-12％Cr钢汽轮机转子轴颈激光熔覆表面改性的铁基合金粉末
本实施例宽带(光斑)激光熔覆合金粉末各组分的质量百分比为：
碳C：0.05％，铬Cr：1.2％，硅Si：1.3％，硼B：1.0％，锰Mn：0.6％，镍Ni：12.0％，钼Mo：0.5％，铁Fe：83.35％。合金粉末含氧量600ppm，基于数量方面的空心粉率3％。
制备方法同实施例1。
实施例3激光熔覆所述铁基合金粉末的应用方法
采用实施例1所述的用于9-12％Cr钢汽轮机转子轴径激光熔覆表面改性的铁基合金粉末，采用的激光器光斑为2mm×12mm的光斑。
(1)对转子轴颈部位进行整体车削加工，车削深度为单边0.5mm，用丙酮清洗切削后的转子轴颈，去油去污；
(2)将整体切削后的待熔覆转子轴颈置于激光器下，调整激光器位置至待加工区域；
(3)将实施例1所述的用于9-12％Cr钢汽轮机转子轴颈激光熔覆表面改性的铁基合金粉末100℃～200℃保温直至烘干后放入送粉器中；
(4)将激光工艺参数设定如下：
a)激光功率至2600W，扫描速度为60mm/min，送粉量为10g/min，送粉载气流量为10L/min，搭接率为50％。
b)激光功率至2800W，扫描速度为150mm/min，送粉量为15g/min，送粉载气流量为10L/min，搭接率为50％。
c)激光功率至3000W，扫描速度为240mm/s，送粉量为25g/min，送粉载气流量为10L/min，搭接率为50％。
(5)根据实际需要重复熔覆多层至超过目标尺寸并留有加工余量，余量优选0.5mm；
(6)采用车床车削至目标尺寸。
经着色探伤未见裂纹显像，熔覆层组织致密，无气孔、夹杂、裂纹等缺陷。对熔覆层取样进行EDS分析，在未考虑原子序数8之前的元素时，第二层熔覆层的Cr含量已低于1.5％，熔覆层顶部的元素已基本接近所设计合金粉末的原始成分。采用维氏显微硬度计，熔覆层底部最高硬度为390Hv0.3，随着层数增加，硬度会有下降趋势，4层之后硬度便几乎无变化，熔覆层顶部硬度最低降至340Hv0.3。
进行了大量试验后，择优选取激光熔覆工艺参数如表2所示，在表2所述激光熔覆工艺参数之下均可获得满意的熔覆层。
表2激光熔覆实施例1合金粉末较优工艺参数
实施例4光斑激光熔覆所述铁基合金粉末的应用方法
采用实施例2所述的用于9-12％Cr钢汽轮机转子轴颈激光熔覆表面改性的铁基合金粉末，采用的激光器光斑为直径4mm的光斑。
(1)对转子轴颈部位进行整体车削加工，车削深度为单边0.5mm，用丙酮清洗切削后的转子轴颈，去油去污；
(2)将整体切削后的待熔覆转子轴颈置于激光器下，调整激光器位置至待加工区域；
(3)将实施例2所述的用于9-12％Cr钢汽轮机转子轴颈激光熔覆表面改性的铁基合金粉末100℃～200℃保温直至烘干后放入送粉器中；
(4)将激光工艺参数设定如下：
a)激光功率至2500W，扫描速度为300mm/min，送粉量为10g/min，送粉载气流量为10L/min，搭接率为40％。
b)激光功率至3500W，扫描速度为450mm/min，送粉量为20g/min，送粉载气流量为10L/min，搭接率为40％。
c)激光功率至4500W，扫描速度为600mm/min，送粉量为25g/min，送粉载气流量为10L/min，搭接率为40％。
(5)根据实际需要重复熔覆多层至超过目标尺寸并留有加工余量，余量优选0.5mm；
(6)采用车床车削至目标尺寸。
经着色探伤未见裂纹显像，熔覆层组织致密，无气孔、夹杂、裂纹等缺陷。对熔覆层进行EDS分析，在未考虑原子序数8之前的元素时，熔覆层第二层的Cr含量已低于1.37％，熔覆层顶部的元素已基本接近所设计合金粉末的原始成分。采用维氏显微硬度计，熔覆层底部最高硬度为390Hv0.3，随着层数增加，硬度会有下降趋势，4层之后硬度便几乎无变化，熔覆层顶部硬度最低降至350Hv0.3。
进行了大量试验后，择优选取激光熔覆工艺参数如表3所示，在表3所述激光熔覆工艺参数之下均可获得满意的熔覆层。
表3激光熔覆实施例3合金粉末较优工艺参数
以上实施例，为本发明较佳的实施方式，可以获得组织致密，无气孔、夹杂、裂纹等缺陷的熔覆层，同时能够减少熔覆层数，两层以后，熔覆层Cr含量已基本接近所设计合金粉末的原始成分，可很大程度的节约工时和材料，提高转子轴颈表面改性效率，具有较好的应用前景。
实施例5
为了说明所述铁基合金粉末含氧量及基于数量方面的空心粉率限定，结合具体图片来阐述：当所述合金粉末含氧量较高时，氧容易与其他元素反应生成气孔缺陷，如图3所示为合金粉末含氧量650ppm时熔覆层中的气孔，如图4所示为合金粉末含氧量980ppm时熔覆层中的气孔，含氧量越高，形成的气孔越多；当所述合金粉末基于数量方面的空心粉率高于3％时，空心粉颗粒中的气体不能完全逸出熔池，也会在熔覆层中形成气孔，严重时还会因气孔产生裂纹缺陷，如图5为基于数量方面的空心粉率4％时熔覆层中的气孔，如图6、7为基于数量方面的空心粉率10％时熔覆层中的气孔及裂纹，基于数量方面的空心粉率越高，气孔越多，裂纹越敏感。
以上所述，详细说明了本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于此，在本发明实施例的技术范围内，所作的任何修改、等同替换等，都应涵盖在本发明的保护范围之内，例如：本发明的激光熔覆用合金粉末也可用于其它高Cr超临界及超超临界汽轮机转子轴颈的激光熔覆表面改性上。

Claims (6)

1.一种激光熔覆用铁基合金粉末，其特征在于，由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.02～0.05％，铬Cr：0.8～1.2％，硅Si：0.8～1.3％，硼B：0.6～1.0％，锰Mn：0.5～0.6％，镍Ni：10.0～12.0％，钼Mo：0.4～0.5％，余量铁Fe。
2.如权利要求1所述的激光熔覆用铁基合金粉末，其特征在于，所述激光熔覆用铁基合金粉末由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.045％，铬Cr：0.8％，硅Si：0.8％，硼B：0.6％，锰Mn：0.5％，镍Ni：10.0％，钼Mo：0.4％，铁Fe：86.855％。
3.如权利要求1所述的激光熔覆用铁基合金粉末，其特征在于，所述激光熔覆用铁基合金粉末由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.05％，铬Cr：1.2％，硅Si：1.3％，硼B：1.0％，锰Mn：0.6％，镍Ni：12.0％，钼Mo：0.5％，铁Fe：83.35％。
4.如权利要求1所述的激光熔覆用铁基合金粉末的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：
按照配方，将各组分原料混合，加热熔融后，在真空雾化室进行气雾化，得到雾化粉末，之后分别利用140目和320目系列标准筛对雾化粉末进行筛分，获得140～320目之间的成品铁基合金粉末；
所述气雾化的工艺参数为：雾化介质N2、熔炼温度1600℃、过热度150℃、保温温度1300℃、气体压力7MPa。
5.如权利要求1所述的激光熔覆用铁基合金粉末在9-12％Cr钢汽轮机转子轴颈激光熔覆表面改性中的应用。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述应用的方法包括如下步骤：
(a)将待熔覆转子轴颈表面整体切削，切削深度为0.1～1mm，使用丙酮清洗切削后的转子轴颈，去油去污；
(b)将所述铁基合金粉末置于烘箱中，于100～200℃保温直至烘干；
(c)将整体切削后的待熔覆转子轴颈置于激光器下，使用载气送粉装置向待熔覆转子轴颈表面均匀送入所述铁基合金粉末，激光器射出激光束辐照于转子轴颈表面并熔化所述铁基合金粉末，根据预设轨迹，使得铁基合金粉末连续熔覆于所述待熔覆转子轴颈表面，形成熔覆层；
所述激光器光斑时，激光器功率为2500～4500W，激光扫描速度为60～600mm/min；
所述载气送粉装置使用的气体为氩气，所述铁基合金粉末的送粉速率为10～25g/min，送粉方式为同步同轴输送；
所述熔覆层单层厚度介于0.5～1.5mm之间，覆道次之间的搭接率为40％～60％；
(d)完成预设范围工件表面的连续熔覆后，将其车削至目标尺寸。
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