CN110344053B - 一种高强贝氏体钢激光修复用合金粉末及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强贝氏体钢激光修复用合金粉末其及其制备方法，属于合金粉末材料科学技术领域，合金粉末各成分及其质量百分比如下：C：0.25~0.85%，Si：0.8~3.5%，Mn：0.5~1.5%，Cr：0.5~2.0%，Ni：0~2.0%，Al：0~3%，Mo：0.1~1.5%，Fe：余量；制备方法：1）按所述的各组分质量百分比，考虑元素烧损，称取原料放入真空熔炼炉中完全熔化；2）将上述熔融合金溶液倒入雾化塔，利用惰性气体进行气雾化，溶液被惰性气体击碎并冷却后得到合金粉末；3）用筛粉机选出目标颗粒粒径的合金粉末。本发明使合金粉末弄够用于高强贝氏体钢的表面以及体积损伤修复，且修复后试样熔覆层与基材界面组织与性能过渡良好，修复层无裂纹夹渣，贝氏体组织相较于基体更加细小，硬度在390~550Hv之间。

Description

一种高强贝氏体钢激光修复用合金粉末及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于高强贝氏体钢激光修复的合金粉末及其制备方法，属于合金粉末材料科学技术领域。
背景技术
贝氏体钢属于新型高强钢，在保证高强度的同时拥有优良的塑韧性，综合性能优异，广泛用于航空航天、船舶、核电、国防等领域关重件的制造。这类零部件服役环境通常比较恶劣，易在服役过程中因磨损、腐蚀、疲劳等因素造成表面损伤以及体积损伤，导致零件失效。另外，零件制造过程中不可避免的会出现误加工，造成零件报废。高强贝氏体钢零件往往制造成本高昂，直接报废将造成巨大的经济损失和资源浪费，如果能够将服役及制造过程损伤的零件进行修复，则可有效避免资源浪费，提高经济效益，符合国家绿色制造发展战略。
贝氏体钢零部件常用的修复方式有堆焊、热喷涂、电镀等方法。贝氏体钢焊接性能较差，堆焊修复层性能往往难以满足使用需求，且热影响区较大，性能劣化严重，另外，堆焊能量输入高，容易引起部件较大的变形，造成修复零件报废；热喷涂和电镀等方式仅适用于表面修复，多用来制备耐磨耐蚀涂层，其结合力较低，经常难以满足零件服役要求。激光修复技术使用高能激光束快速熔化金属表面和其上的修复用合金粉末、经快速凝固后形成与基体具有牢固冶金结合的熔覆层，具有高冷速、畸变小、原料消耗少且修复过程易于实现自动化等优点，有望实现贝氏体钢零部件损伤的高质量高效率修复。
目前激光修复专用合金粉末较少，高强度贝氏体钢激光修复专用粉末未见报道，普遍沿用传统的热喷涂粉末体系。高强贝氏体钢零部件要求具有高强度、高韧性、适当的硬度，现有合金粉末制备修复层在保证强度的条件下，往往难以保证塑韧性，且修复层缺陷较多，裂纹扩展门槛值较低，无法满足零件服役要求；另外，修复层同基体组织性能匹配性差，结合区性能往往难以保证，服役过程容易出现剥落。如果要使修复层同时具有高强度和高塑韧性，且与基体结合良好，成功实现受损高强贝氏体钢零件的激光修复，就需要开发一种专用于高强贝氏体钢激光修复的合金粉末。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种高强贝氏体钢激光修复合金粉末及其制备方法，以解决现有技术修复层强度低、塑韧性差，界面匹配性差等问题。
本发明采取的技术方案为：一种高强贝氏体钢激光修复用合金粉末，包括以下组分及其质量百分比：C：0.25～0.85％，Si：0.8～3.5％，Mn：0.5～1.5％，Cr：0.5～2.0％，Ni：0～2.0％，Al：0～3％，Mo：0.1～1.5％，Fe：余量。
优选的，上述高强贝氏体钢激光修复用合金粉末，包括以下组分及其质量百分比：C：0.29％；Si：1.5％；Mn：1.5％；Cr：0.96％；Ni：1.2％；Al：1.0％；Mo：0.5％；Fe：余量。
优选的，上述高强贝氏体钢激光修复用合金粉末，包括以下组分及其质量百分比：C：0.60％，Si：2.5％，Mn：1.5％，Cr：2.0％，Ni：2.0％，Al：1.2％，Mo：1.5％，Fe：余量。
高强贝氏体钢激光修复用合金粉末的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：按配比的各组分，考虑不同元素烧损对目标成分的影响，称取原料放入真空熔炼炉中完全熔化；
步骤2：将步骤1中熔融合金溶液倒入雾化塔，利用惰性气体进行气雾化，溶液被惰性气体击碎并冷却后得到合金粉末；
步骤3：用筛粉机选出颗粒粒径为100～214目的合金粉末，得到用于高强贝氏体钢激光修复用合金粉末，粒径为75～150μm。
所述步骤1中真空熔炼炉真空度条件为0.6～50Pa，熔炼温度为1580℃～1650℃。
所述步骤2中气雾化的气压为4～13MPa，气雾化时间为6～8分钟。
高强贝氏体钢激光修复用合金粉末制备方法得到的合金粉末在高强贝氏体钢激光修复中的应用，所述合金粉末用于高强贝氏体钢表面损伤修复以及体积损伤修复。
所述激光修复工艺条件为：激光功率为1.0～3.0kw，扫描速度为500～700mm/min，光斑直径为2.5～3.5mm，激光熔覆单层熔覆层厚度为0.6mm，每道熔覆层间距为1.7mm，熔覆全过程采用99.9％以上高纯氩气为保护气体。
本发明的适用于高强贝氏体钢激光修复用合金粉末中各元素作用如下：
碳(C)元素的加入可以有效的降低Bs点和Ms点，扩大贝氏体转变温度区间。C元素在贝氏体转变过程中，会向未转变奥氏体中富集，碳原子的富集使奥氏体更加稳定，但过高的C含量会导致碳化物析出，过低的C含量又会导致韧塑性降低，因此C元素的含量控制在0.25～0.85％。
硅(Si)元素：Si元素在碳化物中几乎不溶，在等温过程能够强烈抑制碳化物析出，加入Si元素还能增加熔池流动性。Si还能起到固溶强化的作用，Si含量的提高可以使贝氏体组织细化，提高力学性能，但是Si含量过高会降低塑性，若考虑综合性能，Si的含量最好控制在0.8％～3.5％。
铝(Al)元素：Al元素有与Si元素类似的作用，也能抑制碳化物的析出。同时Al还能增大贝氏体相变驱动力，提高贝氏体长大速度，加快贝氏体转变并减少贝氏体钢组织中块状残余奥氏体的数量，因此Al元素的含量应该控制在0～3％。
锰(Mn)元素：添加Mn元素可以提高贝氏体钢的淬透性，使在空冷条件下也可以得到贝氏体钢，Mn元素的提高可以降低贝氏体转变初始温度，含量减少可以降低马氏体转变温度，且Mn元素还可以对贝氏体钢细晶强化从而提高强度，因此Mn元素的含量应该控制在0.5～1.5％。
镍(Ni)元素：Ni元素加入能增加材料韧性，且可增加钢的淬透性从而增加残余奥氏体的稳定性，但是Ni合金粉末价格昂贵，会增加生产成本，因此Ni元素的含量应该控制在0～2.0％。
铬(Cr)元素：Cr元素能够显著提高亚稳态奥氏体的稳定性，但是对焊缝金属显微组织有显著的影响，Cr元素含量的提高会降低贝氏体钢的冲击韧性，因此Cr元素含量应该控制在0.5～2.0％。
本发明的有益效果：所述的用于高强贝氏体钢激光修复用粉末，修复后贝氏体组织相较于基体的贝氏体组织更加细小，同时提高硬度以及强韧性，硬度可达到390～550Hv，既可避免激光修复工艺中熔覆层与基材界面处热影响区的产生，且得到的贝氏体组织无碳化物，熔覆层与基材界面处无气孔裂纹，结合良好。在相似碳含量条件下，硬度相对传统的热喷涂合金粉末所能达到的240～500Hv提升至390～550Hv。
附图说明
图1为一种用于贝氏体钢零部件体积损伤修复合金粉末制得的试样熔覆层与基材界面处金相显微形貌图；
图2为一种用于贝氏体钢零部件体积损伤修复用合金粉末制得的试样熔覆层扫描电镜照片；
图3为一种用于贝氏体钢零部件体积损伤修复用合金粉末制得的试样硬度随与界面距离变化曲线；
图4为另一种用于贝氏体钢零部件表面损伤修复用合金粉末制得的试样硬度随与界面距离变化曲线；
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：一种高强贝氏体钢激光修复用合金粉末，总质量为100g，包括以下合金成分及其质量百分比：C：0.29g；Si：1.5g；Mn：1.5g；Cr：0.96g；Ni：1.2g；Al：1.0g；Mo：0.5g；Fe：余量，高强贝氏体钢激光修复用合金粉末的制备方法包括以下步骤：
步骤1：按上述各组分质量百分比称取原料，放入真空熔炼炉中完全熔化，真空熔炼炉真空度条件为50Pa，熔炼温度为1620℃；
步骤2：将上述熔融合金溶液倒入雾化塔，利用惰性气体进行气雾化，雾化气压为8.5MPa，气雾化时间为6分钟，溶液被惰性气体击碎并冷却后得到合金粉末；
步骤3：用筛粉机选出颗粒粒径为100～214目的合金粉末，得到用于高强贝氏体钢激光修复合金粉末，粒径为75～150μm
使用所述合金粉末在高强贝氏体钢激光修复，用于高强贝氏体钢表面损伤修复以及体积损伤修复，采用的激光修复工艺参数为：激光功率为1.2kw，扫描速度为600mm/min，光斑直径为2.8mm，激光熔覆单层熔覆层厚度为0.6mm，每道熔覆层间距为1.7mm，熔覆全过程采用99.9％以上高纯氩气为保护气体。采用所述合金粉末制得的试样熔覆层与基材界面处金相照片如图1所示，熔覆层扫描电镜照片如图2所示，硬度随与界面距离变化曲线如图4。
实施例2：一种高强贝氏体钢激光修复用合金粉末，总质量为100g，包括以下合金成分及其质量百分比：C：0.35g，Si：2.5g，Mn：1.5g，Cr：2.0g，Ni：2.0g，Al：1.2g，Mo：1.5g，Fe：余量，高强贝氏体钢激光修复用合金粉末的制备方法包括以下步骤：
步骤1：按上述各组分质量百分比称取原料，放入真空熔炼炉中完全熔化，真空熔炼炉真空度条件为35Pa，熔炼温度为1600℃；
步骤2：将上述熔融合金溶液倒入雾化塔，利用惰性气体进行气雾化，雾化气压为7.5MPa，气雾化时间为8分钟，溶液被惰性气体击碎并冷却后得到合金粉末；
步骤3：用筛粉机选出颗粒粒径为100～214目的合金粉末，得到用于高强贝氏体钢激光修复用合金粉末，粒径为75～150μm
使用所述合金粉末在高强贝氏体钢激光修复，用于高强贝氏体钢表面损伤修复以及体积损伤修复，采用的激光修复工艺参数为：激光功率为1.2kw，扫描速度为600mm/min，光斑直径为2.8mm，激光熔覆单层熔覆层厚度为0.6mm，每道熔覆层间距为1.7mm，熔覆全过程采用99.9％以上高纯氩气为保护气体。采用所述合金粉末制得的试样硬度随与界面距离变化曲线如图4。
实施例三～八，如下表1所示，每个实施例中的合金粉末总质量均为100g，示出本发明实施例三至实施例八的用于高强贝氏体钢零部件损伤修复合金粉末中各元素组成及其质量百分含量。
Figure BDA0002157133770000061
Figure BDA0002157133770000071
上述实施例三到八的粉末合金制备方法包括以下步骤：
步骤1：按上述各组分质量百分比称取原料，放入真空熔炼炉中完全熔化，真空熔炼炉真空度条件为0.6～50Pa，熔炼温度为1580～1650℃；
步骤2：将上述熔融合金溶液倒入雾化塔，利用惰性气体进行气雾化，雾化气压为4～13MPa，气雾化时间为6～8分钟，溶液被惰性气体击碎并冷却后得到合金粉末；
步骤3：用筛粉机选出颗粒粒径为100～214目的合金粉末，得到用于高强贝氏体钢激光修复合金粉末，粒径为75～150μm
使用所述合金粉末在高强贝氏体钢激光修复，用于高强贝氏体钢表面损伤修复以及体积损伤修复，采用的激光修复工艺参数为：激光功率为1.0～3.0kw，扫描速度为500～700mm/min，光斑直径为2.5～3.5mm，激光熔覆单层熔覆层厚度为0.6mm，每道熔覆层间距为1.7mm，熔覆全过程采用99.9％以上高纯氩气为保护气体。
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 (3)

1.一种高强贝氏体钢激光修复用合金粉末，其特征在于：包括以下组分及其质量百分比：C：0.55~0.85%，Si：1.5~3.5%，Mn：1.0~1.5%，Cr：1.0~2.0%，Ni：0~1.5%，Al：0~1.2%，Mo：0.8~1.5%，Fe：余量；高强贝氏体钢激光修复用合金粉末的制备方法包括以下步骤：
步骤1：按配比的各组分，称取原料放入真空熔炼炉中完全熔化；
步骤2：将步骤1中熔融合金溶液倒入雾化塔，利用惰性气体进行气雾化，溶液被惰性气体击碎并冷却后得到合金粉末；
步骤3：用筛粉机选出颗粒粒径为100~214目的合金粉末，得到用于高强贝氏体钢激光修复用合金粉末，粒径为75~150μm；所述步骤1中真空熔炼炉真空度条件为0.6~50Pa，熔炼温度为1580℃~1650℃；所述步骤2中气雾化的气压为4~13MPa，气雾化时间为6~8分钟。
2.根据权利要求1所述的制备方法得到的合金粉末在高强贝氏体钢激光修复中的应用，其特征在于：所述合金粉末用于高强贝氏体钢表面损伤修复以及体积损伤修复。
3.根据权利要求2所述的在高强贝氏体钢激光修复中的应用，其特征在于：所述激光修复工艺条件为：激光功率为1.0~3.0kw，扫描速度为500~700mm/min，光斑直径为2.5~3.5mm，激光熔覆单层熔覆层厚度为0.6mm，每道熔覆层间距为1.7mm，熔覆全过程采用99.9%以上高纯氩气为保护气体。
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