CN110453214A - 一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，包括以下步骤：1)将激光熔覆粉末在惰性气体的保护下进行烘干；2)对待熔覆零件表面进行磨削，并用清洗液进行清洗；3)将激光熔覆粉末涂覆在待熔覆零件表面，并按照设定的激光熔覆参数和扫描方式用激光器进行激光熔覆。与现有技术相比，本发明通过对粉末在惰性气体保护下进行烘干，可有效去除粉末中的水分，提高粉末的流动性，保证了送粉的均匀性；本发明可减少熔覆层的裂纹及基体的变形等缺陷，提高熔覆层的质量；本发明操作方法简单灵活，可适用于多种熔覆环境。

Description

一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法

技术领域

本发明属于激光熔覆材料技术领域，涉及一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法

背景技术

我国作为制造大国，机电产品保有量巨大，再制造是机电产品资源化循环利用的最佳途径之一。再制造产业已初具规模，初步形成了“以尺寸恢复和性能提升”为主要技术特征的再制造产业发展模式。在再制造产业发展过程中，高端化、智能化的生产实践不断涌现，作为再制造的关键技术，激光熔覆工艺在再制造领域应用广泛，利用激光熔覆技术进行批量化修复和性能升级，所获产品在技术性能和质量上可以达到甚至超过原产品的各项性能。

由于在激光熔覆过程中，零件内部存在较大的热应力，会导致产生熔覆层开裂和基体变形问题。通过对原材料进行预处理及激光熔覆工艺的合理设计，可以改善熔覆层的界面结合和冶金质量，进而减少或消除熔覆层的裂纹及基体的变形等缺陷。

中国专利CN201810512989.2公开了一种镍基激光熔覆粉末及激光熔覆方法，该镍基激光熔覆粉末包括2-5％Fe、2-4％Ti、3-5％Mo、0.5-1％P、0.6-2％Mn以及余量Ni，该激光熔覆方法为将镍基组成的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即可得到熔覆层。

上述专利主要存在两个明显的缺点：第一，熔覆效率低下，其送粉速度为 1.2-1.5g/min，第二，预制熔覆层厚度较薄，为1.0-1.5mm。上述两个明显的缺点限制了此专利的实际有用范围。

中国专利CN201710941648.2公开了一种激光熔覆工艺，具有如下步骤：将 YCF101粉末放在干燥箱里，80℃恒温烘干5小时，之后，倒入激光熔覆送粉器内，熔覆采用同轴送粉；将基板磨削，并用酒精清洗，祛杂质，得到光洁的待熔覆基板；用IPG光纤激光器按照一定的激光加工参数和一定的激光扫描策略在光洁的待熔覆基板上进行逐层激光熔覆。

上述发明专利存在的固有缺陷是其只适合低激光功率(450w)低扫描速度 (6mm/s)条件下的激光熔覆，且为了有效的避免低激光功率条件易产生缺陷的现状而采用了多组十字交叉纵向层间搭接，在实际应用中导致工艺繁杂、过程控制复杂，难以获得比较均匀的熔覆层及熔覆效果，难以适用于工业生产。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，包括以下步骤：

1)将激光熔覆粉末在惰性气体的保护下进行烘干，已去除微量水分，提高粉末的流动性，同时可有效避免粉末中氧含量增加；

2)对待熔覆零件表面进行磨削，并用清洗液进行清洗，以去除表面污渍及杂质；

3)将激光熔覆粉末涂覆在待熔覆零件表面，并按照设定的激光熔覆参数和扫描方式用激光器进行激光熔覆。

进一步地，步骤1)中，激光熔覆粉末包括以下组分及重量百分含量：Cr 17-23％、C≤0.1％、Si≤0.5％、Mn≤0.5％、Mo≤10％、Al 0.2-0.8％、Ti≤1.15％、Ni 50-82％、余量为Fe和不可避免的杂质。

进一步地，所述的激光熔覆粉末中各组分均为纯度大于99％的粉末，粒径为 125-400目。

进一步地，步骤1)中，激光熔覆粉末的烘干温度为90-120℃，烘干时间为 6-8h。

进一步地，步骤1)中，激光熔覆粉末的烘干过程在惰性气体保护下的进行，所述的惰性气体为氮气或氩气中的一种。

作为优选的技术方案，步骤1)中，激光熔覆粉末的烘干过程在干燥箱内进行，烘干过程结束后通过向干燥箱内不断通入惰性气体进行冷却，待温度小于35℃后取出。

进一步地，步骤2)中，所用清洗液为丙酮或乙醇中的一种。

进一步地，步骤3)前，先将激光熔覆粉末置于送粉器内，所述的送粉器内设有可喷出送粉气的气体喷嘴，通过送粉气将激光熔覆粉末喷覆在待熔覆零件表面，所述的送粉器的送粉速率为5-20g/min，所述的送粉气流量为3-15L/min，所述的送粉气为氮气或氩气中的一种。

作为优选的技术方案，所述的激光器为半导体激光器。

进一步地，步骤3)中，激光熔覆的工艺参数为：激光功率为1000-3000W、扫描速率为8-50mm/s；扫描方式为单层条状往复扫描，上层与下层的扫描道夹角为50°-70°，相邻扫描道的间距为0.8-2mm。

进一步地，步骤3)中，激光熔覆在惰性气体的保护下进行，所述的惰性气体为氮气或氩气中的一种，所述的惰性气体的流量为8-20L/min。

进一步地，步骤3)后，对激光熔覆后的零件表面进行打磨和抛光。

本发明对激光熔覆粉末及激光熔覆过程有明显影响的因素条件进行了限制，若不在本发明所限定的工艺条件范围下，可能会出现粉末堵塞导致不能送粉从而导致激光熔覆不能继续进行的问题，或者是出现激光熔覆层和基体之间存在裂纹、孔隙缺陷或熔覆层性能不合格等不良现象。

本发明专利有效的避免了熔覆效率低下、预制熔覆层厚度较薄这两个缺陷，通过成分及工艺方案优化，本发明专利的送粉速率可以高达5-20g/min。本发明专利针对当前工业实际需求，通过改善成分及优化熔覆工艺，发明出适用于高激光功率、大扫描速度条件下的镍基合金激光熔覆粉末及相应的熔覆方法。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明通过对粉末在惰性气体保护下进行烘干，可有效去除粉末中的水分，提高粉末的流动性，保证了送粉的均匀性，同时可有效避免粉末中氧含量增加；

2)本发明可减少熔覆层的裂纹及基体的变形等缺陷，提高熔覆层的质量，通过合理调控激光熔覆工艺参数，实现激光功率与扫描速度的有效匹配，提高熔覆层与基体制件的冶金结合质量，减少由于急速加热/冷却产生的热应力，减少熔覆层的裂纹及基体的变形等缺陷；

3)本发明操作方法简单灵活，可适用于多种熔覆环境。

附图说明

图1为实施例1中镍基合金激光熔覆粉末的粒度分布图；

图2为实施例1中镍基合金激光熔覆粉末的SEM图；

图3为实施例1中镍基合金激光熔覆粉末用于熔覆制件腐蚀后的光学图；

图4为实施例1中镍基合金激光熔覆粉末用于熔覆制件应力应变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

一种镍基合金粉末激光熔覆工艺，包含以下步骤：

(1)选取用于激光熔覆的镍基合金激光熔覆粉末，将粉末放入惰性气体保护干燥箱内进行烘干；

(2)磨削待熔覆零件表面，并用乙醇清洗，去除表面杂质；

(3)将粉末放入熔覆设备的同轴送粉器中，并通过送粉器喷涂于待熔覆零件表面，同时采用半导体激光器按照一定的激光加工参数和扫描方式在待熔覆零件表面进行激光熔覆。

步骤(1)中，镍基合金激光熔覆粉末的化学成分为Cr：20.03％，C：0.05％， Si：0.035％，Mn：0.063％，Mo：3.05％，Al：0.56％，Ti：0.89％，Ni：52.64％， Fe：22.6％及少量不可避免的杂质。

镍基合金激光熔覆粉末的纯度大于99％，粒径范围为125-270目。

将激光熔覆粉末在氩气保护的干燥箱内进行烘干，烘粉温度90℃，保温时间6 小时，保温结束后，向干燥箱内不断通入氩气进行冷却，冷却至温度为30℃后取出。

步骤(3)中，将激光熔覆粉末放入熔覆设备的同轴送粉器中，设定送粉速率 5g/min，送粉气流量3L/min，送粉气为氩气；

激光熔覆参数为：激光功率1000W，扫描速率8mm/s，保护气体流量8L/min，保护气和送粉气均为氩气，扫描方式为单层条状往复扫描，且上层与下层的扫描道夹角为50°，相邻扫描道的间距为0.8mm。

图1是用于本发明专利的激光熔覆粉末的典型粒度分布。

图2是经过干燥处理后的激光熔覆粉末扫描照片，可以看出，经过干燥处理的粉末表面相对光滑，且不存在明显的卫星粉及粉末粘结现象，有利于粉末流动性的提升，从而有利于在同轴送粉器中的粉末输送。

图3是本发明专利激光熔覆后典型的熔覆层和基体结合处的光学照片，从图3 中可以看出，采用本发明专利制备所得熔覆层与基体结合良好，且结合处及熔覆层内部不存在微观缺陷。

图4是本发明专利实施例1所得成形件的拉伸曲线，三条曲线是同一工艺参数下的三个样，从图4可以看出，本发明工艺稳定性好，样件之间性能误差小。

实施例2：

一种镍基合金粉末激光熔覆工艺，包含以下步骤：

(1)选取用于激光熔覆的镍基合金激光熔覆粉末，将粉末放入惰性气体保护干燥箱内进行烘干；

(2)磨削待熔覆零件表面，并用乙醇清洗，去除表面杂质；

(3)将粉末放入熔覆设备的同轴送粉器中，并通过送粉器喷涂于待熔覆零件表面，同时采用半导体激光器按照一定的激光加工参数和扫描方式在待熔覆零件表面进行激光熔覆。

步骤(1)中，粉末的化学成分为Cr：17-21％，C：≤0.08％，Si：≤0.35％， Mn：≤0.35％，Mo：2.8-3.3％，Al：0.2-0.8％，Ti：0.65-1.15％，Ni：55-58％，余量为Fe及不可避免的杂质。

步骤(1)中，粉末的纯度大于99％，粒径范围为150-400目。

将待熔覆粉末在惰性气体保护干燥箱内进行烘干，烘干过程中通入氩气作为保护气体，烘粉温度120℃，保温时间8小时，保温结束后，向干燥箱内不断通入氩气进行冷却，冷却至温度为25℃后取出。

步骤(3)中，将粉末放入熔覆设备的同轴送粉器中，设定送粉速率20g/min，送粉气流量15L/min；

激光熔覆参数为：激光功率3000W，扫描速率50mm/s，保护气体流量20 L/min，保护气和送粉气均为氩气，扫描方式为单层条状往复扫描，且上层与下层的扫描道夹角为70°，相邻扫描道的间距为2mm。

实施例3：

一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，包括以下步骤：

1)将激光熔覆粉末在氮气保护下进行烘干，已去除微量水分，提高粉末的流动性，同时可有效避免粉末中氧含量增加；烘干温度为90℃，烘干时间为6h；结束后持续通入冷氮气降温，待温度小于35℃后取出。

2)对待熔覆零件表面进行磨削，并用丙酮进行清洗，以去除表面污渍及杂质；

3)将激光熔覆粉末涂覆在待熔覆零件表面，并按照设定的激光熔覆参数和扫描方式用半导体激光器在氮气保护下进行激光熔覆，氮气流量为8L/min。

步骤1)中，镍基合金激光熔覆粉末包括以下组分及重量百分含量：Cr为17％、 Al为0.2％、Ni 82％、Fe 0.7％及微量不可避免的杂质。

粉末中各组分均为纯度大于99％的粉末，粒径为125-400目。

步骤3)前，先将激光熔覆粉末置于送粉器内，送粉器内设有可喷出送粉气的气体喷嘴，通过送粉气将激光熔覆粉末喷覆在待熔覆零件表面，送粉器的送粉速率为5g/min，送粉气流量为3L/min，送粉气为氮气。

步骤3)中，激光熔覆的工艺参数为：激光功率为1000W、扫描速率为8mm/s；扫描方式为单层条状往复扫描，上层与下层的扫描道夹角为50°，相邻扫描道的间距为0.8mm。

最后，对激光熔覆后的零件表面进行打磨和抛光。

实施例4：

一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，包括以下步骤：

1)将激光熔覆粉末在氩气保护下进行烘干，已去除微量水分，提高粉末的流动性，同时可有效避免粉末中氧含量增加；烘干温度为120℃，烘干时间为8h；结束后持续通入冷氩气降温，待温度小于35℃后取出。

2)对待熔覆零件表面进行磨削，并用丙酮进行清洗，以去除表面污渍及杂质；

3)将激光熔覆粉末涂覆在待熔覆零件表面，并按照设定的激光熔覆参数和扫描方式用半导体激光器在氩气保护下进行激光熔覆，氩气流量为20L/min。

步骤1)中，镍基合金激光熔覆粉末包括以下组分及重量百分含量：Cr为23％、C为0.1％、Si为0.5％、Mn为0.5％、Mo为10％、Al为0.8％、Ti为1.15％、Ni 63.8％、 Fe 0.14％及微量不可避免的杂质。

激光熔覆粉末中各组分均为纯度大于99％的粉末，粒径为200-400目。

步骤3)前，先将激光熔覆粉末置于送粉器内，送粉器内设有可喷出送粉气的气体喷嘴，通过送粉气将激光熔覆粉末喷覆在待熔覆零件表面，送粉器的送粉速率为20g/min，送粉气流量为15L/min，送粉气为氩气。

步骤3)中，激光熔覆的工艺参数为：激光功率为3000W、扫描速率为50mm/s；扫描方式为单层条状往复扫描，上层与下层的扫描道夹角为70°，相邻扫描道的间距为2mm。

最后，对激光熔覆后的零件表面进行打磨和抛光。

实施例5：

一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，包括以下步骤：

1)将激光熔覆粉末在氩气保护下进行烘干，已去除微量水分，提高粉末的流动性，同时可有效避免粉末中氧含量增加；烘干温度为100℃，烘干时间为7h；结束后持续通入冷氩气降温，待温度小于35℃后取出。

2)对待熔覆零件表面进行磨削，并用丙酮进行清洗，以去除表面污渍及杂质；

3)将激光熔覆粉末涂覆在待熔覆零件表面，并按照设定的激光熔覆参数和扫描方式用半导体激光器在氩气保护下进行激光熔覆，氩气流量为15L/min。

步骤1)中，镍基合金激光熔覆粉末包括以下组分及重量百分含量：Cr为18％、 C为0.05％、Si为0.25％、Mn为0.35％、Mo为2.8％、Al为0.4％、Ti为0.5％， Ni 50％、Fe27.64％和不可避免的杂质。

激光熔覆粉末中各组分均为纯度大于99％的粉末，粒径为150-300目。

步骤3)前，先将激光熔覆粉末置于送粉器内，送粉器内设有可喷出送粉气的气体喷嘴，通过送粉气将激光熔覆粉末喷覆在待熔覆零件表面，送粉器的送粉速率为15g/min，送粉气流量为10L/min，送粉气为氩气。

步骤3)中，激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2000W、扫描速率为30mm/s；扫描方式为单层条状往复扫描，上层与下层的扫描道夹角为60°，相邻扫描道的间距为1mm。

最后，对激光熔覆后的零件表面进行打磨和抛光。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将激光熔覆粉末载在惰性气体的保护下进行烘干；

2)对待熔覆零件表面进行磨削，并用清洗液进行清洗；

3)将激光熔覆粉末涂覆在待熔覆零件表面，并按照设定的激光熔覆参数和扫描方式用激光器进行激光熔覆。

2.根据权利要求1所述的一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，其特征在于，所述的激光熔覆粉末包括以下组分及重量百分含量：Cr 17-23％、C≤0.1％、Si≤0.5％、Mn≤0.5％、Mo≤10％、Al 0.2-0.8％、Ti≤1.15％、Ni 50-82％、余量为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求2所述的一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，其特征在于，所述的激光熔覆粉末中各组分均为纯度大于99％的粉末，粒径为125-400目。

4.根据权利要求1所述的一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，其特征在于，步骤1)中，激光熔覆粉末的烘干温度为90-120℃，烘干时间为6-8h。

5.根据权利要求1所述的一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，其特征在于，步骤1)中，所述的惰性气体为氮气或氩气中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，其特征在于，步骤2)中，所用清洗液为丙酮或乙醇中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，其特征在于，步骤3)前，先将激光熔覆粉末置于送粉器内，所述的送粉器内设有可喷出送粉气的气体喷嘴，通过送粉气将激光熔覆粉末喷覆在待熔覆零件表面，所述的送粉器的送粉速率为5-20g/min，所述的送粉气流量为3-15L/min，所述的送粉气为氮气或氩气中的一种。

8.根据权利要求1所述的一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，其特征在于，步骤3)中，激光熔覆的工艺参数为：激光功率为1000-3000W、扫描速率为8-50mm/s；扫描方式为单层条状往复扫描，上层与下层的扫描道夹角为50°-70°，相邻扫描道的间距为0.8-2mm。

9.根据权利要求1所述的一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，其特征在于，步骤3)中，激光熔覆在惰性气体的保护下进行，所述的惰性气体为氮气或氩气中的一种，所述的惰性气体的流量为8-20L/min。

10.根据权利要求1所述的一种镍基合金激光熔覆粉末的激光熔覆方法，其特征在于，步骤3)后，对激光熔覆后的零件表面进行打磨和抛光。