CN110484911A - 一种用于激光熔覆的合金粉末及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于激光熔覆的合金粉末，所述合金粉末包括如下质量百分含量的配方成分：C 0.05～0.09％、Si 0.8～1.18％、Cr 15.7％～17.86％、Ni 2.45％～3.38％、Mo 0.31％～0.5％、Co 0.28％～0.32％、V 0.01～0.02％，其余为Fe，本发明粉末粒度小，比表面积增大，降低热量吸收需求，可使用较低的激光功率，减少对基体热影响，熔覆加工精度、扫描速度和熔覆效率显著提高。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，具体地说涉及一种用于激光熔覆的合金粉末及其制备方法。
背景技术
激光熔覆技术，作为一种新的表面改性技术，是利用高能密度激光束，使基体表面和合金粉末同时熔化并快速凝固，形成与之冶金结合的熔覆层，可显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐热及抗氧化等性能，在材料表面改性、产品表面修复及快速成型领域得到广泛应用。在该工艺过程中，一方面添加的合金粉末在基材的界面上熔融，并与部分熔融的基材材料混合成混合粘贴层，因此基材与合金涂层材料之间的粘贴性，直接影响涂层效果；另一方面，为保证粉末完全融化与基体呈良好的冶金结合，在确定合金粉末种类情况下，粉末颗粒大小决定单位时间内注入的激光能量，即影响着扫描速度，进而影响着加工效率。
相较于传统修复方式，如热喷涂合电弧焊等技术，存在注入热量大、易变性、镀层薄、与基体结合不牢等缺点。激光熔覆技术则具有注入热量小、冶金结合、变形小等优点，在基材表面获得高性能熔覆层，替代日益昂贵的高价金属，具有重要经济意义。激光熔覆加工过程为非接触工艺，不发生异物的介入，并且可以实现自动化。
在激光熔覆工艺中，合金粉末是通过粉末供给装置按照预设的供给速度输送到基材上。
常见的用于激光熔覆的合金粉末有，钨铬钴合金(stellite)、镍基合金(inconel)、Fe-Cr-Ni-B合金、Fe-Cr-C-X合金以及铜合金等。目前合金粉末目数多为50～300目，颗粒粒径80～150μm，采用这些粉末在激光熔覆过程中，为保证颗粒充分、完全熔化，与基体冶金结合，扫描速度一般为5-30mm/s，熔覆速率0.7～3d㎡，且合金粉末的可焊性差，粘度较低，如果控制不好激光熔覆工艺中注入合金粉末时配合使用的防止氧化的气体喷嘴的喷气速度，则合金粉末容易分散，很难进行精细涂敷。并且，粉末颗粒较大，熔化充分需要时间较长，导致扫描的速度较慢，熔覆速率较低。
发明内容
针对现有技术的种种不足，本发明提供一种高速激光熔覆专用合金粉末粒径小，仅为传统粉末的三分之一，利用本发明粉末进行激光熔覆时，对基体的热影响较小，且可适用于高速激光扫描，熔覆效率高。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于激光熔覆的合金粉末，所述合金粉末包括如下质量百分含量的配方成分：C 0.05％～0.09％、Si 0.8％～1.18％、Cr 15.7％～17.86％、Ni 2.45％～3.38％、Mo0.31％～0.5％、Co 0.28％～0.32％、V 0.01％～0.02％，其余为Fe。
Cr元素为易钝化元素，在合金粉末增大Cr的含量可以显著增强熔覆层的耐腐蚀性能，同时增强材料的硬度及耐磨性能，但是Cr影响材料的可焊性，故本发明将Cr含量调整至15.7％-17.86％；在激光熔覆高温条件下，C容易结合Cr生成硬质颗粒相，造成熔覆层局部贫Cr，反而不利于熔覆层耐腐蚀性能，故需要降低C的含量。
进一步，所述合金粉末包含如下质量百分数的配方成分：
C 0.05％、Si 0.8％、Cr 15.7％、Ni 2.45％、Mo 0.31％、Co 0.28％、V 0.01％，其余为Fe
进一步，所述合金粉末包含如下质量百分数的配方成分：
C 0.09％、Si 1.18％、Cr 17.86％、Ni 3.38％、Mo 0.5％、Co 0.32％、V 0.02％，其余为Fe。
进一步，所述合金粉末包含如下质量百分数的配方成分：
C 0.08％、Si 0.98％、Cr 17.50％、Ni 3.30％、Mo 0.4％、Co 0.30％、V 0.02％，其余为Fe。
进一步，所述合金粉末包含如下质量百分数的配方成分：
C 0.056％、Si 0.90％、Cr 16.0％、Ni 2.50％、Mo 0.35％、Co 0.31％、V0.015％，其余为Fe。
一种制备以上所述的用于激光熔覆的合金粉末的方法，包括以下步骤：
(1)称取配方成分，混合，得到混合物A，将混合物A放入熔炼坩埚，然后在氩气保护下加热熔炼并保温，得到混合物A的熔液；
(2)将混合物A的熔液倾倒至保温坩埚，再进行气体雾化得到混合物B，所述气体雾化的介质为氩气，所述气体雾化的压力为5Mpa；
(3)将混合物B进行收集并干燥，进行混粉处理，保证混合物B颗粒的表面光洁度，筛分后即可制得粒度≤50μm的合金粉末。
进一步，所述气体雾化的装置为限制式超音速喷嘴及导流管。
进一步，步骤(1)中加热熔炼的温度为1500～1600℃，保温时间为15～20min。
进一步，所述加热熔炼的温度为1550℃，保温时间为19分钟。
本发明的有益效果是：
通过优选Cr与C的含量，增强熔覆层的耐腐蚀性能，同时增强材料的硬度及耐磨性能，同时，通过混粉处理促使合金粉末粒度≤50μm，粒度小，比表面积增大，能够降低热量吸收需求，故使用较低的激光功率，对基体热影响变小，形成的组织更加细腻，基体的热变形量明显降低，此外，采用合金粉末进行熔覆，不需要使用液体助熔剂，有效的降低了企业成本，并且在同样激光能量前提下可以显著提高扫描速度，熔覆效率显著提升。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种用于激光熔覆的合金粉末的制备方法为熔炼-惰性气体雾化法，并保证在真空状态下进行，包含如下质量百分数的配方成分：
C 0.05％、Si 0.8％、Cr 15.7％、Ni 2.45％、Mo 0.31％、Co 0.28％、V 0.01％，其余为Fe。
按照以下步骤操作：
(1)称取配方成分，混合，得到混合物A，将混合物A放入熔炼坩埚，然后在氩气保护下加热至1500℃熔炼，保温20min，得到混合物A的熔液；
(2)将混合物A的熔液倾倒至保温坩埚，通过限制式超音速喷嘴及导流管进行气体雾化得到混合物B，所述气体雾化的气体介质为氩气，所述气体雾化的压力为5Mpa；
(3)将混合物B进行收集并干燥，进行混粉处理，保证混合物B颗粒的表面光洁度，筛分后即可制得粒度≤50μm的合金粉末。
实施例二
一种用于激光熔覆的合金粉末的制备方法为熔炼-惰性气体雾化法，并保证在真空状态下进行，包含如下质量百分数的配方成分：
C 0.09％、Si 1.18％、Cr 17.86％、Ni 3.38％、Mo 0.5％、Co 0.32％、V 0.02％，余量为Fe。
按照以下步骤操作：
(1)称取配方成分，混合，得到混合物A，将混合物A放入熔炼坩埚，然后在氩气保护下加热至1580℃熔炼，保温20min，得到混合物A的熔液；
(2)将混合物A的熔液倾倒至保温坩埚，通过限制式超音速喷嘴及导流管进行气体雾化得到混合物B，所述气体雾化的气体介质为氩气，所述气体雾化的压力为8Mpa；
(3)将混合物B进行收集并干燥，进行混粉处理，保证混合物B颗粒的表面光洁度，筛分后即可制得粒度≤50μm的合金粉末。
实施例三
一种用于激光熔覆的合金粉末的制备方法为熔炼-惰性气体雾化法，并保证在真空状态下进行，包含如下质量百分数的配方成分：
C 0.08％、Si 0.98％、Cr 17.50％、Ni 3.30％、Mo 0.4％、Co 0.30％、V 0.02％，余量为Fe。
按照以下步骤操作：
(1)称取配方成分，混合，得到混合物A，将混合物A放入熔炼坩埚，然后在氩气保护下加热至1600℃熔炼，保温17min，得到混合物A的熔液；
(2)将混合物A的熔液倾倒至保温坩埚，通过限制式超音速喷嘴及导流管进行气体雾化得到混合物B，所述气体雾化的气体介质为氩气，所述气体雾化的压力为5Mpa；
(3)将混合物B进行收集并干燥，进行混粉处理，保证混合物B颗粒的表面光洁度，筛分后即可制得粒度≤50μm的合金粉末。
实施例四
一种用于激光熔覆的合金粉末的制备方法为熔炼-惰性气体雾化法，并保证在真空状态下进行，包含如下质量百分数的配方成分：
C 0.056％、Si 0.90％、Cr 16.0％、Ni 2.50％、Mo 0.35％、Co 0.31％、V0.015％，其余为Fe。
按照以下步骤操作：
(1)称取配方成分，混合，得到混合物A，将混合物A放入熔炼坩埚，然后在氩气保护下加热至1550℃熔炼，保温19min，得到混合物A的熔液；
(2)将混合物A的熔液倾倒至保温坩埚，通过限制式超音速喷嘴及导流管进行气体雾化得到混合物B，所述气体雾化的气体介质为氩气，所述气体雾化的压力为6Mpa；
(3)将混合物B进行收集并干燥，进行混粉处理，保证混合物B颗粒的表面光洁度，筛分后即可制得粒度≤50μm的合金粉末。
对比试验一：
本发明合金粉末及原使用合金粉末的物理性能检测结果如表1所示，
表1合金粉末物理性能
| 粉末类型 | 粒度分布(目) | 流动性 | 松装密度g/cm<sup>3</sup> |
| 原粉末 | -100～+300 | 17s/50g | 4.05 |
| 本发明粉末 | -300～+500 | 16s/50g | 4.2 |
本实验在山东能源重装集团大族再制造有限公司实验室进行
由表1可见，就粒度分布，本发明合金粉末的粒度比传统合金粉末粒度小，流动性较传统合金粉末更佳，松装密度较大。
对比实验二：
将本发明实施例中制备的合金粉末用于液压支架立柱的熔覆，后对立柱取样进行性能检测，结果如表2所示。
表2矿用液压支架立柱激光熔覆合金粉末后的性能
| 实施例 | 硬度(HRC)ave. | 耐盐雾时间/h |
| 一 | 45.8 | 96 |
| 二 | 56.2 | 120 |
| 三 | 54.6 | 120 |
| 四 | 49.8 | 300 |
本实验在山东能源重装集团大族再制造有限公司实验室进行
由表2可见，比较熔覆性能，使用本发明粉末均能获得平整、均匀的熔覆效果，该熔覆层具备较高的硬度、良好的耐腐蚀性能。
表3本发明粉末及传统粉末的熔覆效果对比
| 粉末类型 | 扫描速度mm/s | 熔覆速率m<sup>2</sup>/h |
| 原始合金粉 | 10 | 0.5 |
| 本发明合金粉末 | 300 | 1.5 |
本实验在山东能源重装集团大族再制造有限公司实验室进行
由表3可见，原始合金粉末熔覆线速率仅为10mm/s，而用本发明合金粉末熔覆时的扫描线速率可达300mm/s；在熔覆效率方面，使用本发明合金粉末可实现2倍以上的加工效率提升。鉴于原始合金粉末粒度较大，粉末熔化需要吸收更大热量、耗费更长时间，由此使用大功率高能量激光器，激光束对基体的热影响大，导致熔覆层组织粗大、热影响区较深。本发明合金粉末粒度小，比表面积增大，由此可以降低热量吸收需求，故使用较低的激光功率，对基体热影响变小，形成的组织更加细腻，同时降低基体的热变形量。由此可见，采用本发明合金粉末进行熔覆，在同样激光能量前提下可以显著提高扫描线速度，进而显著提升熔覆效率。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种用于激光熔覆的合金粉末，其特征在于，所述合金粉末包括如下质量百分含量的配方成分：C 0.05％～0.09％、Si 0.8％～1.18％、Cr 15.7％～17.86％、Ni 2.45％～3.38％、Mo 0.31％～0.5％、Co 0.28％～0.32％、V 0.01％～0.02％，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆的合金粉末，其特征在于，所述合金粉末包含如下质量百分数的配方成分：
C 0.05％、Si 0.8％、Cr 15.7％、Ni 2.45％、Mo 0.31％、Co 0.28％、V 0.01％，其余为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆的合金粉末，其特征在于，所述合金粉末包含如下质量百分数的配方成分：
C 0.09％、Si 1.18％、Cr 17.86％、Ni 3.38％、Mo 0.5％、Co 0.32％、V 0.02％，其余为Fe。
4.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆的合金粉末，其特征在于，所述合金粉末包含如下质量百分数的配方成分：
C 0.08％、Si 0.98％、Cr 17.50％、Ni 3.30％、Mo 0.4％、Co 0.30％、V 0.02％，其余为Fe。
5.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆的合金粉末，其特征在于，所述合金粉末包含如下质量百分数的配方成分：
C 0.056％、Si 0.90％、Cr 16.0％、Ni 2.50％、Mo 0.35％、Co 0.31％、V 0.015％，其余为Fe。
6.一种制备权利要求1-5任一所述的用于激光熔覆的合金粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取配方成分，混合，得到混合物A，将混合物A放入熔炼坩埚，然后在氩气保护下加热熔炼并保温，得到混合物A的熔液；
(2)将混合物A的熔液倾倒至保温坩埚，再进行气体雾化得到混合物B，所述气体雾化的介质为氩气，所述气体雾化的压力为5-8Mpa；
(3)将混合物B进行收集并干燥，进行混粉处理，保证混合物B颗粒的表面光洁度，筛分后即可制得粒度≤50μm的合金粉末。
7.根据权利要求6所述的一种用于激光熔覆的合金粉末的制备方法，其特征在于，所述气体雾化的装置为限制式超音速喷嘴及导流管。
8.根据权利要求6所述的一种用于激光熔覆的合金粉末的制备方法，其特征在于，步骤(1)中加热熔炼的温度为1500～1600℃，保温时间为15～20min。
9.根据权利要求8所述的一种用于激光熔覆的合金粉末的制备方法，其特征在于，所述加热熔炼的温度为1550℃，保温时间为19分钟。
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