CN110484916A - 一种高速及超高速激光熔覆用镍基合金粉末 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高速及超高速激光熔覆用镍基合金粉末，由以下重量百分比含量的成份组成：Cr：15%‑45%，Cu：0.001%‑15%，Co：0.001%‑10%，Nb+Ti：0.001%‑10%，Si：0.5%‑12%，Mo：0.001%‑10%，B：0.001%‑6%，P：0.001%‑8%，Mn：0.01%‑5%，Fe：0.01%‑15%，C：≤0.3%，Zr：0.26%‑3%，La：0.011%‑1%，余量为Ni和不可避免的杂质。

Description

一种高速及超高速激光熔覆用镍基合金粉末
技术领域
本发明属于激光熔覆领域,具体涉及一种高速及超高速激光熔覆用镍基合金粉末。
背景技术
激光熔覆技术也被称为激光堆焊技术，它是利用高能量的激光束将基材表面及金属粉末同时熔化成一体，然后凝固成具有优良性能的冶金结合合金涂层的技术。但通过传统的激光熔覆技术获得的合金涂层相对较厚且表面粗糙，还需要磨削等机加工手段保证加工精度，且激光熔覆速率低，极大的制约了激光熔覆效率。
高速及超高速激光熔覆系统所用激光束线速度可达50-100m/min，明显快于传统激光熔覆，整体加工效率提升3-4倍。粉体颗粒的粒径范围通常在15-53μm，熔池较浅，聚焦激光束绝大部分能量都作用在了合金粉末上，稀释率可低至3%以下，在大大提升加工精度的同时，使得金属合金涂层厚度可低至0.2-0.3mm，降低了生产消耗。
镍基合金以其良好的抗氧化、耐腐蚀及高温力学性能，获得了广泛的应用。在激光熔覆领域，通过激光熔覆获得优良性能的镍基合金涂层，成为了当下激光熔覆的热门方向。在镍基合金粉末的选择中，哈氏合金粉末所得到的合金涂层拥有超强的耐腐蚀性能，但其硬度较低，无法满足液压支柱、燃气机轮、柱塞活塞等要求高耐腐蚀并且耐磨的工况，如何保证镍基合金涂层在拥有高耐腐蚀性能的同时具备高耐磨性能，是镍基合金超高速激光熔覆粉末在未来需要突破的重要方向。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种高速及超高速激光熔覆用镍基合金粉末。镍基合金粉末组分包含铬、硼、硅、磷、锰、钼、铜、钴、铁元素，铌或钛元素中的一种或多种，以及添加少量锆元素和镧元素，余量为镍和不可避免杂质。
一些合金元素具有良好的耐蚀性，且它们在镍中的固溶度很大，铜在镍中还可以无限固溶。加入重量百分比为15%-45%的Cr元素，可以大大加固钝化膜，提高合金涂层高温抗氧化性能以及抗氧化性介质腐蚀的能力，当Cr＞22%，形成部分金属间相，提高合金涂层的硬度。加入重量百分比为0.001%-15%的Cu元素，提高其在还原性介质（如非氧化性酸）及含Cl粒子（如海水）溶液中的耐蚀性。加入重量百分比为0.001%-10%的Mo元素，有利于增强合金涂层在局部腐蚀中的稳定性，并有细化晶粒作用。
加入重量百分比为0.5%-12%的Si元素，有利于提高合金涂层的硬度和强度，提高合金涂层抗磨耗的性能，同时作为脱氧剂，显著降低雾化粉末的含氧量，提升材料力学性能、耐腐蚀性能。加入重量百分比为0.01%-5%的Mn元素，提高了合金涂层的机械性能。加入重量百分比为0.001%-8%的B元素，形成硬质相如Ni3B、Ni2B和Cr2B等，硬质相越多，合金硬度越高，同时B元素的加入有利于降低合金熔点，改善熔池的流动性和成型能力。
激光熔覆的熔池较小，需要控制熔点，提高熔池的流动性，加入重量百分比为0.001%-8%的P元素，同样有利于降低合金终凝温度，磷化物作为硬质相，提高合金涂层的硬度和耐磨性。
除了上述加入Cr、Cu、Mo、Si等元素增强合金涂层的耐蚀性外，还要尽可能降低涂层的碳含量。加入重量百分比为0.001%-10%的Co，能够同时提高合金涂层的耐腐蚀性能和力学性能。Nb或Ti元素的加入能够减小C的不利影响，可以提高合金涂层的耐蚀性能，碳化物的形成，提升合金涂层在高温下的稳定性。
粉末在激光熔覆的过程中，冷却速度很快，熔池较小，对抗裂纹性能要求较高。加入重量百分比为0.26%-3%的Zr元素，在合金涂层中起到细化晶粒的作用，能够显著降低晶粒的大小，使合金涂层生成均匀致密的细晶，减低了熔覆后合金涂层发生裂纹的倾向，保证了优良的机械性能。
加入重量百分比为0.011%-1%的La元素。由于La元素作为稀土元素，原子半径与Ni等合金元素的原子半径相差很大（超过15%），La元素的电负性也很大，所以通常认为它们彼此间不易形成固溶体。但是它们容易填补Ni等合金元素形成的固溶体晶粒的表面缺陷，阻碍晶粒长大，细化组织。另外，La元素可以作为强脱氧剂，由于与O的亲和力较强，在高温下与其它元素生成高熔点的稀土化合物，抑制S等有害物质在晶界的偏聚，净化合金涂层，减低晶界腐蚀倾向。La元素以固溶、中间相和La的化合物的形式存在于焊层中，在熔覆过程中起到了均匀弥散分布的作用，提高合金涂层与基体的结合强度，耐磨损性能得到提高。
经过理论研究和实验测定，最终确定本发明成分按重量百分比记为：Cr：15%-45%，Cu：0.001%-15%，Co：0.001%-10%，Nb+Ti：0.001%-10%，Si：0.5%-12%，Mo：0.001%-10%，B：0.001%-6%，P：0.001%-8%，Mn：0.01%-5%，Fe：0.01%-15%，C：≤0.3%，Zr：0.26%-3%，La：0.011%-1%，余量为Ni和不可避免的杂质。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：添加Cr、Cu、Co、Mo固溶度高的耐蚀金属元素和Si元素，保证了镍基合金的优良抗腐蚀。添加P、B元素，降低了合金涂层的熔点，有利于合金涂层的形成。添加Mn、Si元素有利于增加合金涂层的硬度。添加Zr元素，起到了细化晶粒作用，提高合金涂层同基体的冶金结合，减低裂纹倾向。添加稀土元素La，能够在对合金涂层进行强化，减低晶界腐蚀倾向。
附图说明
图1：本发明重熔合金粉末显微组织照片（SEM）。
图2：ASTM G65-04标准磨耗试验结果对比图。
具体实施方式
本发明超高速激光熔覆用的镍基合金粉末采用真空熔炼气雾化制粉工艺制成，具体制备流程为：粉末材料成分设计→熔炼→雾化→筛分→检验→包装。
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1。
按质量百分比计，配料成份（烧损后）为：Si：0.5%，Mo：10%，Cr ：45%，Mn：0.01%，B：6%，P：0.001%，Cu：0.001%，Co：0.001%，Fe：0.01%，C：≤0. 3%，Zr：3%，Ti：0.001%，La：1%，余量为Ni，经气雾化制粉得到所需高速及超高速激光熔覆用镍基合金粉末。
实施例2。
按质量百分比计，配料成份（烧损后）为：Si：12%，Mo：0.001%，Cr：15%，Mn：0.01%，B：0.001%，P：8%,，Cu：0.001%，Co：0.001%，Fe：15%，C：≤0.3%，Zr：3%，Ti：10%，La：0.011%，余量为Ni，经气雾化制粉得到所需高速及超高速激光熔覆用镍基合金粉末。
实施例3。
按质量百分比计，配料成份（烧损后）为：Si：12%，Mo：10%，Cr：15%，Mn：5%，B：0.001%，P：0.001%，Cu：15%，Co：10%，Fe：0.01%，C：≤0.3%，Zr：0.26%，Ti：0.001%，La：1%，余量为Ni，经气雾化制粉得到所需高速及超高速激光熔覆用镍基合金粉末。
得到的激光熔覆重熔粉末显微组织照片（SEM）如图1所示。
采用四组厚度为5mm，尺寸为50mm×50mm的试验工件，用喷砂工艺对试验工件表面进行处理，并用砂纸打磨精细，用无水乙醇清洗，使试样表面平整，无油污、氧化膜、气孔和杂质颗粒等缺陷，熔覆用粉末放入烘箱中烘干除潮。选用粒径为15-53μm的哈氏合金C-276粉末，其在氧化性和中等还原性腐蚀介质中有较好的抵抗能力，以及实施例1-3超高速激光熔覆用合金粉末。
在试验工件表面采用半导体激光熔覆系统对基体表面进行熔覆，熔覆过程中采用侧向同步送粉方式送粉，激光束的焦点与粉末焦点相匹配，采用以下工艺参数：激光功率2~4kw，光斑直径φ0.3~0.5mm，送粉速率30g/min，激光扫描速率10m/min，单边0.3~0.5mm，速度约为0.2~0.3m3/h，同时对熔池施加氩气保护，氩气流量15~30L/min，环境湿度 60%rh，保证熔覆层成形后各截面的物理性能稳定，防止外界因素影响影响实验，最终合金涂层厚度约为0.2mm。
将得到的合金涂层制成试样，并测量其显微硬度如下表1。
表1 合金涂层显微硬度。
然后对上述四组试验工件及镀0.1mm厚度的铬镀层的一组相同规格的实验工件边缘进行ABS树脂密封后，进行中性盐雾试验(NSS)，试验盐水浓度为5%，温度为35℃，时间为1000h，实验结果如下表2。
表2试验工件经1000h盐雾试验后观察结果。
另采用四组厚度为5mm,尺寸为25mm×100mm的试验工件，采用相同的工艺，选用粒径为15-53μm的哈氏合金C-276粉末与实施例1-3高速及超高速激光熔覆用镍基合金粉末，在试验工件表面采用半导体激光熔覆系统对基体表面进行熔覆。根据ASTM G65-04标准对四组试验工件及镀0.1mm厚度的镀硬铬层的一组相同规格实验工件同时进行磨耗实验，橡胶轮转速为200rpm，橡胶轮直径为176mm，磨耗时间120s，所得结果如图1所示。
根据上述中性盐雾试验可知，本发明的高速及超高速激光熔覆用镍基合金粉末经过超高速激光熔覆后得到的合金涂层，耐腐蚀性能优良，接近于超耐腐蚀性能的哈氏合金C-276的抗腐蚀性能。在ASTM G65-04磨耗实验中，镍基合金涂层在抗磨耗性能上远超哈氏合金，达到传统镀硬铬材料的水准。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换、改变、材料替换、改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.本发明提供了一种高速及超高速激光熔覆用镍基合金粉末，要求由以下重量百分比含量的成份组成：Cr：15%-45%，Cu：0.001%-15%，Co：0.001%-10%，Nb+Ti：0.001%-10%，Si：0.5%-12%，Mo：0.001%-10%，B：0.001%-6%，P：0.001%-8%，Mn：0.01%-5%，Fe：0.01%-15%，C：≤0.3%，Zr：0.26%-3%，La：0.011%-1%，余量为Ni和不可避免的杂质。
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