CN110629220A - 一种碳化钛/双相不锈钢复合粉末及其熔覆层制备方法 - Google Patents

一种碳化钛/双相不锈钢复合粉末及其熔覆层制备方法 Download PDF

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黄杰
周正
崔丽
郭星晔
王国红
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Abstract

一种碳化钛/双相不锈钢复合粉末及其熔覆层制备方法，属于激光熔覆表面强化技术领域。将碳化钛(TiC)粉末加入AISI 431双相不锈钢粉末中，机械混合均匀后得到粒径为20μm‑90μm的复合粉末，TiC质量百分含量为15‑30wt.％，余量为AISI 431双相不锈钢粉末。激光熔覆工艺参数为：激光功率2000W‑3500W；光斑为5×5mm矩形光斑；保护气使用氩气，气流量12L/min‑18L/min；扫描速率4mm/s‑10mm/s；送粉率12g/min‑18g/min；搭接率为50％。本发明得到的熔覆层耐磨性和耐腐蚀性能显著提升，能快速制备大面积的熔覆层。

Description

一种碳化钛/双相不锈钢复合粉末及其熔覆层制备方法
技术领域
本发明属于激光熔覆表面强化技术领域，具体涉及一种碳化钛/双相不锈钢复合粉末及其熔覆层制备方法。
背景技术
由于煤矿挖掘及石油开采装备的服役环境十分恶劣，一些金属结构件(如柱塞、液压支架等)在潮湿、酸性气体、电解质溶液等环境下磨损和腐蚀严重，给企业带来了巨大的经济损失。而传统表面技术如电镀、化学镀等制备的防护涂层不能满足使用性能，且带来了严重的环境污染。激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后人类的又一重大发明，其具有极高的能量密度，是一种理想的热源。与电镀、堆焊、热喷涂、化学镀和气相沉积等传统表面改性技术相比，以激光作为热源的激光熔覆技术效率高且无污染，当前激光熔覆技术已经广泛应用于工业生产中，带来了巨大的经济效益和生态效益。目前，绝大多数技术方案采用原位生成法来制备陶瓷颗粒增强金属基复合涂层。原位生成法虽然能获得与基体牢固结合的增强颗粒，但是该方法中合金粉末的成分设计较为复杂，且陶瓷增强颗粒含量不可控。因此，本发明提出了使用颗粒外加法将陶瓷颗粒加入合金粉末中，避免了繁琐的合金粉末成分设计，克服了原位生成法中陶瓷增强颗粒含量不可控的缺点。为使用激光熔覆技术制备一种兼具耐磨性能和耐腐蚀性能的熔覆层，本发明提供了一种复合粉末，该复合粉末通过颗粒外加法将碳化钛(TiC)陶瓷颗粒加入商用AISI 431双相不锈钢粉末中后机械混合得到。AISI 431不锈钢是一种马氏体/铁素体(M/F)双相不锈钢，应用广泛、廉价易得，其耐蚀性优于410、430不锈钢，但硬度只有300HV左右。为弥补商用AISI 431双相不锈钢硬度及耐磨性的不足，因此将硬度高、比重轻的TiC陶瓷颗粒加入商用AISI 431不锈钢粉末中以提高熔覆层的硬度和耐磨性。综上所述，与使用传统铁基材料制备的熔覆层相比，本发明得到的熔覆层耐磨性和耐蚀性更加优良，且廉价易得的熔覆材料以及简单的工艺显著降低了成本，为大规模应用到实际生产中提供了可能。
发明内容
本发明的目的在于针对煤矿挖掘及石油开采装备中一些金属结构件的磨损和腐蚀问题，提出一种碳化钛/双相不锈钢复合粉末及其熔覆层制备方法，来解决金属结构件(如柱塞、液压支架等)的磨损和腐蚀。
一种碳化钛/双相不锈钢复合粉末，其特征在于，复合粉末中包含TiC陶瓷颗粒和AISI 431双相不锈钢两种成分，两种成分混合，复合粉末中TiC质量百分含量为15-30wt.％，余量为AISI 431双相不锈钢粉末，复合粉末粒径为20μm-90μm，即TiC陶瓷颗粒和AISI 431的粒径均为20μm-90μm。
采用上述碳化钛/双相不锈钢复合粉末制备熔覆层的方法，特征在于，采用激光送粉熔覆的方法，工艺参数为：激光功率2000W-3500W；光斑为5×5mm矩形光斑；保护气使用氩气，气流量12L/min-18L/min；扫描速率4mm/s-10mm/s；送粉率12g/min-18g/min；搭接率为50％。
本发明适用于煤矿挖掘及石油开采装备领域，可以有效解决金属结构件(如柱塞、液压支架等)的磨损和腐蚀问题。
与未添加TiC的AISI 431双相不锈钢粉末制备的熔覆层和原位合成法制备的熔覆层相比，本发明中得到的熔覆层有以下优点：
1、本发明制备的熔覆层平均显微硬度最大可达694HV0.2，明显高于未添加TiC的AISI 431不锈钢粉末制备的熔覆层。在相同摩擦磨损实验条件下，本发明得到的熔覆层磨损失重均明显低于未添加TiC的AISI 431双相不锈钢粉末制备的熔覆层(参见表1),说明本发明制备的熔覆层耐磨性显著高于未添加TiC的AISI 431不锈钢粉末制备的熔覆层。
2、电化学腐蚀实验表明，相同实验条件下，本发明制备的熔覆层自腐蚀电流密度均明显低于未添加TiC的AISI 431双相不锈钢制备的熔覆层,且自腐蚀电位更高(参见表1)。说明本发明制备的熔覆层耐蚀性明显优于未添加TiC的AISI 431双相不锈钢粉末制备的熔覆层。
3、与原位合成法制备的熔覆层相比，本发明制备的熔覆层陶瓷增强颗粒分布更加均匀，且工艺更简单、成本更低，可以大规模应用于实际生产。
4、制备的熔覆层，TiC颗粒均匀分散在熔覆层中。
附图说明
图1是本发明实施例3的激光熔覆层宏观形貌图；
图2是本发明实施例3的激光熔覆层SEM图；
具体实施方式
下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的以下实施例。
一种碳化钛/双相不锈钢复合粉末及其熔覆层制备方法，包括以下步骤：
(1)基材使用16Mn低合金高强钢，用角磨机对基材上表面进行打磨，使其露出平整带有金属光泽的表面，随后用酒精清洗该表面并风干；
实施例1
(2)将15wt.％的TiC(按质量百分比计)与AISI 431双相不锈钢粉末进行机械混合后烘干，再装入同轴同步送粉器中待用，复合粉末粒径为20μm-90μm；
(3)调节激光功率为2400W，光斑为5×5mm矩形光斑,保护气使用氩气，气流量为12L/min，扫描速率为4mm/s，送粉率为18g/min，搭接率为50％；在16Mn低合金高强钢上进行熔覆。
实施例2
(2)将18wt.％的TiC(按质量百分比计)与AISI 431双相不锈钢粉末进行机械混合后烘干，再装入同轴同步送粉器中待用，复合粉末粒径为20μm-90μm；
(3)调节激光功率为2500W，光斑为5×5mm矩形光斑,保护气使用氩气，气流量为14L/min，扫描速率为6mm/s，送粉率为16g/min，搭接率为50％；在16Mn低合金高强钢上进行熔覆。
实施例3
(2)将23wt.％的TiC(按质量百分比计)与AISI 431双相不锈钢粉末进行机械混合后烘干，再装入同轴同步送粉器中待用，复合粉末粒径为20μm-90μm；
(3)调节激光功率为3500W，光斑为5×5mm矩形光斑,保护气使用氩气，气流量为14L/min，扫描速率为10mm/s，送粉率为15g/min，搭接率为50％；在16Mn低合金高强钢上进行熔覆，得到的熔覆层平均显微硬度可达694HV0.2，磨损失重仅有2.7mg，只有对比例1的1/5左右。该工艺参数下熔覆层宏观形貌如图1所示，从图1中可以看到熔覆层成型好，没有缺陷；熔覆层SEM图如图2所示，根据图2可以发现碳化钛颗粒均匀分布于熔覆层中，有效阻止了划痕的延伸，提高了熔覆层的耐磨性。
实施例4
(2)将28wt.％的TiC(按质量百分比计)与AISI 431双相不锈钢粉末进行机械混合后烘干，再装入同轴同步送粉器中待用，复合粉末粒径为20μm-90μm；
(3)调节激光功率为3200W，光斑为5×5mm矩形光斑,保护气使用氩气，气流量为16L/min，扫描速率为5mm/s，送粉率为12g/min，搭接率为50％；在16Mn低合金高强钢上进行熔覆。
实施例5
(2)将30wt.％的TiC(按质量百分比计)与AISI 431双相不锈钢粉末进行机械混合后烘干，再装入同轴同步送粉器中待用，复合粉末粒径为20μm-90μm；
(3)调节激光功率为2000W，光斑为5×5mm矩形光斑,保护气使用氩气，气流量为18L/min，扫描速率为8mm/s，送粉率为14g/min，搭接率为50％；在16Mn低合金高强钢上进行熔覆。
对比例1
(2)将未添加TiC的AISI 431双相不锈钢粉末烘干，再装入同轴同步送粉器中待用，粉末粒径为20μm-90μm；
(3)调节激光功率为2000W，光斑为5×5mm矩形光斑,保护气使用氩气，气流量为14L/min，扫描速率为6mm/s，送粉率为15g/min，搭接率为50％；在16Mn低合金高强钢上进行熔覆。
对比例2
(2)将10wt.％的TiC(按质量百分比计)与AISI 431双相不锈钢粉末进行机械混合后烘干，粉末粒径为20μm-90μm；
(3)调节激光功率为2500W，光斑为5×5mm矩形光斑,保护气使用氩气，气流量为14L/min，扫描速率为4mm/s，送粉率为15g/min，搭接率为50％；在16Mn低合金高强钢上进行熔覆。
对比例3
(2)将33wt.％的TiC(按质量百分比计)与AISI 431双相不锈钢粉末进行机械混合后烘干，再装入同轴同步送粉器中待用，复合粉末粒径为20μm-90μm；
(3)调节激光功率为3000W，光斑为5×5mm矩形光斑,保护气使用氩气，气流量为12L/min，扫描速率为5mm/s，送粉率为18g/min，搭接率为50％；在16Mn低合金高强钢上进行熔覆。
对各实施例及对比例熔覆层进行显微硬度测试、摩擦磨损试验和电化学腐蚀试验。显微硬度测试采用HV-1000Z型显微硬度计，加载载荷200gf，保压时间15s；摩擦磨损试验设备采用MRH-3A型磨损试验机，加载600N，磨损时间2h，转速200r/min；电化学腐蚀试验采用Chi660e型电化学综合测试系统，电解质为3.5wt.％的氯化钠溶液，测试(试验)结果如表1所示。从实验结果来看，实施例1-5的耐磨性能和耐腐蚀性能远优于对比例1，当添加的碳化钛含量不在15-30wt.％的范围内时(对比例2和3)，耐腐蚀性能和耐磨性能并没有明显提升。
表1实施例1-5与对比例1-3的测试结果

Claims (6)

1.一种碳化钛/双相不锈钢复合粉末，其特征在于，复合粉末中包含TiC陶瓷颗粒和AISI 431双相不锈钢两种成分，两种成分混合。
2.按照权利要求1所述的一种碳化钛/双相不锈钢复合粉末，其特征在于，复合粉末中TiC质量百分含量为15-30wt.％，余量为AISI 431双相不锈钢粉末。
3.按照权利要求1所述的一种碳化钛/双相不锈钢复合粉末，其特征在于，复合粉末粒径为20μm-90μm，即TiC陶瓷颗粒和AISI 431的粒径均为20μm-90μm。
4.采用权利要求书1-3任一项所述的粉末制备熔覆层的方法，其特征在于，采用激光送粉熔覆的方法，工艺参数为：激光功率2000W-3500W；光斑为5×5mm矩形光斑；保护气使用氩气，气流量12L/min-18L/min；扫描速率4mm/s-10mm/s；送粉率12g/min-18g/min；搭接率为50％。
5.采用权利要求4所述的方法制备得到的熔覆层。
6.采用权利要求4所述的方法制备得到的熔覆层的应用，用于煤矿挖掘及石油开采装备领域，解决金属结构件的磨损和腐蚀问题。
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