CN110846660A

CN110846660A - 一种激光熔覆用粉末及其制备方法和应用

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Publication number: CN110846660A
Application number: CN201911348388.3A
Authority: CN
Inventors: 曹通; 熊嘉锋; 杜鹏程
Original assignee: Xi'an Xin Precision Intelligent Manufacturing Co ltd
Current assignee: Xi'an Xin Precision Intelligent Manufacturing Co ltd
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2020-02-28

Abstract

本发明涉及激光表面处理技术领域，公开了一种激光熔覆用粉末及其制备方法和应用，该激光熔覆用粉末包括金属粉末和石墨粉，石墨粉附着于金属粉末的表面；以激光熔覆用粉末的质量计，金属粉末和石墨粉的质量比为100:(0.2~10)。本发明的激光熔覆用粉末，可提高激光熔覆后工件表面的强度、硬度和耐磨性。

Description

一种激光熔覆用粉末及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及激光表面处理技术领域，具体涉及一种激光熔覆用粉末及其制备方法和应用。

背景技术

激光熔覆技术目前是一种成熟的材料表面改性技术，激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热等特性的工艺方法。

激光熔覆后的工件表面性能主要依靠于熔覆材料的性能，现有的熔覆材料多采用常用牌号金属，该类金属粉末多为常规的金属材料，激光熔覆后的工件表面的硬度、强度和耐磨性不足。

发明内容

为了解决现有技术中激光熔覆后的工件表面的硬度、强度和耐磨性不足的问题，提供一种激光熔覆用粉末及其制备方法和应用。

本发明提供一种激光熔覆用粉末，包括金属粉末和石墨粉，所述石墨粉附着于所述金属粉末的表面；以激光熔覆用粉末的质量计，所述金属粉末和所述石墨粉的质量比为100:(0.2~10)。

采用上述技术方案，石墨粉附着于金属粉末的表面，且金属粉末和石墨粉的质量比为100:(0.2~10)时，石墨能够均匀的附着于对应质量的金属粉末的表面，从而通过石墨粉的附着改变激光熔覆使用的金属粉末的物理状态和性能，在激光熔覆时，激光直接辐射作用于金属粉末和石墨粉，在熔覆层中，两者交织融熔，将石墨粉的耐磨润滑及硬度加成性能与金属粉末的高强度、高硬度性能结合，使工件表面（熔覆层）的硬度、强度和耐磨性得到大幅提升；与仅金属粉末形成的熔覆层，或石墨粉与金属粉末冶金熔合后再进行激光熔覆形成的熔覆层相比，石墨粉附着金属粉末表面的形态进行激光熔覆后的工件表面（熔覆层）的耐磨性以及强度、硬度都有显著的提高，从而提升工件的使用寿命，至少使其使用寿命增加30%。

进一步的，以激光熔覆用粉末的质量计，所述金属粉末和所述石墨粉的质量比为100:(0.5~5)。

采用上述技术方案，在上述复配比例下，不会有过多离散、未附着的石墨粉，也不会有过多未附着石墨粉的金属粉末，金属粉末和石墨粉混合附着效果较佳，可生成效果更好的熔覆层。

进一步的，所述金属粉末无空心粉，且粒径为65~200μm。

采用上述技术方案，当金属粉末的粒径在65~200μm范围内时，金属粉末更容易吸附较小粒径的石墨粉。

进一步的，所述石墨粉采用纯度≥99.9wt%，粒径为1~50μm，莫氏硬度为1~2级的高纯石墨粉。

采用上述技术方案，高纯度、小粒径且具有上述莫氏硬度的石墨粉，附着于金属粉末表面后，有利于进一步提高激光熔覆后工件表面的耐磨性。

进一步的，所述金属粉末为铁基粉末、合金钢粉末、碳素钢粉末中的一种或多种。

本发明还提供一种制备上述的激光熔覆用粉末的方法，包括以下步骤：

S1、初步附着：称取一定比例的金属粉末和石墨粉，采用机械方式进行搅拌混合，获得初步附着石墨粉的金属粉末；

S2、制备激光熔覆用粉末：采用超声波搅拌方式进行再次搅拌，混合均匀，获得所述石墨粉附着于所述金属粉末的表面的激光熔覆用粉末。

上述技术方案，通过机械方式和超声波搅拌方式相结合，粉末混合更加均匀，且超声波震动可有效提高石墨粉的附着效果。另一方面，采用上述方式进行石墨粉的附着，均为物理操作，不需要加入助剂，可进一步避免激光熔覆过程杂质的引入。

进一步的，所述金属粉末无空心粉，且粒径为65~200μm；所述石墨粉采用纯度≥99.99wt%，粒径为1~50μm，莫氏硬度为1~2级的高纯石墨粉。

采用上述技术方案，金属粉末的粒径是石墨粉粒径的10~50倍，该粒径比下，可进一步提高石墨粉的附着效果。

进一步的，制备激光熔覆用粉末后，还包括如下步骤：S3、后处理：在惰性气体保护下，对获得的所述激光熔覆用粉末进行真空热处理。

采用上述技术方案，真空热处理工艺，在不引入杂质的情况下，能有效去除激光熔覆用粉末的水分，使球形金属粉末表面的石墨粉附着更加均匀，无黏连，同时还可以防止高温下的氧化反应。

进一步的，所述步骤S2中，利用超声波搅拌器进行再次搅拌，所述超声波搅拌器，搅拌转速为800~1000r/min，搅拌时间为1~4h；所述步骤S3中，采用真空热处理炉进行真空热处理，所述真空热处理炉，压强为0.2-0.6Pa，温度为400~700℃，升温速率为4~6℃/min，保温时间为2~10h。

采用上述的超声波搅拌器和真空处理，可高效的实现附着和热处理。

本发明还提供一种激光熔覆方法，采用上述任一种激光熔覆用粉末进行激光熔覆。

采用上述激光熔覆方法，能有效改善激光熔覆后工件表面性能，尤其是耐磨性和硬度、强度。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明通过在金属粉末表面附着石墨粉的方式，改变激光熔覆使用的金属粉末的物理状态和性能，有效改善激光熔覆后工件表面的性能，尤其是耐磨性、强度和硬度；激光熔覆后的工件表面的洛氏硬度提高5~20HRC，耐磨性提高30~60%，零件寿命增加30%。

2、本发明通过机械方式和超声波方式结合，进行金属粉末和石墨粉的附着，能有效提高附着效果。

附图说明

图1是本发明的实施例1的金属粉末与石墨粉的附着效果电镜图；

图2是本发明的实施例中制备激光熔覆粉末的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一个实施方式，涉及一种激光熔覆用粉末，包括金属粉末和石墨粉，所述石墨粉附着于所述金属粉末的表面；以激光熔覆用粉末的质量计，所述金属粉末和所述石墨粉的质量比为100:(0.2~10)。

需要说明的是，金属粉末为各种可用于激光熔覆工艺的金属粉末，石墨粉附着于金属粉末的表面，附着效果，肉眼观察时，以无明显离散的石墨粉颗粒为准，电镜观察时，如图1所示。图1为500倍的电镜图，从图中可以看出金属粉末表面附着一层小颗粒，该颗粒即为石墨粉颗粒。

石墨粉采用市售的普通石墨粉即可。金属粉末直接采用激光熔覆时使用的金属粉末原料即可。石墨粉和金属粉末通过商购获得。

上述的金属粉末和石墨粉的质量比，是指在进行混合附着操作前，两者加料的质量比。

在上述实施方式的基础上，进一步的，以激光熔覆用粉末的质量计，所述金属粉末和所述石墨粉的质量比为100:(0.5~5)。

需要说明的是，可通过更优的复配比例来实现更佳的附着效果。

在上述实施方式的基础上，进一步的，所述金属粉末无空心粉，且粒径为65~200μm。

需要说明的是，空心粉质量较轻，无法正常附着石墨粉，且在激光熔覆过程中容易产生孔洞，因此，需要避免空心粉的混入。

在上述实施方式的基础上，进一步的，所述石墨粉采用纯度≥99.9wt%，粒径为1~50μm，莫氏硬度为1~2级的高纯石墨粉。

上述优选的石墨粉可以进一步提高附着效果、提高激光熔覆后工件表面的强度、硬度和耐磨性。

在上述实施方式的基础上，进一步的，所述金属粉末为铁基粉末、合金钢粉末、碳素钢粉末中的一种或多种。

需要说明的是，本发明采用的金属粉末，并不局限于上述列举的钢材，还可以是其他用于激光熔覆的金属粉末，只要能附着石墨粉即可。

本发明的另一实施方式中，涉及一种制备上述的激光熔覆用粉末的方法，如图2所示，包括以下步骤：

需要说明的是，机械方式进行搅拌时，根据物料的量，可以选择合适规格的搅拌机，现有技术中能实现搅拌功能的设备均可。

采用超声波搅拌方式进行再次搅拌时，主要是利用了超声波的震动功能，例如杭州清洁机械有限公司的JH800W28型超声波搅拌器或小型超声波搅拌仪均可达到超声波搅拌的目的。

在上述实施方式的基础上，进一步的，所述金属粉末无空心粉，且粒径为65~200μm；所述石墨粉采用纯度≥99.99wt%，粒径为1~50μm，莫氏硬度为1~2级的高纯石墨粉。

在上述实施方式的基础上，进一步的，制备激光熔覆用粉末后，还包括如下步骤：S3、后处理：在惰性气体保护下，对获得的所述激光熔覆用粉末进行真空热处理。

需要说明的是，真空热处理是指在惰性气体的保护下进行加热处理。惰性气体可以选择氩气等。

在上述实施方式的基础上，进一步的，所述步骤S2中，利用超声波搅拌器进行再次搅拌，所述超声波搅拌器，搅拌转速为800~1000r/min，搅拌时间为1~4h；所述步骤S3中，采用真空热处理炉进行真空热处理，所述真空热处理炉，压强为0.2-0.6Pa，温度为400~700℃，升温速率为4~6℃/min，保温时间为2~10h。

本发明的另一实施方式中，涉及一种激光熔覆方法，采用上述任一种激光熔覆用粉末进行激光熔覆。

需要说明的是，对于激光熔覆的具体参数、工艺，本发明不做限定，可根据具体的进行激光熔覆处理的工件进行设定。

以下为本发明提供的具体实施例

实施例1

一种激光熔覆用粉末，质量为30kg，包括金属粉末和石墨粉，所述石墨粉附着于所述金属粉末的表面；以激光熔覆用粉末的质量计，所述金属粉末和所述石墨粉的质量比为100:0.3。

所述金属粉末选择316L不锈钢粉末，要求不含空心粉，且粒径为65~200μm。所述石墨粉采用纯度≥99.9wt%，粒径为1~50μm，莫氏硬度为1~2级的高纯石墨粉。利用电镜观测激光熔覆用粉末的附着效果，电镜图见附图1。

上述激光熔覆用粉末的制备方法，包括以下步骤：

S1、初步附着：称取一定比例的金属粉末和石墨粉，采用机械方式进行搅拌混合，获得初步附着石墨粉的金属粉末。

S2、制备激光熔覆用粉末：采用超声波搅拌器进行再次搅拌，混合均匀，获得所述石墨粉附着于所述金属粉末的表面的激光熔覆用粉末；所述超声波搅拌器，搅拌转速为800r/min，搅拌时间为4h。

S3、后处理：在惰性气体保护下，采用真空热处理炉对获得的所述激光熔覆用粉末进行真空热处理；所述真空热处理炉，压强为0.35Pa，温度为450℃，升温速率为6℃/min，保温时间为3h。

利用激光熔覆将上述激光熔覆粉末融熔到金属零件表面，金属零件为待修复的曲轴，激光熔覆工艺采用的设备为广州泰格激光技术有限公司的TXY-800WF激光熔覆机。激光熔覆工艺采用的具体参数为：激光功率1200W，光斑直径5mm，扫描速度700mm/min，送粉量25g/min。

采用国标方法测试金属零件表面熔覆层的力学性能。本实施例的金属零件表面熔覆层的洛氏硬度为35HRC；磨损率为2×10³mm³/N·mm。

实施例2

所述金属粉末选择17-4PH不锈钢粉末，要求不含空心粉，且粒径为65~200μm。所述石墨粉采用纯度≥99.9wt%，粒径为1~50μm，莫氏硬度为1~2级的高纯石墨粉。

上述激光熔覆用粉末的制备方法，包括以下步骤：

S2、制备激光熔覆用粉末：采用超声波搅拌器进行再次搅拌，混合均匀，获得所述石墨粉附着于所述金属粉末的表面的激光熔覆用粉末；所述超声波搅拌器，搅拌转速为1000r/min，搅拌时间为1h。

S3、后处理：在惰性气体保护下，采用真空热处理炉对获得的所述激光熔覆用粉末进行真空热处理；所述真空热处理炉，压强为0.33Pa，温度为500℃，升温速率为4℃/min，保温时间为8h。

利用激光熔覆将上述激光熔覆粉末融熔到金属零件表面，金属零件为待修复的曲轴，激光熔覆工艺与实施例1相同。

采用国标方法测试金属零件表面熔覆层的力学性能。本实施例的金属零件表面熔覆层的洛氏硬度为37HRC；磨损率为2.1×10³mm³/N•mm。

实施例3

一种激光熔覆用粉末，质量为30kg，包括金属粉末和石墨粉，所述石墨粉附着于所述金属粉末的表面；以激光熔覆用粉末的质量计，所述金属粉末和所述石墨粉的质量比为100:1。

所述金属粉末选择0Cr18Ni9不锈钢粉末，要求不含空心粉，且粒径为65~200μm。所述石墨粉采用纯度≥99.9wt%，粒径为1~50μm，莫氏硬度为1~2级的高纯石墨粉。

上述激光熔覆用粉末的制备方法，包括以下步骤：

S2、制备激光熔覆用粉末：采用超声波搅拌器进行再次搅拌，混合均匀，获得所述石墨粉附着于所述金属粉末的表面的激光熔覆用粉末；所述超声波搅拌器，搅拌转速为900r/min，搅拌时间为2h。

S3、后处理：在惰性气体保护下，采用真空热处理炉对获得的所述激光熔覆用粉末进行真空热处理；所述真空热处理炉，压强为0.5Pa，温度为520℃，升温速率为5℃/min，保温时间为7h。

采用国标方法测试金属零件表面熔覆层的力学性能。本实施例的金属零件表面熔覆层的洛氏硬度为41HRC；磨损率为1.9×10³mm³/N•mm。

实施例4

所述金属粉末选择316L不锈钢粉末，要求不含空心粉，且粒径为65~200μm。所述石墨粉采用纯度≥99.9wt%，粒径为1~50μm，莫氏硬度为1~2级的高纯石墨粉。

上述激光熔覆用粉末的制备方法，包括以下步骤：

S2、制备激光熔覆用粉末：采用超声波搅拌器进行再次搅拌，混合均匀，获得所述石墨粉附着于所述金属粉末的表面的激光熔覆用粉末；所述超声波搅拌器，搅拌转速为820r/min，搅拌时间为3.5h。

S3、后处理：在惰性气体保护下，采用真空热处理炉对获得的所述激光熔覆用粉末进行真空热处理；所述真空热处理炉，压强为0.55Pa，温度为700℃，升温速率为4℃/min，保温时间为7h。

采用国标方法测试金属零件表面熔覆层的力学性能。本实施例的金属零件表面熔覆层的洛氏硬度为38HRC；磨损率为2.1×10³mm³/N•mm。

实施例5

一种激光熔覆用粉末，质量为30kg，包括金属粉末和石墨粉，所述石墨粉附着于所述金属粉末的表面；以激光熔覆用粉末的质量计，所述金属粉末和所述石墨粉的质量比为25:1。

上述激光熔覆用粉末的制备方法，包括以下步骤：

S2、制备激光熔覆用粉末：采用超声波搅拌器进行再次搅拌，混合均匀，获得所述石墨粉附着于所述金属粉末的表面的激光熔覆用粉末；所述超声波搅拌器，搅拌转速为980r/min，搅拌时间为2h。

S3、后处理：在惰性气体保护下，采用真空热处理炉对获得的所述激光熔覆用粉末进行真空热处理；所述真空热处理炉，压强为0.54Pa，温度为600℃，升温速率为4℃/min，保温时间为7h。

采用国标方法测试金属零件表面熔覆层的力学性能。本实施例的金属零件表面熔覆层的洛氏硬度为44HRC；磨损率为1.9×10³mm³/N•mm。

对比例1

本对比例中的激光熔覆用粉末：将实施例1中的石墨粉去除，金属粉末质量不变。

本对比例中的激光熔覆用粉末的制备方法与实施例1相同，利用激光熔覆将本对比例制备的激光熔覆粉末融熔到金属零件表面，金属零件为待修复的曲轴，激光熔覆工艺与实施例1相同。

采用国标方法测试金属零件表面熔覆层的力学性能。本实施例的金属零件表面熔覆层的洛氏硬度为30HRC；磨损率为8×10³mm³/N·mm。

对比例2

本对比例中的激光熔覆用粉末的组分、各组分的质量与实施例1相同，均由金属粉末（316L不锈钢粉末）和石墨粉组成，不同点在于，金属粉末和石墨粉机械搅拌均匀作为激光熔覆用粉末。

利用激光熔覆将本对比例的激光熔覆粉末融熔到金属零件表面，金属零件为待修复的曲轴，激光熔覆工艺与实施例1相同。

采用国标方法测试金属零件表面熔覆层的力学性能。本实施例的金属零件表面熔覆层的洛氏硬度为33HRC；磨损率为9×10³mm³/N·mm。

对比例3

本对比例中的防护涂层：将实施例1中的熔覆材料替换成分替换为40CrNiMo合金粉末，且不分层。

本对比例中的防护涂层的喷涂方法与实施例1相同。

本对比例的防护涂层，相比实施例1的防护涂层早1.5年开裂剥落，相比实施例1的防护涂层磨损量快1.5倍，使用寿命较短。

对比例4

本对比例中的防护涂层：将实施例2中的熔覆材料成分替换为30CrMnSi，且不分层。

本对比例中的防护涂层的喷涂方法与实施例2相同。

本对比例的防护涂层，相比实施例2的防护涂层早1年开裂剥落，相比实施例2的防护涂层磨损量快1倍，使用寿命较短。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims

1.一种激光熔覆用粉末，其特征在于，包括金属粉末和石墨粉，所述石墨粉附着于所述金属粉末的表面；

以激光熔覆用粉末的质量计，所述金属粉末和所述石墨粉的质量比为100:(0.2~10)。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆用粉末，其特征在于，以激光熔覆用粉末的质量计，所述金属粉末和所述石墨粉的质量比为100:(0.5~5)。

3.根据权利要求1或2所述的激光熔覆用粉末，其特征在于，所述金属粉末无空心粉，且粒径为65~200μm。

4.根据权利要求1~3任一项所述的激光熔覆用粉末，其特征在于，所述石墨粉采用纯度≥99.9wt%，粒径为1~50μm，莫氏硬度为1~2级的高纯石墨粉。

5.根据权利要求1~4任一项所述的激光熔覆用粉末，其特征在于，所述金属粉末为铁基粉末、合金钢粉末、碳素钢粉末中的。

6.一种制备权利要求1~5任一项所述的激光熔覆用粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述金属粉末无空心粉，且粒径为65~200μm；所述石墨粉采用纯度≥99.99wt%，粒径为1~50μm，莫氏硬度为1~2级的高纯石墨粉。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，制备激光熔覆用粉末后，还包括如下步骤：

S3、后处理：在惰性气体保护下，对获得的所述激光熔覆用粉末进行真空热处理。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，

所述步骤S2中，利用超声波搅拌器进行再次搅拌，所述超声波搅拌器，搅拌转速为800~1000r/min，搅拌时间为1~4h；

所述步骤S3中，采用真空热处理炉进行真空热处理，所述真空热处理炉，压强为0.2-0.6Pa，温度为400~800℃，升温速率为4~6℃/min，保温时间为2~10h。

10.一种激光熔覆方法，其特征在于，采用权利要求1~5任一项所述的激光熔覆用粉末进行激光熔覆。