CN111390159A - 激光增材制造修复马氏体钢的合金粉末及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光增材制造修复领域，更具体地，涉及一种用于激光增材制造修复马氏体钢的合金粉末及其制备和应用。以质量百分比计，该合金粉末含有0.03％‑0.4％的C、6％‑10％的Cr、4％‑8％的Ni、0.5％‑1.5％的Mn、0.6％‑1.2％的Si，余量为Fe和不可避免的杂质，使其具有较低的马氏体相变点。使用该合金粉末对马氏体钢进行激光增材修复，在修复区域形成马氏体组织，并利用马氏体相变的体积膨胀效应，抵消修复区冷却产生的热收缩，在修复区域产生残余压应力，避免修复零件产生变形、疲劳裂纹等缺陷，提高零件修复的时效性、可靠性，实现受损零件的“即修即用”。
Description
技术领域
本发明属于激光增材制造修复领域，更具体地，涉及一种用于激光增材制造修复马氏体钢的合金粉末及其制备和应用。
背景技术
高强马氏体钢，通常具有良好的塑韧性、优异的疲劳性能、断裂韧性和抗应力腐蚀性能，是一种十分重要的钢种，大量应用于航空航天、交通运输、模具制造等重要领域，这些领域的零部件往往制造成本高、更换周期长，因此对非严重损坏的零部件进行及时修复并恢复其服役性能具有重要的经济效应和战略意义。
然而高强马氏体钢在修复过程中易产生裂纹，修复难度大，修复区的残余应力状态是影响其开裂的主要因素。目前多以电弧为热源进行修复，并配合以焊前预热、焊后热处理等方法改善其内部应力才能实现可靠的修复，增加了修复的时间成本，且以电弧为修复热源时，其较大的热输入量会导致热影响区(HAZ)性能恶化以及零件变形等缺点。
以激光为热源的增材修复技术具有能量密度高、可局部加热、HAZ小以及易实现自动化修复等优点，可避免因热输入过大产生的变形、晶粒粗大等缺陷，再配合以特定的成分的修复材料，可大大降低修复区残余应力，提高马氏体钢修复的可靠性。在专利CN108504928A、CN108356263A中公开了几种用于激光增材制造的马氏体合金粉末，通过调整粉末元素含量，获得细小、均匀的马氏体+弥散碳化物等组织，实现良好的成形性能，但粉末要通过真空熔炼—高压气雾化等复杂工序制得；且影响修复区域服役性能最核心的因素是其内部的应力状态，一般马氏体相变点在300～500℃之间，相变结束后冷却至室温过程中的热收缩使其处于残余拉应力状态，影响修复后的服役性能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于激光增材制造修复马氏体钢的合金粉末及其制备和应用，其通过调整C、Cr、Ni、Mn、Si等合金元素比例，降低Ms点，利用马氏体相变伴随的体积膨胀抵消凝固过程中形成的拉应力，获得修复区域的压应力，由此解决现有技术增材制造修复马氏体钢不能获得修复区域的压应力、修复效果差的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于激光增材制造修复马氏体钢的合金粉末，以质量百分比计，该合金粉末含有0.03％-0.4％的C、6％-10％的Cr、4％-8％的Ni、0.5％-1.5％的Mn、0.6％-1.2％的Si，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，以质量百分比计，该合金粉末含有0.1％-0.32％的C、6％-9％的Cr、6％-8％的Ni、0.5％-0.9％的Mn、0.6％-0.8％的Si、0.2％-0.9％的Mo、0.2％-0.7％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，以质量百分比计，该合金粉末含有0.32％的C、6.1％的Cr、6.1％的Ni、0.6％的Mn、0.8％的Si、0.9％的Mo、0.7％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，以质量百分比计，该合金粉末含有0.2％的C、8.0％的Cr、6.1％的Ni、0.8％的Mn、0.7％的Si、0.5％的Mo、0.4％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，以质量百分比计，该合金粉末含有0.11％的C、8.2％的Cr、8.1％的Ni、0.9％的Mn、0.6％的Si、0.2％的Mo、0.2％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的合金粉末的制备方法，通过将H13钢、304不锈钢和invar 36按比例混合制备得到。
优选地，通过将H13钢、304不锈钢、invar 36和纯铁粉按比例混合制备得到。
优选地，通过将粉末重量按H13钢：304不锈钢：invar 36＝50：9：9的比例称取混合得到合金粉末，以质量百分比计，该合金粉末含有0.32％的C、6.1％的Cr、6.1％的Ni、0.6％的Mn、0.8％的Si、0.9％的Mo、0.7％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，通过将粉末重量按H13钢：304不锈钢：invar 36：纯铁粉＝32：28：7：16的比例称取后混合得到合金粉末，以质量百分比计，该合金粉末含有0.2％的C、8.0％的Cr、6.1％的Ni、0.8％的Mn、0.7％的Si、0.5％的Mo、0.4％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，通过将粉末重量按H13钢：304不锈钢：invar 36：纯铁粉＝8：20：6：15的比例称取后混合得到合金粉末，以质量百分比计，该合金粉末含有0.11％的C、8.2％的Cr、8.1％的Ni、0.9％的Mn、0.6％的Si、0.2％的Mo、0.2％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的合金粉末的应用，用于激光增材制造修复马氏体钢。
优选地，所述合金粉末的粒径为45-105μm。
优选地，所述激光增材制造的激光功率1000-4000W，光斑直径2-3mm，扫描速度0.5-2m/min，送粉量为10-40g/min，每层提升量为0.6-1.0mm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供了一种用于激光增材制造修复马氏体钢的合金粉末及其制备，其通过调整C、Cr、Ni、Mn、Si等合金元素比例，降低Ms点，利用马氏体相变伴随的体积膨胀抵消凝固过程中形成的拉应力，获得修复区域的压应力。
(2)本发明通过现有的几种粉末按照一定的配比、混合制得所需的合金粉末，缩短了制粉周期，扩大了适用范围，提高零件修复的时效性、可靠性，由此解决现有技术用于修复马氏体钢的合金粉末制粉工序多、周期长等的技术问题。
(3)本发明通过对各种合金粉末元素的配比进行设计，采用本发明提供的用于激光增材制造修复的合金粉末，不仅能够在修复区获得良好的成形性和压应力状态，还可以根据修复区服役特点匹配不同强度、硬度、韧性等性能组合的粉末。
(4)本发明提供的用于激光增材制造修复的合金粉末，可采用激光增材制造工艺修复各种马氏体钢，在修复区域形成马氏体组织，并利用马氏体相变的体积膨胀效应，抵消修复区冷却产生的热收缩，大大降低残余应力水平，避免修复零件产生变形、疲劳裂纹等缺陷，提高零件修复的时效性、可靠性，实现受损零件的“即修即用”。
附图说明
图1为常规/低温马氏体相变的线膨胀量曲线图。
图2受损区域开槽修复示意图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种用于激光增材制造修复马氏体钢的合金粉末，以质量百分比计，该合金粉末含有0.03％-0.4％的C、6％-10％的Cr、4％-8％的Ni、0.5％-1.5％的Mn、0.6％-1.2％的Si，余量为Fe和不可避免的杂质。
一些实施例中，该合金粉末含有0.1％-0.32％的C、6％-9％的Cr、6％-8％的Ni、0.5％-0.9％的Mn、0.6％-0.8％的Si、0.2％-0.9％的Mo、0.2％-0.7％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明提供的一种用于激光增材制造修复高强马氏体钢的合金粉末、其制备方法和激光增材修复工艺。通过调整C、Cr、Ni、Mn、Si等合金元素比例，降低Ms点，利用马氏体相变伴随的体积膨胀抵消凝固过程中形成的拉应力，获得修复区域的压应力，并通过现有的其他粉末配比、混合制得所需的合金粉末，缩短了制粉周期，扩大了适用范围，提高零件修复的时效性、可靠性。
本发明还提供了一种所述的合金粉末的制备方法，通过将H13钢、304不锈钢、invar 36按比例混合制备得到。
一些实施例中，所述合金粉末的制备，通过将H13钢、304不锈钢、invar36和纯铁粉按比例混合制备得到。
本发明采用已商用的304不锈钢粉末、H13钢粉末、invar 36粉末以及纯铁粉混合制得，各商用粉末成分如表1所示，纯铁粉的铁含量大于99.9％，其余为不可避免的杂质，粒径均为45-105μm，具有良好的流动性。
表1三种现有合金粉末化学成分
| C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo | V | Fe | |
| 304 | 0.08 | 1.96 | 1.04 | 18 | 9 | - | - | 余量 |
| invar 36 | 0.03 | 0.35 | 0.2 | 0.2 | 36 | - | - | 余量 |
| H13 | 0.42 | 0.36 | 0.8 | 5.05 | 0.15 | 1.23 | 0.93 | 余量 |
该方法包括以下步骤：
根据待修复的马氏体钢的种类，设计合金粉末中C、Cr、Ni、Mn、Si元素比例，通过将不同质量的现有粉末混合、干燥后，用于同步送粉激光增材制造，激光在氩气氛围下将混合粉末熔化，对待修复区进行填充。
本发明设计的合金粉末主要考虑C、Cr、Ni、Mn、Si五种对Ms点影响较大的元素，各元素的质量百分比为：C：0.03-0.4％；Cr：6％-10％；Ni：4％-8％；Mn：0.5％-1.5％；Si：0.6-1.2％；余量为Fe和不可避免的杂质。
一些优选实施例中，以质量百分比计，该合金粉末含有0.32％的C、6.1％的Cr、6.1％的Ni、0.6％的Mn、0.8％的Si、0.9％的Mo、0.7％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。该合金粉末可以通过将粉末重量按H13钢：304不锈钢：invar 36＝50：9：9的比例称取混合得到。
另一些优选实施例中，以质量百分比计，该合金粉末含有0.2％的C、8.0％的Cr、6.1％的Ni、0.8％的Mn、0.7％的Si、0.5％的Mo、0.4％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。该合金粉末可以通过将粉末重量按H13钢：304不锈钢：invar 36：纯铁粉＝32：28：7：16的比例称取后混合得到。
另一些优选实施例中，以质量百分比计，该合金粉末含有0.11％的C、8.2％的Cr、8.1％的Ni、0.9％的Mn、0.6％的Si、0.2％的Mo、0.2％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。该合金粉末可以通过将粉末重量按H13钢：304不锈钢：invar 36：纯铁粉＝8：20：6：15的比例称取后混合得到。
本发明所述纯铁粉的纯度大于99.9％。
本发明还提供了所述的合金粉末的应用，用于激光增材制造修复马氏体钢。
一些实施例中，将该合金粉末用于增材制造修复马氏体钢时，所述合金粉末的粒径为45-105μm。
一些实施例中，所述激光增材制造的激光功率1000-4000W，光斑直径2-3mm，扫描速度0.5-2m/min，送粉量为10-40g/min，每层提升量为0.6-1.0mm。
一些实施例中，本发明采用的激光增材制造修复高强马氏体钢的修复方法，包括如下步骤：
S1：按照计算好的质量比，分别称取现有粉末。
S2：将称好的原料粉末放入含有钢球的混瓶中，球料比按1：(8-12)，混瓶外缠绕绝缘胶带，然后放在球磨滚筒机内混合6h，滚筒机转速为350r/min。
S3：将混合粉末烘干，方法为用烘干箱烘干，烘干温度为150℃，时间2h，氩气气氛保护。
S4：同步送粉激光增材制造，工艺参数为：激光功率1000-4000W，光斑直径2-3mm，扫描速度0.5-2m/min，送粉量为10-40g/min，每层提升量为0.6-1.0mm。
合金粉末中实现马氏体低温相变的原理为调节合金元素含量，扩大奥氏体相区，各元素的作用如下：
碳元素能明显降低马氏体钢的Ms点，并且提高钢的强度和硬度，随着含碳量的增加，钢一般呈现强度、硬度增加，塑性、韧性降低的规律，因此对有不同服役性能的待修复零件，要选用合适的碳含量。
铬元素与碳易形成碳化物，能在α—Fe中无限固溶，因此铬元素能使得钢铁材料的CCT曲线右移，扩大奥氏体相区，降低Ms点；镍元素不与碳反应形成碳化物，也是奥氏体形成和稳定的主要元素，能降低Ms点，铬和镍元素相互配合能显著扩大奥氏体相区，降低Ms点。
Mn和Si都是能降低Ms点的元素，加入少量的Mn和Si能起到很好的脱氧脱硫作用，避免热脆现象。
优选实施例中，合金粉末中还含有少量的Mo和V，少量的Mo能改善材料的耐磨性，并且提高材料强度，少量的V可以起到弥散强化、细化晶粒的作用。
本发明提出的合金粉末能够修复马氏体钢的原理是在钢中加入C、Cr、Ni、Mn、Si等元素，明显降低Ms点，制得低温马氏体相变材料，在修复区复杂的约束条件下利用马氏体相变的体积膨胀抵消冷却产生的热收缩，如图1所示，低温马氏体相变点相对于常规马氏体相变点具有更大的体积膨胀，能够更好地抵消冷却产生的热收缩。实验证明本发明提供的具有低温马氏体相变点的合金粉末对多种马氏体钢进行修复，均能在修复区获得残余压应力，且不受母材马氏体钢相变点影响。
本发明在设计用于激光增材制造修复多种马氏体钢的合金粉末组成时，主要以C、Cr、Ni、Mn、Si五种能够降低合金粉末马氏体相变点的元素为考虑对象，以这五种元素的特定含量范围区间为设计目标。通过使用几种已商业化的合金粉末进行质量配比实现上述五种元素的特定含量范围的目标，从而快速获得具有较低马氏体相变点的合金粉末。本发明获得用于激光增材制造修复马氏体钢的合金粉末的方法简单易操作，且实验证明按照本发明简单混粉方式获得的具有较低马氏体相变点的合金粉末在用于母材马氏体钢的损伤修复时，其适用范围并不受母材化学成分和马氏体相变点的影响，在损伤区域均能实现致密、无缺陷的修复，且获得残余压应力状态。
以下为实施例：
实施例1
选取一块H13热作模具钢，其Ms点约为350℃，模拟其产生了磨损或疲劳裂纹，然后对损坏的区域进行打磨、开槽，如图2所示，然后进行激光增材修复，具体包括以下步骤：
S1：粉末重量按H13钢：304不锈钢：invar 36＝50：9：9的比例称取，经计算，混合后的合金粉末化学成分为：C：0.32％；Cr：6.1％；Ni：6.1％；Mn：0.6％；Si：0.8％；Mo：0.9％；V：0.7％；余量为Fe和不可避免的杂质，其Ms点约为210℃，热膨胀曲线见图1曲线2。
S2：混合方法为球磨混料，将称好的粉末放入含有钢球的混瓶中，球料比按1：10，混瓶外缠绕绝缘胶带，然后放到球磨滚筒机内混合6h，滚筒机转速为350r/min。
S3：将S2制备的混合粉末充分干燥，放到烘干箱中烘干，温度150℃，时间2h，氩气气氛保护。
S4：同步送粉激光增材修复，工艺参数为：激光功率2400W，光斑直径3mm，扫描速度0.5m/min，送粉量14g/min，每层提升量0.7mm，搭接率为30％。
S5：激光增材修复后，填充金属的横截面、纵截面均很致密，无未融合、裂纹等缺陷，硬度为58-64HRC，且修复区域残余应力测试结果为σ1＝-169Mpa，σ2＝-226Mpa。
实施例2
选取一块Q690D钢，其Ms点约为410℃，热膨胀曲线见图1曲线1，模拟其产生了损伤，然后对损伤的区域进行打磨、开槽，进行激光增材修复，具体包括以下步骤：
S1：粉末重量按H13钢：304不锈钢：invar 36：纯铁粉＝32：28：7：16的比例称取，经计算，混合后的合金粉末化学成分为：C：0.2％；Cr：8.0％；Ni：6.1％；Mn：0.8％；Si：0.7％；Mo：0.5％；V：0.4％；余量为Fe和不可避免的杂质。
S2：混合方法为球磨混料，将称好的粉末放入含有钢球的混瓶中，球料比按1：10，混瓶外缠绕绝缘胶带，然后放到球磨滚筒机内混合6h，滚筒机转速为350r/min。
S3：将S2制备的混合粉末充分干燥，放到烘干箱中烘干，温度150℃，时间2h，氩气气氛保护。
S4：同步送粉激光增材修复，工艺参数为：激光功率2400W，光斑直径3mm，扫描速度0.5m/min，送粉量14g/min，每层提升量0.7mm，搭接率为30％。
S5：激光增材修复后，填充金属的横截面、纵截面均很致密，无未融合、裂纹等缺陷，且修复区域残余应力测试结果为σ1＝-128Mpa，σ2＝-207Mpa。
实施例3
选取一块QP980钢，其Ms点约为390℃，模拟其产生了损伤，然后对损伤的区域进行打磨、开槽，进行激光增材修复，具体包括以下步骤：
将实施案例中的粉末配制比例改为H13钢：304不锈钢：invar 36：纯铁粉＝8：20：6：15，混合后的合金粉末化学成分为：C：0.11％；Cr：8.2％；Ni：8.1％；Mn：0.9％；Si：0.6％；Mo：0.2％；V：0.2％；余量为Fe和不可避免的杂质。
然后按实施案例2中S2、S3、S4进行混合、烘干、激光增材修复，最后也得到了致密、无缺陷的填充金属层，修复区域残余应力测试结果为σ1＝-137Mpa，σ2＝-265Mpa。
实施例4
在下表中，给出了其它多种配制比例的合金粉末，均利用了马氏体相变体积膨胀原理，冷却至室温时为马氏体组织，并且处于压应力状态。
表2其它配制比例的合金粉末
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于激光增材制造修复马氏体钢的合金粉末，其特征在于，以质量百分比计，该合金粉末含有0.03％-0.4％的C、6％-10％的Cr、4％-8％的Ni、0.5％-1.5％的Mn、0.6％-1.2％的Si，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的合金粉末，其特征在于，以质量百分比计，该合金粉末含有0.1％-0.32％的C、6％-9％的Cr、6％-8％的Ni、0.5％-0.9％的Mn、0.6％-0.8％的Si、0.2％-0.9％的Mo、0.2％-0.7％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的合金粉末，其特征在于，以质量百分比计，该合金粉末含有0.32％的C、6.1％的Cr、6.1％的Ni、0.6％的Mn、0.8％的Si、0.9％的Mo、0.7％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
4.如权利要求1所述的合金粉末，其特征在于，以质量百分比计，该合金粉末含有0.2％的C、8.0％的Cr、6.1％的Ni、0.8％的Mn、0.7％的Si、0.5％的Mo、0.4％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
5.如权利要求1所述的合金粉末，其特征在于，以质量百分比计，该合金粉末含有0.11％的C、8.2％的Cr、8.1％的Ni、0.9％的Mn、0.6％的Si、0.2％的Mo、0.2％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
6.如权利要求1至5任一项所述的合金粉末的制备方法，其特征在于，通过将H13钢、304不锈钢和invar 36按比例混合制备得到。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，通过将H13钢、304不锈钢、invar 36和纯铁粉按比例混合制备得到。
8.如权利要求1至5任一项所述的合金粉末的应用，其特征在于，用于激光增材制造修复马氏体钢。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述合金粉末的粒径为45-105μm。
10.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述激光增材制造的激光功率1000-4000W，光斑直径2-3mm，扫描速度0.5-2m/min，送粉量为10-40g/min，每层提升量为0.6-1.0mm。
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