CN111826555A - 一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于不锈钢材料外表面修复工程领域，是一种不锈钢材质设备的新型激光熔覆修复方式下的熔覆粉末及使用方法，其中熔覆粉末，包括：Co 45Wt%‑60Wt%、Cr 25Wt%‑35Wt%、W 3.5Wt%‑4.3Wt%、C 1.15Wt%‑1.25Wt%、Ni 3Wt%‑5Wt%、Mo 1.2Wt%‑1.9Wt%、Fe 2Wt%‑3.5Wt%、Si 1.0Wt%‑1.5Wt%、Mn 1Wt%‑1.5Wt%、不可避免的杂质<1 Wt%。达到不低于原设备基体材料的硬度并兼具良好的耐腐蚀能力，硬度高于39HRC。
Description
技术领域
本发明属于不锈钢材料外表面修复工程领域，是一种不锈钢材质设备的新型激光熔覆修复方式下的熔覆粉末配方及使用方法。
背景技术
激光熔覆是一种新型的设备材料表面改进工艺，也被称为激光包覆或激光熔敷。激光熔覆是通过在设备材料表面包覆某特定添料后再使用高能密度的激光进行照射，高能激光照射后使包覆在设备材料表面的特定添料与设备表面发生熔凝，在设备材料表面形成新的熔覆表面层。新的熔覆层厚度多在微米级至毫米级之间（主要受添料喷涂缠绕厚度影响）且厚度均匀，新的喷涂层可显著增加设备基体材料表面的耐蚀、耐热、耐磨、电气或抗氧化等多种新特性，从而使设备材料表面发现改性或达到修复的目的。从目前激光熔覆的使用功能来看，激光熔覆主要应用在如下三个方面：1.改变设备材料表面特性；2.设备表面修复；3. 激光金属沉积技术增材制造。
单从激光熔覆对设备进行修复角度来看，与传统的热喷焊或者堆焊工艺相比，激光熔覆层有形变小，应力低，对设备材料集体的稀释率低，微观缺陷少，组织致密，结合度高，熔覆层尺寸大小和位置可以精确控制等众多优点，尤其是熔覆层的成分可以根据工况需求进行调节。并且激光熔覆的修复时间短，对大型企业的重大成套设备的快速抢修以及设备延寿具有重大意义。因此激光熔覆工艺的应用前景十分广阔。
激光熔覆技术已经应用于多种设备的修复、改性和制造工艺，例如，专利授权公告号为CN107760956B的中国发明专利于2019年06月25日公告了一种硬质合金及局部激光涂覆硬质合金工艺，硬质合金按照重量百分比计各成分如下：Cr：20～27；W：10～14；C：1.5～2.5；Ni：21～23；Fe：1；Si：0.8～1；B：1；Re：1.5；余量为Co。还有现有技术公开了对钛合金、A3钢、904L不锈钢图层添料，例如专利公开号为CN109868474A中国发明专利申请于2019年06月11日公开了一种钛合金的激光熔覆方法，包括Mo25(NiCrBSiFe)粉体、Ti3C2@MoS2复合粉体、Ni粉、Si粉和TiN粉的混合料预置到钛合金表面，形成预置涂层；对预置涂层进行激光熔覆，得到具有熔覆层的钛合金，但熔覆层硬度难以满足多数设备要求，使用范围和功能受限。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种熔覆粉末，用于不锈钢材质设备激光熔覆修复，使新的熔覆层达到不低于原设备基体材料的硬度并兼具良好的耐腐蚀能力，该熔覆粉末主要是在不锈钢基体材料表面用于形成Co-Cr-W-Ni材料的熔覆层。
本发明的目的通过如下方法来实现一种可形成高硬度熔覆层的材料，其特征为：在以不锈钢为基体材料的表面形成一特定厚度熔覆层，具体厚度根据工程实际需要确定，尤其是以修复为目的熔覆层厚度需要零配件实际配合尺寸决定，要求较高。该熔覆层形成后具备原零部件所要求硬度。
一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末配方如表1所示：
本发明中各个成分的含量是根据工程实际试验得出，其中涂层填料基础材料以Co和Cr为主，Co合金有极强的耐磨、耐腐蚀性能，Co物理和化学性质决定了它是耐热、硬质、防腐合金的重要原料，因此在熔覆材料中增加45-60Wt%Co，是首先保证熔覆材料的硬度、和耐热性能，Cr具有亲氧性和亲铁性，有很强的耐腐蚀性，在空气甚至高温下的氧化速度都很慢，铬铁合金有高强度、抗腐蚀、耐磨、耐高温性能，Cr含量的提高可有效提高熔覆层的硬度，在材料中增加25%-30%的Cr后，可以在不锈钢基体材料熔覆层形成后具备高硬度、耐腐蚀、耐磨等性能。其特性材料以W、C、Ni、Mo、Fe、Si、Mn，但由于涂层填料难以达到100%的纯度，因此本发明允许1%以内的其他杂质含量。其中Ni拥有极好的湿润性，在熔覆材料中增加3-5%的Ni，可在熔覆层实现不错的冶金结合。C在熔覆材料融化后，可于Fe形成合金，可以有效提高熔覆层硬度，并且熔覆材料中添加少量的W、Mo可进一步提高熔覆层的耐腐蚀和硬度。而Si、Mn的添加，不仅可以熔融金属的脱氧剂，并且可以作为特性材料进一步增加熔覆层的强度以及改善其他性能。
为获得一种不锈钢基体高硬度激光熔覆修复用的熔覆层材料的目的，根据表1将所需的材料按比例称重后进行均匀混合以及研磨，获得材料粒度达到150-200目熔覆层粉末。
该熔覆粉末需要严格控制粒度和均匀混合，否则熔覆层将因粒度差异过大或混合不均匀导致熔覆层产生质量不均以及开裂等重大工程缺陷。
该熔覆粉末可以作为熔覆材料或者添料。
作为优选，上述不锈钢材质设备激光熔覆粉末配方如表2所示：
本发明的第二目的是提供上述激光熔覆粉末的具体使用方法，如下：
1）将获取的150-200目粒度的均匀混合熔覆材料粉末使用甲基戊酮醇调至粘稠状，使其具备一定的粘附作用且粘附后不易形变；
2）根据实际工程需要，将所需进行激光熔覆的设备表面进行切削、打磨、清洗、擦干；
3）将粘稠状合金粉末均匀涂抹在设备表面上，并进行初步风干，然后再在温度168℃以下烘干，避免甲基戊酮醇沸腾产生不必要的气泡；
4）将烘干后的设备使用激光熔覆技术进行处理，采用激光束对步骤3）的设备进行垂直扫描。
优选的，扫描期间使用惰性气体进行侧向吹风保护。
优选的，所述惰性气体采用氩气。
优选的，扫描期间控制设备表面温度在320-360℃之间，其温度与激光束功率和扫描速度相关，需要做好温度控制。
优选的，步骤3）的烘干时间控制在15min至55min，烘干时间过长，会影响熔覆粉末的附着性和浸润性。
优选的，步骤3）的烘干温度不低于120℃，维持烘干温度在120℃至168℃之间，温度过低，低于120℃，熔覆粉末烘干时，与设备之间的附着性差，后期易脱落，温度多高，易结块，导致裂痕。
优选的，本次所述不锈钢基体为SA182材质不锈钢。
优选的，如有设备进行微切削，需要使用激光熔覆技术恢复设备原尺寸，则需多次重复步骤3），以达到相应厚度；一次性不易涂抹过厚，每次涂抹的厚度不宜超过0.1mm，易造成熔覆层气孔、质量不达标等情况。
与目前技术相比较，本发明有如下优点：
1）该激光熔覆粉末获取容易、制作简单，质量可控度高；
2）该激光熔覆粉末所形成的耐腐蚀、硬度高；根据试验结果显示，熔覆层硬度高于39HRC；
3）该激光熔覆粉末所形成的熔覆层从外观宏观检查看来，质量较高、质地均匀、无断裂和气孔痕迹；
4）成本较低、施工简单、制作和修复速度快，节约大量时间与经费。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的发明内容作进一步的详细描述。应理解，本发明的实施例只用于说明本发明而非限制本发明，在不脱离本发明技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出的各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
实施例1
一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末配方如表3所示：
实施例2
一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末配方如表4所示：
实施例3
一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末配方如表5所示：
实施例4
某SA182不锈钢材质阀杆与阀芯因流体腐蚀与冲刷导致设备表面存在不规则腐蚀冲刷缺陷点，缺陷深度约为0.05mm到0.5mm，表面硬度为35HRC。
1.按表3配方表比例获取所需的配料，进行均匀混合以及研磨，得到150-200目的混合均匀的激光熔覆材料（添料）粉末；
2.将SA182不锈钢材质阀杆与阀芯进行清洗、擦干、吹干；
3.通过数控机床每次对阀芯阀杆缺陷区域进行车削，每次车削量控制在 ∅0.05-0.08mm，根据实际勘测发现多数腐蚀冲刷缺陷点深度在0.4mm以内，因此总共车销量在∅0.4mm，对于个别缺陷点进行则因车削而变得极小，可以通过后续步骤采用激光熔覆方法进行恢复；
4.对未进行车削的区域位置进行保护，如阀杆螺纹处、阀芯密封圈安装槽等，避免二次加工或者处理时对阀芯、阀杆造成损伤、破坏；
5.将获取的150-200目粒度的均匀混合熔覆材料粉末使用甲基戊酮醇调至粘稠状，使其具备一定的粘附作用且粘附后不易形变；
6.因阀芯阀杆已经车削了一定厚度，在后续激光熔覆后需要恢复该特定尺寸，否则将会失去相应的功能，甚至造成设备损坏等；
7.将粘稠状合金粉末均匀涂抹在设备表面上，厚度达到特定厚度后进行初步风干，然后再在温度162-165℃烘干15min，避免甲基戊酮醇沸腾产生不必要的气泡；
8.将阀芯阀杆使用激光熔覆技术进行处理，采用激光束对阀芯阀杆进行垂直扫描，扫描期间使用氩气等惰性气体进行侧向吹风保护，扫描期间控制设备表面温度在320-360℃之间，其温度与激光束功率和扫描速度相关，需要做好温度控制；
9.激光熔覆完成后，按照图纸进行车床、磨床、研磨加工，确保修复后的阀杆阀芯尺寸、同心度等数据与原图纸一致；
10.修复完成后经过对所修复的阀杆、阀芯进行PT、RT、应力、硬度等试验均满足要求，实测修复后的熔覆层硬度为40HRC，且在800℃下能保持系能稳定，具备靠高温腐（汽）蚀性、高温红硬性、耐磨性和抗氧化性，满足实际使用需求。
实施例5
某SA240不锈钢材质阀杆因流体腐蚀与冲刷导致设备表面存在不规则腐蚀冲刷缺陷点，缺陷深度约为0.1mm到0.5mm，表面硬度为38HRC。
1.按表3配方表比例获取所需的配料，进行均匀混合以及研磨，得到150-200目的混合均匀的激光熔覆材料（添料）粉末；
2.将SA240不锈钢材质阀杆进行清洗、擦干、吹干；
3.通过数控机床每次对阀芯阀杆缺陷区域进行车削，每次车削量控制在∅0.05-0.06mm，根据实际勘测发现多数腐蚀冲刷缺陷点深度在0.4mm以内，因此总共车销量在∅0.4mm，对于个别缺陷点进行则因车削而变得极小，可以通过后续步骤采用激光熔覆方法进行恢复；
4.对未进行车削的区域位置进行保护，如阀杆螺纹处、阀芯密封圈安装槽等，避免二次加工或者处理时对阀杆造成损伤、破坏；
5.将获取的150-200目粒度的均匀混合熔覆材料粉末使用甲基戊酮醇调至粘稠状，使其具备一定的粘附作用且粘附后不易形变；
6.因阀杆已经车削了一定厚度，在后续激光熔覆后需要恢复该特定尺寸，否则将会失去相应的功能，甚至造成设备损坏等；
7.将粘稠状合金粉末均匀涂抹在设备表面上，厚度达到特定厚度后进行初步风干，然后再在温度125-130℃烘干45min，避免甲基戊酮醇沸腾产生不必要的气泡；
8.将阀杆使用激光熔覆技术进行处理，采用激光束对阀杆进行垂直扫描，扫描期间使用氩气等惰性气体进行侧向吹风保护，扫描期间控制设备表面温度在320-360℃之间，其温度与激光束功率和扫描速度相关，需要做好温度控制；
9.激光熔覆完成后，按照图纸进行车床、磨床、研磨加工，确保修复后的阀杆尺寸、同心度等数据与原图纸一致；
10.修复完成后经过对所修复的阀杆进行PT、RT、应力、硬度等试验均满足要求，实测修复后的熔覆层硬度为42HRC，且在800℃下能保持系能稳定，具备靠高温腐（汽）蚀性、高温红硬性、耐磨性和抗氧化性，满足实际使用需求。
Claims (10)
1.一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末，其特征在于，包括：Co 45Wt%-60Wt%、Cr 25Wt%-35Wt%、W 3.5Wt%-4.3Wt%、C 1.15Wt%-1.25Wt%、Ni 3Wt%-5Wt%、Mo 1.2Wt%-1.9Wt%、Fe2Wt%-3.5Wt%、Si 1.0Wt%-1.5Wt%、Mn 1Wt%-1.5Wt%、不可避免的杂质<1 Wt%。
2.根据权利要求1所述的一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末，其特征在于，包括：Co45Wt%-48Wt%、Cr 32Wt%-35Wt%、W 3.5Wt%-4.3Wt%、C 1.15Wt%-1.25Wt%、Ni 3Wt%-5Wt%、Mo1.2Wt%-1.9Wt%、Fe 2Wt%-3.5Wt%、Si 1.0Wt%-1.5Wt%、Mn 1Wt%-1.5Wt%、不可避免的杂质<1Wt%。
3.根据权利要求1所述的一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末，其特征在于，粒度为150-200目。
4.一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：1）将获取的150-200目粒度的均匀混合熔覆材料粉末使用甲基戊酮醇调至粘稠状；
2）将所需进行激光熔覆的设备表面进行切削、打磨、清洗、擦干；
3）将步骤1）所得的粘稠状合金粉末均匀涂抹在设备表面上，并进行初步风干，然后再在温度168℃以下烘干；
4）采用激光束对步骤3）的设备进行垂直扫描。
5.根据权利要求4所述的一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末的使用方法，其特征在于，扫描期间使用惰性气体进行侧向吹风保护。
6.根据权利要求5所述的一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末的使用方法，其特征在于，所述惰性气体采用氩气。
7.根据权利要求4所述的一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末的使用方法，其特征在于，扫描期间控制设备表面温度在320-360℃之间。
8.根据权利要求4所述的一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末的使用方法，其特征在于，步骤3）的烘干时间控制在15min至55min。
9.根据权利要求4所述的一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末的使用方法，其特征在于，步骤3）的烘干温度不低于120℃。
10.根据权利要求4所述的一种不锈钢材质设备激光熔覆粉末的使用方法，其特征在于，步骤3）的中每次涂抹的厚度不超过0.1mm。
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| CN114574781A (zh) * | 2022-03-04 | 2022-06-03 | 江苏铭展特钢制造有限公司 | 一种轨道交通用耐磨不锈钢棒及其制备方法 |
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2020
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