CN111826650A - 一种激光熔覆复合粉末及熔覆方法 - Google Patents

一种激光熔覆复合粉末及熔覆方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光熔覆复合粉末及熔覆方法，所述激光熔覆复合粉末，由以下重量百分比的组分组成：铬23.8‑26.4％、镍6.2‑8.8％、锰1.8‑2.3％、钒0.3‑0.5％、钛1.8‑2.1％、硅0.25‑0.4％、铈0.02‑0.05％、磷0.62‑0.73％、碳0.12‑0.14％、余量铁和不可避免的杂质；以及用上述激光熔覆复合粉末用于液压油缸表面修复的激光熔覆方法。本发明的激光熔覆复合粉末的熔覆效果好，修复后的熔覆层的硬度高，耐蚀性和耐磨性能好，对液压油缸的表面修复效果好。

Description

一种激光熔覆复合粉末及熔覆方法
技术领域
本发明属于材料表面强化技术领域，具体涉及一种用于液压油缸表面修复的激光熔覆复合粉末及熔覆方法。
背景技术
大型装备基本完全依靠包含液压油缸的工作机构完成行走、回转、推进以及支撑等功能，在各种工况频繁使用中会造成液压油缸活塞杆裂纹，或者活塞杆表面铬层会出现磨损、滑伤与气蚀，使得液压油缸功能失效，严重影响装备正常使用。针对这些问题，传统活塞杆修复工艺是将先将活塞杆铬层剥掉，重新对表面镀硬铬并抛光，或者镀镍来耐腐蚀。这种工艺的优点是操作简单，活塞杆表面质量高，但是含铬废水和废气严重致癌，对生产工人有极大危害，不符合高端装备智能制造中绿色制造发展规划，寻找替代工艺已经是必然趋势。
激光熔覆技术是一种表面改进技术，工艺流程中主要是喷涂、融化与冷凝三个关键步骤，将选好的熔覆材料经过专门路径喷到需要修复部位，同步对该部位进行激光处理，可实现熔覆材料原表面融化与融合，形成一层薄膜；再通过冷凝装置降温冷却，最终形成新的冶金结合添料熔覆层。新表面涂层改进了材料表面耐磨性、耐蚀性以及耐热性，提高了抗氧化能力。
与传统表面修复工艺相比，激光熔覆具有以下特点：(1)冷却速度快(高达106K/s)，属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等；(2)涂层稀释率低(一般小于5％)，与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控；(3)热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内；(4)粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金；(5)熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2～2.0mm；(6)能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；(7)光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷。
激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料，对环境无污染。因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。
王义猛以含质量分数为0.18％C、1.82％Si、0.14％Mn、19.2％Cr、3.28％Ni、0.01％Mo、0.07％Co和0.90％B的不锈钢粉末为熔覆粉末，利用HighLight10000D型半导体激光器对液压油缸立柱中活柱进行熔覆，并通过调整熔覆工艺参数获得了高的耐磨性的熔覆层，并制得了激光熔覆层的检验标准，为液压油缸表面激光熔覆技术的研究提供了技术支持(液压油缸活柱表面激光熔覆技术研究，热加工工艺，2018年9月，第47卷第18期，137-140)。
CN107779860A公开了一种液压立柱活塞杆及中缸筒激光熔覆方法，该方法采用常规的合金粉，对液压立柱活塞杆及中缸筒的激光熔覆工艺进行改进，具体步骤为：1)熔覆前准备；2)一次激光熔覆；3)层间抬升和4)二次激光熔覆，其采用两次不等速激光熔覆，来达到提高性能和效率、降低成本的目的。
激光熔覆层的性能受很多因素的影响，激光熔覆材料与激光熔覆工艺参数是主要因素之一。激光熔覆材料不但要有良好的熔覆性，还要与基体有好的冶金相容性，否则熔覆层会产生裂纹、剥落等问题。因此，针对激光熔覆材料以及针对特定熔覆材料的熔覆工艺的研究显得尤为重要。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种对基材适应性好，可用于液压油缸表面修复的激光熔覆复合粉末及熔覆方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种激光熔覆复合粉末，由以下重量百分比的组分组成：铬23.8-26.4％、镍6.2-8.8％、锰1.8-2.3％、钒0.3-0.5％、钛1.8-2.1％、硅0.25-0.4％、铈0.02-0.05％、磷0.62-0.73％、碳0.12-0.14％、余量铁和不可避免的杂质。
优选地，所述的激光熔覆复合粉末，由以下重量百分比的组分组成：铬24.0-26.0％、镍6.4-8.6％、锰1.9-2.2％、钒0.35-0.45％、钛1.9-2.0％、硅0.3-0.35％、铈0.025-0.045％、磷0.64-0.70％、碳0.123-0.138％、余量铁和不可避免的杂质。
优选地，所述激光熔覆复合粉末的粒度为25-35μm。
在一些优选地实施例中，所述激光熔覆复合粉末中钒、钛和铈的质量比为7:32:0.6。
在一些优选地实施例中，所述的激光熔覆复合粉末，由以下重量百分比的组分组成：铬24.8％、镍7.2％、锰2.0％、钒0.42％、钛1.92％、硅0.32％、铈0.036％、磷0.68％、碳0.130％、余量铁和不可避免的杂质。
本发明还提供了上述激光熔覆复合粉末在液压油缸表面修复中的应用。
一种用于液压油缸表面修复的激光熔覆方法，包括以下步骤：
(1)对液压油缸的熔覆基材表面进行预处理，清理表面的灰尘、油污或锈蚀；
(2)利用上述激光熔覆混合粉末进行激光熔覆处理。
优选地，步骤(1)中所述熔覆基材的材质为30CrMo、30CrMnSi、42CrMo、40Cr、20CrMo或15CrMo。
优选地，步骤(2)中所述激光熔覆采用的激光器为半导体激光器。
优选地，所述半导体激光器的功率为800-1000W,光斑尺寸为3×24mm。
优选地，步骤(2)中所述激光熔覆的工艺参数为：送粉速度为10-30g/min，线速度为500-600mm/min，搭接量为3.6-4.8mm，保护气进给量为1-2mm/min。
优选地，所述保护气为氩气或氮气。
本发明的有益效果为：
本发明的激光熔覆复合粉末由铬、镍、锰、钒、钛、硅、铈、磷、碳、余量铁和不可避免的杂质组成，与30CrMo、30CrMnSi、42CrMo、40Cr、20CrMo或15CrMo等材质的熔覆基体的相容性好，可以有效减少熔覆层的裂纹、剥离等问题，并同时通过合理调控激光熔覆工艺参数，实现了激光功率和扫描速度的有效匹配，减少由于急速加热/冷却产生的热应力，减少熔覆层的裂纹及基体的变形等缺陷。
与现有技术相比，本发明的激光熔覆复合粉末的熔覆效果好，修复后的熔覆层的硬度高，耐腐蚀性和耐磨性能好，对液压油缸的表面修复效果好。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。具体实施例中以液压油缸受损的活塞杆为例，进行激光熔覆修复。所述活塞杆的材质为30CrMo。
实施例1
一种激光熔覆复合粉末，由以下重量百分比的组分组成：铬23.8％、镍6.2％、锰1.8％、钒0.3％、钛1.8％、硅0.25％、铈0.02％、磷0.62％、碳0.12％、余量铁和不可避免的杂质，该激光熔覆复合粉末的粒度为35μm。
一种应用上述激光熔覆复合粉末进行液压油缸表面修复的激光熔覆方法，包括以下步骤：
(1)、对液压油缸的熔覆基材表面进行预处理，清理表面的灰尘、油污或锈蚀；
(2)利用上述激光熔覆混合粉末进行激光熔覆处理；
所述激光熔覆采用的激光器为半导体激光器，所述半导体激光器的功率为800W,光斑尺寸为3×24mm；
所述激光熔覆的工艺参数为：送粉速度为10g/min，线速度为500mm/min，搭接量为4.8mm，保护气氩气进给量为1mm/min。
实施例2
一种激光熔覆复合粉末，由以下重量百分比的组分组成：铬26.4％、镍8.8％、锰2.3％、钒0.5％、钛2.1％、硅0.4％、铈0.05％、磷0.73％、碳0.14％、余量铁和不可避免的杂质，该激光熔覆复合粉末的粒度为25μm。
一种应用上述激光熔覆复合粉末进行液压油缸表面修复的激光熔覆方法，包括以下步骤：
(1)、对液压油缸的熔覆基材表面进行预处理，清理表面的灰尘、油污或锈蚀；
(2)利用上述激光熔覆混合粉末进行激光熔覆处理；
所述激光熔覆采用的激光器为半导体激光器，所述半导体激光器的功率为1000W,光斑尺寸为3×24mm；
所述激光熔覆的工艺参数为：送粉速度为30g/min，线速度为600mm/min，搭接量为3.6mm，保护气氩气进给量为2mm/min。
实施例3
一种激光熔覆复合粉末，由以下重量百分比的组分组成：铬24.0％、镍6.4％、锰1.9％、钒0.35％、钛1.9％、硅0.3％、铈0.025％、磷0.64％、碳0.123％、余量铁和不可避免的杂质，该激光熔覆复合粉末的粒度为30μm。
一种应用上述激光熔覆复合粉末进行液压油缸表面修复的激光熔覆方法，包括以下步骤：
(1)、对液压油缸的熔覆基材表面进行预处理，清理表面的灰尘、油污或锈蚀；
(2)利用上述激光熔覆混合粉末进行激光熔覆处理；
所述激光熔覆采用的激光器为半导体激光器，所述半导体激光器的功率为980W,光斑尺寸为3×24mm；
所述激光熔覆的工艺参数为：送粉速度为25g/min，线速度为580mm/min，搭接量为4.0mm，保护气氩气进给量为1.8mm/min。
实施例4
一种激光熔覆复合粉末，由以下重量百分比的组分组成：铬26.0％、镍8.6％、锰2.2％、钒0.45％、钛2.0％、硅0.35％、铈0.045％、磷0.70％、碳0.138％、余量铁和不可避免的杂质，该激光熔覆复合粉末的粒度为30μm。
一种应用上述激光熔覆复合粉末进行液压油缸表面修复的激光熔覆方法，包括以下步骤：
(1)、对液压油缸的熔覆基材表面进行预处理，清理表面的灰尘、油污或锈蚀；
(2)利用上述激光熔覆混合粉末进行激光熔覆处理；
所述激光熔覆采用的激光器为半导体激光器，所述半导体激光器的功率为900W,光斑尺寸为3×24mm；
所述激光熔覆的工艺参数为：送粉速度为15g/min，线速度为520mm/min，搭接量为4.6mm，保护气氩气进给量为1.2mm/min。
实施例5
一种激光熔覆复合粉末，由以下重量百分比的组分组成：铬24.8％、镍7.2％、锰2.0％、钒0.42％、钛1.92％、硅0.32％、铈0.036％、磷0.68％、碳0.130％、余量铁和不可避免的杂质，该激光熔覆复合粉末的粒度为30μm。
一种应用上述激光熔覆复合粉末进行液压油缸表面修复的激光熔覆方法，包括以下步骤：
(1)、对液压油缸的熔覆基材表面进行预处理，清理表面的灰尘、油污或锈蚀；
(2)利用上述激光熔覆混合粉末进行激光熔覆处理；
所述激光熔覆采用的激光器为半导体激光器，所述半导体激光器的功率为950W,光斑尺寸为3×24mm；
所述激光熔覆的工艺参数为：送粉速度为22g/min，线速度为550mm/min，搭接量为4.2mm，保护气氩气进给量为1.5mm/min。
实施例6
一种激光熔覆复合粉末，由以下重量百分比的组分组成：铬25.4％、镍6.8％、锰2.1％、钒0.42％、钛1.92％、硅0.34％、铈0.036％、磷0.66％、碳0.136％、余量铁和不可避免的杂质，该激光熔覆复合粉末的粒度为30μm。
一种应用上述激光熔覆复合粉末进行液压油缸表面修复的激光熔覆方法，包括以下步骤：
(1)、对液压油缸的熔覆基材表面进行预处理，清理表面的灰尘、油污或锈蚀；
(2)利用上述激光熔覆混合粉末进行激光熔覆处理；
所述激光熔覆采用的激光器为半导体激光器，所述半导体激光器的功率为950W,光斑尺寸为3×24mm；
所述激光熔覆的工艺参数为：送粉速度为22g/min，线速度为550mm/min，搭接量为4.2mm，保护气氩气进给量为1.5mm/min。
对比例1
本对比例与实施例5的区别在于，所述的激光熔覆复合粉末，由以下重量百分比的组分组成：铬24.8％、镍7.2％、锰2.0％、钒0.44％、钛1.97％、硅0.32％、铈0.030％、磷0.68％、碳0.130％、余量铁和不可避免的杂质。
对比例2
本对比例与实施例5的区别在于，所述的激光熔覆复合粉末，由以下重量百分比的组分组成：铬24.8％、镍7.2％、锰2.0％、钒0.42％、钛1.92％、硅0.32％、磷0.68％、碳0.130％、余量铁和不可避免的杂质。
对比例3
本对比例与实施例5的区别在于，所述的激光熔覆复合粉末，由以下重量百分比的组分组成：铬22.0％、镍5％、锰2.0％、钒0.42％、钛1.92％、硅0.32％、铈0.036％、磷0.58％、碳0.10％、余量铁和不可避免的杂质。
对比例4
采用CN110965061A实施例的铁基合金粉及其熔覆工艺。
对实施例1-6和对比例1-4制备的熔覆层进行性能检测，依据液压油缸活柱表面激光熔覆技术研究(热加工工艺，2018年9月，第47卷第18期，137-140)中的方法对熔覆前后的工件进行耐磨和耐蚀性能测试，结果如表1所示。
表1
硬度HRC 相对耐磨性/倍 相对耐蚀性/倍
实施例1 65 9.3 5.2
实施例2 62 9.1 5.1
实施例3 67 9.4 5.4
实施例4 64 9.2 5.3
实施例5 75 11.8 7.8
实施例6 70 10.6 7.2
对比例1 66 9.4 5.3
对比例2 53 5.5 3.6
对比例3 55 6.2 3.8
对比例4 56 6.5 3.8
由表1可知，本发明制备的激光熔覆层的显微硬度值大于62HRC，且相比熔覆前的液压油缸的活塞杆，且耐磨耐蚀性能具有明显提高。同时，根据实施例5和6可知，当激光熔覆复合粉中钒、钛和铈的质量比为7:32:0.6，制备得到的激光熔覆层的熔覆效果较好。
同时通过熔覆结束后零件表面检查发现，本发明实施例1-6制备的熔覆层无裂缝、气孔等缺陷，同时，实施例5和6的熔覆层组织更均匀、细化，而对比例1-4制备的熔覆层，则存在明显的裂缝，以及有气孔导致的孔洞等缺陷。
综上所述，本发明的激光熔覆复合粉末由铬、镍、锰、钒、钛、硅、铈、磷、碳、余量铁和不可避免的杂质组成，与30CrMo、30CrMnSi、42CrMo、40Cr、20CrMo或15CrMo等材质的熔覆基体的相容性好，可以有效减少熔覆层的裂纹、剥离等问题，并同时通过合理调控激光熔覆工艺参数，实现了激光功率和扫描速度的有效匹配，减少由于急速加热/冷却产生的热应力，减少熔覆层的裂纹及基体的变形等缺陷。
与现有技术相比，本发明的激光熔覆复合粉末的熔覆效果好，修复后的熔覆层的硬度高，耐腐蚀性和耐磨性能好，对液压油缸的表面修复效果好。
以上是结合具体实施例对本发明进一步的描述，但这些实施例仅仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光熔覆复合粉末，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：铬23.8-26.4％、镍6.2-8.8％、锰1.8-2.3％、钒0.3-0.5％、钛1.8-2.1％、硅0.25-0.4％、铈0.02-0.05％、磷0.62-0.73％、碳0.12-0.14％、余量铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆复合粉末，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：铬24.0-26.0％、镍6.4-8.6％、锰1.9-2.2％、钒0.35-0.45％、钛1.9-2.0％、硅0.3-0.35％、铈0.025-0.045％、磷0.64-0.70％、碳0.123-0.138％、余量铁和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的激光熔覆复合粉末，其特征在于，所述激光熔覆复合粉末的粒度为25-35μm。
4.根据权利要求1所述的激光熔覆复合粉末，其特征在于，所述激光熔覆复合粉末中钒、钛和铈的质量比为7:32:0.6。
5.一种权利要求1-4任一项所述的激光熔覆复合粉末在液压油缸表面修复中的应用。
6.一种用于液压油缸表面修复的激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对液压油缸的熔覆基材表面进行预处理，清理表面的灰尘、油污或锈蚀；
(2)利用权利要求1-4任一项所述的激光熔覆混合粉末进行激光熔覆处理。
7.根据权利要求6所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆采用的激光器为半导体激光器。
8.根据权利要求6所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述半导体激光器的功率为800-1000W,光斑尺寸为3×24mm。
9.根据权利要求6所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆的工艺参数为：送粉速度为10-30g/min，线速度为500-600mm/min，搭接量为3.6-4.8mm，保护气进给量为1-2mm/min。
10.根据权利要求6所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述保护气为氩气或氮气。
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