CN111945155A - 基于30CrMnSiA钢的双筒同步送粉熔化沉积复合熔覆层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于30CrMnSiA钢的双筒同步送粉熔化沉积复合熔覆层的方法，所述方法包括：选取合金粉末，所述合金粉末包括316奥氏体不锈钢金属球形粉末和WC金属球形粉末；对待熔覆工件进行预热，预热温度为500‑690℃；设定激光熔覆工艺参数，对待熔覆工件表面进行激光熔覆，形成复合熔覆层。本发明采用方向性、相干性及亮度较好的高能密度激光束作为能量输入，实现整个加工过程的快冷快热，在30CrMnSiA钢基材上实现微冶金熔覆改性。
Description
技术领域
本发明属于激光熔化沉积技术领域，涉及一种基于30CrMnSiA钢的双筒同步送粉熔化沉积，实现表面改性的工艺方法。
背景技术
30CrMnSiA钢属于中碳调制钢，强度高，焊接性能较好，大量用于制造轴类、活塞类零件，但在构件的使用过程中暴露出耐磨性、耐腐蚀性差的问题，构件的使用寿命大大缩短。因此，需要对其表面进行改性，以提高其抗耐磨性能。
发明内容
本发明的目的：提供一种基于30CrMnSiA钢的双筒同步送粉(316/WC)熔化沉积实现表面改性的工艺方法，可有效提升构的整体耐磨性、耐腐蚀性。
本发明的技术方案：提供一种基于30CrMnSiA钢的双筒同步送粉熔化沉积复合熔覆层的方法，所述方法包括：
选取合金粉末，所述合金粉末包括316奥氏体不锈钢金属球形粉末和WC金属球形粉末；
对待熔覆工件进行预热，预热温度为500-690℃；
设定激光熔覆工艺参数，对待熔覆工件表面进行激光熔覆，形成复合熔覆层；
其中，所述工艺参数中：激光功率为4000-4500W、离焦量为13-17mm、激光扫描速度为500-800mm/min、激光光斑为边长3mm的方形光斑；熔覆层的搭接率为30％～50％，单道熔覆层的厚度为0.2-0.8mm；316奥氏体不锈钢金属球形粉末的载气流量为5-8L/min、送粉速率为8-20g/min，WC金属粉末的载气流量为3-5L/min、送粉速率为8-20g/min；316奥氏体不锈钢金属球形粉末和WC金属球形粉末同步送粉；
对待熔覆工件完成激光熔覆后进行热处理，热处理温度为200-500℃，以消除激光熔覆产生的热应力。
进一步地，所述316奥氏体不锈钢金属球形粉末和WC金属球形粉末需满足的技术要求为：外观呈均匀银灰色、粒径53～89μm、流动性大于等于40s/50g、球形度大于95％、卫星粉含量小于等于0.5％、含氧量小于等于300ppm。
进一步地，在激光熔覆前，对合金粉末进行真空烘干处理，避免金属粉末吸潮。
进一步地，在对待熔覆工件进行预热前，所述方法还包括，对待熔覆工件的待熔覆区域进行机械加工、打磨，以去除待熔覆工件表面的毛刺、损伤部位。
进一步地，在去除待熔覆工件表面的毛刺、损伤部位之后，激光熔覆之前，所述方法还包括，采用无水乙醇或者丙酮对待熔覆工件的待熔覆区域表面进行清洗，以去除油脂、脏污。
进一步地，在进行激光熔覆时，先吹送金属粉末，并采用纯度为99.99％的氩气进行保护，然后在设定时间后，开启激光器，对待熔覆区域进行激光熔覆；
对修复冷却区域，采用纯度为99.95％的氮气进行保护。
进一步地，在激光熔覆之后，完成热处理后，所述方法还包括，
对熔覆区域进行无损检测；若熔覆区域存在气孔、夹杂类缺陷，去除熔覆层，重新进行激光熔覆。
进一步地，在激光熔覆之后，完成热处理后，所述方法还包括，
对工件熔覆区域进行打磨抛光，以满足工件表面粗糙度要求；
对熔覆工件的熔覆区域选取样本，进行耐磨、金相、盐雾试验。
进一步地，对激光熔覆过程中，夹持待熔覆工件的工装进行表面清洗，避免污染待熔覆工件。
本发明的技术效果：
采用方向性、相干性及亮度较好的高能密度激光束作为能量输入，实现整个加工过程的快冷快热，在30CrMnSiA钢基材上实现微冶金熔覆改性；
由于快冷快热的加工方式，基材表面熔化量较小，熔覆层的稀释度较低，熔覆层完全消除了气孔、粉末残留、异物夹杂等缺陷，充分保证了质量及性能，且与整个基材的结合度较好；
采用双筒同步式送粉设备，同步吹送316奥氏体不锈钢金属球形粉末及WC金属粉末(利用316金属粉末的耐蚀性好以及WC粉末的耐磨性好等特点)，通过工艺参数控制，灵活控制单层熔覆层在0.2-0.8mm左右的范围内，形成高强度、高耐蚀性的复合熔覆层；熔覆后，整个构件的耐磨性、耐蚀性大大优于原构件，预计可延寿使用不低于30％。
具体实施方式
实施例1
本实施例，提供一种基于30CrMnSiA钢的双筒同步送粉熔化沉积，实现表面改性的工艺方法，所述方法包括以下步骤：
第一步：按30CrMnSiA钢构件的图纸，对待熔覆区域进行记录、分析，熔覆设备经拓扑优化，形成最优的熔覆路线。本实施例的工件为30CrMnSiA钢构件。
第二步：在激光熔覆加工前，对工件的待熔覆区域需要完成所有的机械加工或打磨，如：去除毛刺、去除损伤部位等，避免毛刺、损伤部位影响熔覆层性能。
第三步：采用无水乙醇或者丙酮对工件的待熔覆区域表面进行清洗，保证熔覆区域表面无油脂、脏污。待熔覆区域表面的激光熔覆加工应在清洗完成8h内完成，否则需重新进行表面清洗。若工件清洗后，长时间不进行激光熔覆，工件表面容易形成氧化层、脏污等，影响激光熔覆效果。
第四步：激光熔覆时，装夹用的工装应用机械或化学的方法进行处理，特别是靠近熔覆区域20-50mm范围内，工装表面不可有油污、锈斑、易熔金属等影响熔覆质量或过程的污染物。选用适合的工装将待熔覆工件装夹在工作台上，装夹时应注意不要擦伤、磕碰零件。
第五步：选用气雾化法制备的316奥氏体不锈钢金属球形粉末和WC金属球形粉末，上述两种金属球形粉末的技术要求如下：外观呈均匀银灰色，化学成分满足材料技术标准；粒径53～89μm、流动性≥40s/50g、球形度大于95％、卫星粉含量≤0.5％、含氧量≤300ppm。金属粉末的粒径均匀性和粒径大小、流动性等与激光熔覆层的厚度均匀性、缺陷多少正相关。
第六步：激光熔覆前对上述两种合金粉末进行真空烘干处理(加热温度120℃，时间1h)，以减少粉末吸潮对熔覆质量带来的不良影响。
第七步：根据30CrMnSiA基体材料的牌号对工件选择合适的温度进行预热，预热温度应保证材料组织不发生变化，并且尽量减少局部受热产生热应力的影响；预热温度选择500-690℃，保温时间不少于10min，激光熔覆前取出待加工构件。
第八步：设定激光熔覆工艺参数：激光功率为4000-4500W、离焦量15±2mm、扫描速度500-800mm/min、光斑为边长3mm的方形光斑、保护气体流量为5-8L/min；单道熔覆层的搭接率为30％～50％，单道熔覆层厚度为0.2-0.8mm；316奥氏体不锈钢金属球形粉末的载气流量5-8L/min、送粉速率为8-20g/min，WC金属球形粉末的载气流量为3-5L/min、送粉速率为8-20g/min；实现两种金属粉末按一定比例吹送。
第九步：运行程序进行熔覆：首先采用同步送粉方式，先吹送两种金属粉末，采用99.99％纯度的氩气进行保护，在距离同轴5～8mm的侧面增加使用纯度为99.95％的氮气对修复冷却区域进行保护(气体流量为5-8L/min)，在8-15秒后开启激光器(激光器的功率输出要求为：50％～100％，实际输出功率稳定性不小于3％)对待熔覆区域进行激光熔覆。
第十步：完成激光熔覆后2h内对工件进行热处理，热处理温度：200-500℃，目的是消除修复应力。
第十一步：对工件的熔覆区域进行无损检测(荧光、磁粉、X射线和超声波)，熔覆部位应无气孔、夹杂等缺陷；如果发现缺陷，需将熔覆部位通过机械加工的方式去除，重新进行熔覆。
第十二步：将熔覆完成后的工件通过打磨抛光的方式加工，满足零件表面粗糙度的要求。
第十三步：选取工件的样件进行耐磨、金相、盐雾等检测试验，满足要求后验收入库；如不符合要求，需将熔覆部位通过机械加工的方式去除，重新进行熔覆，只允许重复熔覆1次。
第十四步：工件完成熔覆、热处理、打磨抛光后检验合格，应对整个工件进行表面防护处理，做好熔覆记录并存档，内容包括：数量、尺寸、位置、熔覆工艺参数、熔覆次数、检验结论等。
Claims (9)
1.一种基于30CrMnSiA钢的双筒同步送粉熔化沉积复合熔覆层的方法，其特征在于，所述方法包括：
选取合金粉末，所述合金粉末包括316奥氏体不锈钢金属球形粉末和WC金属球形粉末；
对待熔覆工件进行预热，预热温度为500-690℃；
设定激光熔覆工艺参数，对待熔覆工件表面进行激光熔覆，形成复合熔覆层；
其中，所述工艺参数中：激光功率为4000-4500W、离焦量为13-17mm、激光扫描速度为500-800mm/min、激光光斑为边长3mm的方形光斑；单道熔覆层的搭接率为30％～50％，单道熔覆层的厚度为0.2-0.8mm；316奥氏体不锈钢金属球形粉末的载气流量为5-8L/min、送粉速率为8-20g/min，WC金属粉末的载气流量为3-5L/min、送粉速率为8-20g/min；316奥氏体不锈钢金属球形粉末和WC金属球形粉末同步送粉；
对待熔覆工件完成激光熔覆后进行热处理，热处理温度为200-500℃，以消除激光熔覆产生的热应力。
2.根据权利要求1所述的双筒同步送粉熔化沉积复合熔覆层的方法，其特征在于，所述316奥氏体不锈钢金属球形粉末和WC金属球形粉末需满足的技术要求为：外观呈均匀银灰色、粒径53～89μm、流动性大于等于40s/50g、球形度大于95％、卫星粉含量小于等于0.5％、含氧量小于等于300ppm。
3.根据权利要求2所述的双筒同步送粉熔化沉积复合熔覆层的方法，其特征在于，在激光熔覆前，对合金粉末进行真空烘干处理，避免金属粉末吸潮。
4.根据权利要求1所述的双筒同步送粉熔化沉积复合熔覆层的方法，其特征在于，在对待熔覆工件进行预热前，所述方法还包括，对待熔覆工件的待熔覆区域进行机械加工、打磨，以去除待熔覆工件表面的毛刺、损伤部位。
5.根据权利要求4所述的双筒同步送粉熔化沉积复合熔覆层的方法，其特征在于，在去除待熔覆工件表面的毛刺、损伤部位之后，激光熔覆之前，所述方法还包括，采用无水乙醇或者丙酮对待熔覆工件的待熔覆区域表面进行清洗，以去除油脂、脏污。
6.根据权利要求1所述的双筒同步送粉熔化沉积复合熔覆层的方法，其特征在于，在进行激光熔覆时，先吹送金属粉末，并采用纯度为99.99％的氩气进行保护，然后在设定时间后，开启激光器，对待熔覆区域进行激光熔覆；
对修复冷却区域，采用纯度为99.95％的氮气进行保护。
7.根据权利要求1所述的双筒同步送粉熔化沉积复合熔覆层的方法，其特征在于，在激光熔覆之后，完成热处理后，所述方法还包括，
对熔覆区域进行无损检测；若熔覆区域存在气孔、夹杂类缺陷，去除熔覆层，重新进行激光熔覆。
8.根据权利要求7所述的双筒同步送粉熔化沉积复合熔覆层的方法，其特征在于，在激光熔覆之后，完成热处理后，所述方法还包括，
对工件熔覆区域进行打磨抛光，以满足工件表面粗糙度要求；
对熔覆工件的熔覆区域选取样本，进行耐磨、金相、盐雾试验。
9.根据权利要求1所述的双筒同步送粉熔化沉积复合熔覆层的方法，其特征在于，对激光熔覆过程中，夹持待熔覆工件的工装进行表面清洗，避免污染待熔覆工件。
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