CN112122607A - 适用于海洋震荡工况下增材修复材料及熔池稳定-形性调控方法 - Google Patents
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Abstract
适用于海洋震荡工况下增材修复材料及熔池稳定‑形性调控方法，本发明属于增材修复技术领域，它为了解决增材修复技术在海洋震荡工况下，因加工过程中受到振荡影响，加工过程熔池稳定性差，耐蚀性能、摩擦磨损性能较低的问题。本发明适用于海洋震荡工况下增材修复材料按照质量百分含量由94‑98.95wt.％的不锈钢基体粉末、1‑5wt.％的抗震荡添加相和0.05‑1wt.％的耐蚀改性强化相组成；所述的抗震荡添加相为碳化物或氮化物；所述的耐蚀改性强化相为轻稀土氧化物。本发明通过在不锈钢粉末基体中加入改性相，提升加工过程熔池稳定性，改善了海洋震荡工况所带来的缺陷问题，使得材料的耐蚀性能、摩擦磨损性能大幅度提升。
Description
技术领域
本发明属于增材修复技术领域，具体涉及一种适用于海洋震荡工况下增材修复材料及应用其熔池稳定-形性调控方法。
背景技术
不锈钢因其良好的耐蚀性、良好的焊接性和结构可靠性被广泛应用于船舶工业中，如：法兰、轴类、涡轮机叶片及方向舵上，随着船舶远洋航行任务的增加，海洋服役工况苛刻，船用零部件损伤情况将显著增加，因此及时有效的在线维修技术是船舶安全和战斗力的重要保障。增材修复技术通过逐层累积的方式对受损的零部件进行准确、快速的修复，是零部件修复的重要手段之一。但是，对处于远洋航行条件下的船用零件进行修复时，船舶会受到海浪、海风等因素的影响使船体发生震荡。对于增材修复过程而言，船体震荡产生的振动将会传导至修复区域，受熔体流动性影响，修复位置处的能量分布不均匀，熔池内部扰动加剧，使得熔体凝固过程不稳定，不稳定的修复状态会产生元素烧损、粉末未熔合、气孔及裂纹等缺陷的出现，最终致使修复层组织均匀性变差，修复部位的服役性能下降。因此，需要一种适用于海洋振荡条件下熔池稳定与形性调控方法，实现稳定熔池与形性调控的目的。
发明内容
本发明的目的是为了解决增材修复技术在海洋震荡工况下，因加工过程中受到振荡影响，加工过程熔池稳定性差、受能量分布不均影响修复组织存在粉末未熔合、气孔及裂纹等缺陷，耐蚀性能、摩擦磨损性能较低的问题，为此提供一种适用于海洋震荡工况下增材修复材料及熔池稳定-形性调控方法。
本发明适用于海洋震荡工况下增材修复材料按照质量百分含量由94-98.95wt.％的不锈钢基体粉末、1-5wt.％的抗震荡添加相和0.05-1wt.％的耐蚀改性强化相组成；
所述的抗震荡添加相为碳化物(Ti、W、Nb)xCy或氮化物(Ti、Si)xNy；所述的耐蚀改性强化相为(轻)稀土氧化物。
本发明抗震荡添加相和耐蚀改性强化相组成改性相。
本发明适用于海洋震荡工况下增材修复材料包括抗震荡添加相和耐蚀改性强化相，其中抗震荡添加相利用材料间的热物性差异，提升熔池粘度，降低震荡导致的熔池的不稳定程度；同时由于抗震荡添加相具有超高熔点，在凝固过程中可充当形核质点细化组织；借助固溶强化效应和第二相强化效应，提升增材修复层的硬度和耐磨性。耐蚀改性强化相能够降低扩散氢含量及钢中不利杂质的影响，同时弥散分布细化晶粒，提升材料的耐蚀性能。改性相(抗震荡添加相和耐蚀改性强化相)的总质量占比可根据实际所需性能在1.05-6wt.％的范围内进行改变。
本发明适用于海洋震荡工况下增材修复的熔池稳定-形性调控方法按照下列步骤实现：
一、按照质量百分含量称取94-98.95wt.％的不锈钢基体粉末、1-5wt.％的抗震荡添加相和0.05-1wt.％的耐蚀改性强化相，然后将不锈钢基体粉末、抗震荡添加相和耐蚀改性强化相分别按质量等分为相同的份数；
二、将一份抗震荡添加相粉末和一份耐蚀改性强化相粉末投入球磨机中进行混合球磨处理，得到抗震荡添加相-耐蚀改性强化相混合粉末，重复混合球磨处理过程，直至将全部份数的抗震荡添加相和耐蚀改性强化相混合球磨处理完毕；
三、将步骤二中的一份抗震荡添加相-耐蚀改性强化相混合粉末和一份不锈钢基体粉末投入三维混料机中混合处理，然后向三维混料机中再加入一份抗震荡添加相-耐蚀改性强化相混合粉末和一份不锈钢基体粉末继续混合，直至全部粉体混合完成，得到增材修复材料；
四、将增材修复材料使用送粉器辅以载粉气吹送至工件的修复区域中进行激光增材修复或者电弧增材修复，完成熔池稳定-形性调控的增材修复；
其中步骤一中所述的抗震荡添加相为碳化物(Ti、W、Nb)xCy或氮化物(Ti、Si)xNy；所述的耐蚀改性强化相为轻稀土氧化物。
本发明提供的一种适用于海洋震荡工况下增材修复的熔池稳定-形性调控方法，通过在不锈钢粉末基体中加入改性相，提升加工过程熔池稳定性，改善了海洋震荡工况所带来的缺陷问题，使得材料的耐蚀性能、摩擦磨损性能大幅度提升，是一种在实际海洋震荡工况下具有较高应用价值的增材修复材料。
附图说明
图1是实施例中经粉末混合后获得的TiN+CeO2+Cr17Ni12Mo2粉末电镜图；
图2是实施例中海洋震荡工况下激光增材修复位置电化学性能测试图，1代表Cr17Ni12Mo2，2代表Cr17Ni12Mo2+TiN+CeO2；
图3是实施例中海洋震荡工况下激光增材修复位置摩擦磨损测试图，1代表Cr17Ni12Mo2，2代表Cr17Ni12Mo2+TiN+CeO2；
图4是实施例中海洋震荡工况下激光增材修复试样磨损失重测试图，左侧为Cr17Ni12Mo2+TiN+CeO2的磨损失重，右侧为Cr17Ni12Mo2的磨损失重。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式适用于海洋震荡工况下增材修复材料按照质量百分含量由94-98.95wt.％的不锈钢基体粉末，1-5wt.％的抗震荡添加相和0.05-1wt.％的耐蚀改性强化相组成；
所述的抗震荡添加相为碳化物(Ti、W、Nb)xCy或氮化物(Ti、Si)xNy；所述的耐蚀改性强化相为(轻)稀土氧化物。
本实施方式针对的是海洋震荡工况下增材修复过程熔池稳定性差、形性缺陷等问题，本发明选取抗震荡添加相、耐蚀改性强化相两类材料作为改性相解决上述问题。其中抗震荡添加相为具有良好高温稳定性和化学稳定性的碳化物(Ti、W、Nb)xCy或氮化物(Ti、Si、B)xNy中的一种，具有熔点高，高温稳定性好的特点，抗震荡添加相利用了材料间的热物性差异，当粉末基体熔化时，抗震荡添加相颗粒仍可保留在熔池之中，进而增加熔体粘度，提高了加工过程熔池的稳定性，降低了震荡工况所带来的熔池扰动的影响，同时借助固溶强化和第二相强化效应，提升材料硬度和耐磨性；耐蚀改性强化相为轻稀土氧化物中的一种，具有很高的活性，在熔化至凝固的过程中会同钢中的有害杂质发生激烈的反应，进而降低扩散氢及杂质元素带来的不利影响，同时弥散分布，细化晶粒，提升材料的耐腐蚀性能。
本实施方式所选用的不锈钢粉末基体为球形粉末，流动性为12-15s/50g，粒径范围为48-150μm。所选取的改性化合物的粒度范围为1-5μm。所述的不锈钢粉末基体和改性相无来源限定，使用本领域技术员常用商用粉末即可。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的耐蚀改性强化相为CeO2、La2O3、Nd2O3或Pm2O3。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是不锈钢基体粉末的粒径范围为48-150μm。
本实施方式不锈钢基体粉末为球形粉末，与待修复工件的材质相同，为同种不锈钢。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是抗震荡添加相和耐蚀改性强化相粉末粒径范围均为1-5μm。
具体实施方式五：本实施方式适用于海洋震荡工况下增材修复的熔池稳定-形性调控方法按照下列步骤实施：
一、按照质量百分含量称取94-98.95wt.％的不锈钢基体粉末、1-5wt.％的抗震荡添加相和0.05-1wt.％的耐蚀改性强化相，然后将不锈钢基体粉末、抗震荡添加相和耐蚀改性强化相分别按质量等分为相同的份数；
二、将一份抗震荡添加相粉末和一份耐蚀改性强化相粉末投入球磨机中进行混合球磨处理，得到抗震荡添加相-耐蚀改性强化相混合粉末，重复混合球磨处理过程，直至将全部份数的抗震荡添加相和耐蚀改性强化相混合球磨处理完毕；
三、将步骤二中的一份抗震荡添加相-耐蚀改性强化相混合粉末和一份不锈钢粉末投入三维混料机中混合处理，然后向三维混料机中再加入一份抗震荡添加相-耐蚀改性强化相混合粉末和一份不锈钢粉末继续混合，直至全部粉体混合完成，得到增材修复材料；
四、将增材修复材料使用送粉器辅以载粉气吹送至工件的修复区域中进行激光增材修复或者电弧增材修复，完成熔池稳定-形性调控的增材修复；
其中步骤一中所述的抗震荡添加相为碳化物(Ti、W、Nb)xCy或氮化物(Ti、Si)xNy；所述的耐蚀改性强化相为轻稀土氧化物。
本实施方式步骤二中每份抗震荡添加相粉末和每份耐蚀改性强化相粉末分别进行混合球磨处理，得到多份抗震荡添加相-耐蚀改性强化相混合粉末。
本实施方式所述的适用于海洋震荡工况下增材修复的熔池稳定-形性调控方法，由不锈钢基体粉末和抗震荡添加相、耐蚀改性强化相组成，其中抗震荡添加相为碳化物(Ti、W、Nb)xCy或氮化物(Ti、Si)xNy中的一种，耐蚀改性强化相为轻稀土氧化物中的一种。在海洋震荡工况下直接采用常规的不锈钢粉末基体进行增材修复所获得的修复层，受到震荡工况的影响加工过程熔池稳定性差，获得的修复层性能会下降。同时由于海洋服役条件苛刻，潮湿环境更易导致材料腐蚀开裂，海洋震荡工况还会导致紧固的工件之间发生磨损失效，苛刻的服役条件对零部件的材料性能提出了较高的要求，因此需要针对以上问题提出提升熔池稳定性、调控修复层形性的方法。
本实施方式通过在不锈钢基体粉末中添加抗震荡添加相和耐蚀改性强化相，以增加增材修复过程的熔池稳定性、提升抗震荡性能和组织的耐磨、耐蚀性。在所选的两类改性材料中，抗震荡添加相熔点较高，高温稳定性好，利用材料之间的热物性差异能够提高熔体粘度，增加熔池稳定性，降低震荡对熔池所带来的不利影响；同时，还能够借助固溶强化和第二相强化效应，提升修复层的硬度和耐磨性。耐蚀改性强化相具有很高的活性，在增材修复过程中可以同有害杂质发生剧烈反应，降低扩散氢含量，同时借助细晶强化效应达到细化晶粒，提升修复层组织耐蚀性的目的。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤一中将不锈钢基体粉末、抗震荡添加相和耐蚀改性强化相分别按质量等分为3-6份。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是步骤二中混合球磨过程中添加氧化铝研磨球，球磨单次混合处理时间为40-60min。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是步骤三中三维混料机的主轴转速为15r/min，单次混合处理时间为0.5h-1.5h。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是步骤四中控制送粉器送粉速度为1.2-1.5r/min，保护气和载粉气选用纯度为99.99％的工业氩气。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至九之一不同的是步骤四中控制激光增材修复过程的工艺参数为：激光功率：800-1200W，扫描速度：5-10mm/s，搭接率：40％-60％，保护气选用纯度99.99％的氩气，气流量：18-20L/min。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式五至十之一不同的是步骤一中按照质量百分含量称取97-98.95wt.％的不锈钢基体粉末、1-2wt.％的抗震荡添加相和0.05-1wt.％的耐蚀改性强化相。
实施例：本实施例适用于海洋震荡工况下增材修复的熔池稳定-形性调控方法按照下列步骤实施：
一、称取19700g Cr17Ni12Mo2粉末、200g氮化钛粉末和100g氧化铈粉末，然后将Cr17Ni12Mo2粉末、氮化钛粉末和氧化铈粉末分别按质量等分为四份；
二、将50g氮化钛粉末和25g氧化铈粉末投入星式球磨机中进行混合球磨处理40min，得到抗震荡添加相-耐蚀改性强化相混合粉末，重复混合球磨处理过程，直至将氮化钛、氧化铈粉末混合完毕，获得四份混合粉末，在此过程中多次少量混合能够使两种改性相充分合金化，获得更加均匀的改性相混合粉体；
三、将步骤二中的一份抗震荡添加相-耐蚀改性强化相混合粉末和4475gCr17Ni12Mo2粉末投入三维混料机中混合处理30min，然后向三维混料机中再加入一份抗震荡添加相-耐蚀改性强化相混合粉末和一份不锈钢粉末继续混合，直至全部粉体混合完成，在80℃下真空干燥12h得到增材修复材料；
四、对待修复的Cr17Ni12Mo2不锈钢基板进行表面处理，使用砂纸去除基板表面锈蚀和氧化层，完成后将基板放置进盛有酒精的超声清洗机中进行超声清洗，去除油污，清洗结束后用吹风机将板材表面的酒精吹干，将粉末放置进送粉器中，准备进行激光增材修复；
五、控制激光增材修复的工艺参数为：激光功率：1200W，激光扫描速度：5mm/s，送粉速度：1.5r/min，激光光斑直径3mm，离焦量-1mm，搭接率50％，保护气气流量：18L/min，逐层扫描四层，进行激光增材修复，完成熔池稳定-形性调控的增材修复。
本实施例激光增材修复所获得的修复件表面无裂纹及气孔。增材修复过程中模拟海洋震荡工况的条件为振动频率1hz，振幅0.8mm。对修复区材料的耐腐蚀性、拉伸强度和摩擦磨损性能进行测试。激光增材修复所制备修复层的性能测试结果如下：腐蚀电流密度为：2.722×10-5A/cm2，腐蚀电位为-0.2634V，材料的极化曲线如图所示。而未添加改性相前激光增材制造材料的腐蚀电流密度为：1.847×10-7A/cm2，腐蚀电位为-0.2203V。修复层的摩擦系数为：0.40，60min的磨损失重为：1.3mg，而未添加改性相前修复层的摩擦系数为：0.68，60min的磨损失重为：8.0mg。
本发明公开了一种适用于海洋震荡工况下增材修复的熔池稳定-形性调控方法，该方法通过设计不同的粉末体系实现，由不锈钢粉末基体和抗震荡添加相、耐蚀改性强化相组成，其中抗震荡添加相为碳化物(Ti、W、Nb)xCy或氮化物(Ti、Si、B)xNy中的一种，耐蚀改性强化相为轻稀土氧化物中的一种，其中抗震荡添加相总占比为1-5wt.％，耐蚀改性强化相总占比为0-1wt.％。使用本发明进行增材修复所获得的材料具有良好的耐磨性和耐蚀性，组织均匀、无气孔及未熔合缺陷。
本发明适用于海洋震荡工况下增材修复的熔池稳定-形性调控方法能在海洋震荡工况下在线修复时得到良好的熔池稳定性与耐磨耐蚀的修复层，修复层组织均匀，无气孔及裂纹等缺陷，可以有效解决海洋震荡工况下受震荡影响导致增材修复层出现组织缺陷及服役性能下降等问题，提升修复层质量，实现形性调控。
Claims (10)
1.适用于海洋震荡工况下增材修复材料，其特征在于该适用于海洋震荡工况下增材修复材料按照质量百分含量由94-98.95wt.％的不锈钢基体粉末、1-5wt.％的抗震荡添加相和0.05-1wt.％的耐蚀改性强化相组成；
所述的抗震荡添加相为碳化物(Ti、W、Nb)xCy或氮化物(Ti、Si)xNy；所述的耐蚀改性强化相为轻稀土氧化物。
2.根据权利要求1所述的适用于海洋震荡工况下增材修复材料，其特征在于所述的耐蚀改性强化相为CeO2、La2O3、Nd2O3或Pm2O3。
3.根据权利要求1所述的适用于海洋震荡工况下增材修复材料，其特征在于不锈钢基体粉末的粒径范围为48-150μm。
4.根据权利要求1所述的适用于海洋震荡工况下增材修复材料，其特征在于抗震荡添加相和耐蚀改性强化相粉末粒径范围均为1-5μm。
5.适用于海洋震荡工况下增材修复的熔池稳定-形性调控方法，其特征在于该方法按照下列步骤实现：
一、按照质量百分含量称取94-98.95wt.％的不锈钢基体粉末、1-5wt.％的抗震荡添加相和0.05-1wt.％的耐蚀改性强化相，然后将不锈钢基体粉末、抗震荡添加相和耐蚀改性强化相分别按质量等分为相同的份数；
二、将一份抗震荡添加相粉末和一份耐蚀改性强化相粉末投入球磨机中进行混合球磨处理，得到抗震荡添加相-耐蚀改性强化相混合粉末，重复混合球磨处理过程，直至将全部份数的抗震荡添加相和耐蚀改性强化相混合球磨处理完毕；
三、将步骤二中的一份抗震荡添加相-耐蚀改性强化相混合粉末和一份不锈钢基体粉末投入三维混料机中混合处理，然后向三维混料机中再加入一份抗震荡添加相-耐蚀改性强化相混合粉末和一份不锈钢基体粉末继续混合，直至全部粉体混合完成，得到增材修复材料；
四、将增材修复材料使用送粉器辅以载粉气吹送至工件的修复区域中进行激光增材修复或者电弧增材修复，完成熔池稳定-形性调控的增材修复；
其中步骤一中所述的抗震荡添加相为碳化物(Ti、W、Nb)xCy或氮化物(Ti、Si)xNy；所述的耐蚀改性强化相为轻稀土氧化物。
6.根据权利要求5所述的适用于海洋震荡工况下增材修复的熔池稳定-形性调控方法，其特征在于步骤一中按照质量百分含量称取97-98.95wt.％的不锈钢基体粉末、1-2wt.％的抗震荡添加相和0.05-1wt.％的耐蚀改性强化相。
7.根据权利要求5所述的适用于海洋震荡工况下增材修复的熔池稳定-形性调控方法，其特征在于步骤一中将不锈钢基体粉末、抗震荡添加相和耐蚀改性强化相分别按质量等分为3-6份。
8.根据权利要求5所述的适用于海洋震荡工况下增材修复的熔池稳定-形性调控方法，其特征在于步骤二中混合球磨过程中添加氧化铝研磨球，球磨单次混合处理时间为40-60min。
9.根据权利要求5所述的适用于海洋震荡工况下增材修复的熔池稳定-形性调控方法，其特征在于步骤三中三维混料机的主轴转速为15r/min，单次混合处理时间为0.5h-1.5h。
10.根据权利要求5所述的适用于海洋震荡工况下增材修复的熔池稳定-形性调控方法，其特征在于步骤四中控制激光增材修复过程的工艺参数为：激光功率：800-1200W，扫描速度：5-10mm/s，搭接率：40％-60％，保护气选用纯度99.99％的氩气，气流量：18-20L/min。
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