CN113249721B - 一种提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及镍基高温合金强化技术领域，具体涉及一种提高Hastelloy c‑276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法。针对硬度提升问题，采用具有高硬度的纳米碳化铬、纳米碳化钨、纳米氧化钇及纳米碳化硼颗粒作为强化相，同时利用纳米颗粒的小尺寸效应，对熔覆层的性能进行更进一步的提高。同时为了解决纳米颗粒容易悬浮、熔覆过程中实际进入熔覆层内颗粒数量较少的问题，采用高能球磨方法使纳米粉末和Hastelloy c‑276粉末机械合金化结合。对于部分基材可以采用预热后调控激光熔覆工艺，抑制熔覆层开裂，焊后通过精密机加的方法使工件恢复至设计尺寸。本发明成功制备出高硬度且抑制裂纹产生的强化镍铬钼熔覆层，为提高零件表面耐磨耐冲击提供高效可靠新型工艺方法。
Description
技术领域
本发明涉及镍基高温合金强化技术领域，具体涉及一种提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法。
背景技术
镍基高温合金Hastelloy c-276是一种合金的牌号，密度为8g/cm3，熔点达到1290～1350℃，优秀的耐无机酸腐蚀能力，对氧化和还原环境的各种腐蚀介质都具有非常出色的抗腐蚀能力。Hastelloy c-276合金在很多介质中都表现出极好的耐腐蚀性。在氯化物介质中具有出色的抗点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和侵蚀的性能。
镍基高温合金Hastelloy c-276粉末具有着较好的熔覆性能，实际生产中应用领域较为广阔，其高温下的耐磨性能极佳。
但是这种合金存在着硬度不足的缺陷，通常来说硬度都在300HV以下，这对于开拓该粉末的应用领域有着很大的阻碍作用，所以需要找到一种有效的方法对这种粉末进行强化，使得激光熔覆层能达到硬度提升50％以上。
基于上述情况，本发明提出了一种提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法，可有效解决以上问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法，该方法成功制备出高硬度且抑制裂纹产生的强化镍铬钼熔覆层，为提高零件表面耐磨耐冲击提供了高效可靠新型工艺方法。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法，包括下列步骤：
(1)称取Hastelloy c-276镍铬钼合金，以及纳米碳化铬、纳米碳化钨、纳米氧化钇及纳米碳化硼中的一种或两种以上，作为配置强化粉末的原料；
(2)采用行星球磨机，对强化粉末的原料进行球磨混合，得到强化粉末；
(3)对所得强化粉末进行筛选，使之适用于所用的送粉设备；
(4)将筛选后的强化粉末干燥，并对待熔覆工件表面进行预处理；
(5)对经步骤(4)预处理后待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，在待熔覆工件的待熔覆面形成熔覆层，熔覆完成后进行精加工，得到激光熔覆工件。
所述的提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法，步骤(1)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金的粒径为50～150μm，纳米碳化铬、纳米碳化钨、纳米氧化钇及纳米碳化硼的粒径为30～70nm。
所述的提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法，步骤(1)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化铬、纳米碳化钨、纳米氧化钇及纳米碳化硼中的一种或两种以上纳米粉末的质量之比为97～98：2～3。
所述的提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法，步骤(2)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化铬、纳米碳化钨、纳米氧化钇及纳米碳化硼中的一种或两种以上纳米粉末在行星球磨机的球磨罐中处于真空状态，球磨参数为：200～400转/分钟，球磨时间4～8h，球料质量比4～6:1。
所述的提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法，步骤(4)中，强化粉末干燥的参数为：100～200℃条件下干燥1～2h。
所述的提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法，步骤(4)中，预处理为：首先对待熔覆工件的待熔覆区域进行打磨氧化皮层处理，然后依次进行清洗、干燥。
所述的提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法，步骤(5)中，精加工为：采用铣床对激光熔覆部位进行精加工，以得到满足工件设计尺寸及精度要求的激光熔覆工件。
所述的提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法，步骤(5)中，激光功率为2000～3000W，熔覆层厚度为2～3mm。
本发明的设计思想是：
本发明的提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法通过添加纳米碳化硼颗粒，对熔覆层中晶界的生长起到促进作用，晶界粗大后使得晶粒细化而提升整体硬度(硬度从Hastelloy c-276熔覆层的267HV0.3提升至430HV0.3以上，提高了60％以上)，纳米颗粒在熔覆的悬浮分解会使得在表面出现一层耐磨过渡层；此外，采用行星球磨机对粉末进行机械合金化有助于提高纳米颗粒的实际利用率；在平面上单道激光熔覆平均厚度为0.8mm左右，熔覆后PT探伤未发现裂纹；总之，得到激光熔覆工件，硬度高、磨损性能优异，提高了使用性能、延长了使用寿命。
针对Hastelloy c-276镍铬钼合金粉末性能提升，本发明首先在Hastelloy c-276镍铬钼合金粉末中加入2.5wt％左右的纳米颗粒，放入行星球磨机中，球磨罐内为真空气体，在300转/分钟左右的球磨速度下进行6h左右的球磨混合分散均匀，这个过程中纳米颗粒(纳米碳化铬、纳米碳化钨、纳米氧化钇及纳米碳化硼中的一种或两种以上)会以机械合金化的形式附于镍基颗粒表面；然后粉末制备结束后取出后进行筛选，放入干燥炉中在150℃左右环境下干燥1.5小时左右。待熔覆工件表面预处理后，在2400W左右的激光功率下，将强化粉末熔覆于待修复工件上。熔覆过程中一部分纳米颗粒受热会快速分布于基材熔覆层交界处，然后随着纳米颗粒悬浮分解，纳米颗粒及分解后进入晶界内生成硬质相提高硬度并且阻碍枝晶的生长，实现细晶强化作用。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
为了有效提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆的性能，本发明采用纳米碳化铬、纳米碳化钨、纳米氧化钇及纳米碳化硼中的一种或两种以上添加的方式对Hastelloyc-276镍铬钼合金进行强化。针对硬度提升问题，本发明采用具有高硬度的纳米碳化铬、纳米碳化钨及纳米氧化钇一种或多种颗粒作为强化相，同时利用纳米颗粒的小尺寸效应，对熔覆层的性能进行更进一步的提高。同时为了解决纳米颗粒容易悬浮、熔覆过程中实际进入熔覆层内颗粒数量较少的问题，采用高能球磨方法使纳米粉末和Hastelloy c-276粉末机械合金化结合。对于部分基材可以采用预热后调控激光熔覆工艺，抑制熔覆层开裂，焊后通过精密机加的方法使工件恢复至设计尺寸。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是不能理解为对本专利的限制。
下述实施例中所述试验方法或测试方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均从常规商业途径获得，或以常规方法制备。
实施例1：
本实施例中，提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法，包括如下步骤：
(1)称取Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化硼、纳米碳化钨，作为配置强化粉末的原料；
(2)采用行星球磨机，对Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化硼、纳米碳化钨两种纳米粉末进行球磨混合，得到强化粉末；
(3)对所得强化粉末进行筛选，使之适用于所用的送粉设备；
(4)将筛选后的强化粉末干燥，并对待熔覆工件表面进行预处理；
(5)对经步骤(4)预处理后待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，在待熔覆工件的待熔覆面形成熔覆层，熔覆完成后进行精加工，得到激光熔覆工件。
步骤(1)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金的粒径为50～150μm，纳米碳化硼、纳米碳化钨两种的粒径为40～70nm。
步骤(1)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化硼、纳米碳化钨两种的质量比例为97.5:1.5:1。
步骤(2)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化硼、纳米碳化钨在行星球磨机的球磨罐中处于真空状态，球磨参数为：300转/分钟，球磨时间6h，球料质量比5:1。
步骤(3)中，对所得强化粉末进行筛选时，采用的筛网为150目筛网。
步骤(4)中，将筛选后的强化粉末干燥的参数为：150℃条件下干燥1.5h；
待熔覆工件表面进行预处理为：首先对待熔覆工件的待熔覆区域进行打磨氧化皮层处理，然后依次进行清洗、干燥。
待熔覆工件为直径42mm的2Cr13轴，2Cr13对应标准牌号：GB/T1220-2007。
步骤(5)中，进行精加工为采用铣床对激光熔覆部位进行精加工，以得到满足工件设计尺寸及精度要求的激光熔覆工件。
步骤(5)中，对经步骤(4)预处理后待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，激光熔覆两层，总厚度2.4mm，并通过调整工艺窗口抑制熔覆裂纹的产生；所使用的工艺参数为：激光功率为2400W，采用氩气保护，保护气氩气流量为10～13L/min，激光扫描速度为10mm/s，送粉速度为15g/min，搭接率为50％。
经测试发现：本实施例中得到的激光熔覆工件的熔覆层平均厚度为0.8mm；激光熔覆工件表面(即熔覆层)PT探伤未发现裂纹；激光熔覆工件表面(即熔覆层)硬度从纯Hastelloy c-276熔覆层(对比例1，使用纯Hastelloy c-276镍铬钼合金，其他与实施例2相同)的217HV0.2提升至392HV0.2，提高了77％以上；表面高温耐磨性提高86.6％。
实施例2：
本实施例中，提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法，包括如下步骤：
(1)称取Hastelloy c-276镍铬钼合金和碳化铬，作为配置强化粉末的原料；
(2)采用行星球磨机，对Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化铬进行球磨混合，得到强化粉末；
(3)对所得强化粉末进行筛选，使之适用于所用的送粉设备；
(4)将筛选后的强化粉末干燥，并对待熔覆工件表面进行预处理；
(5)对经步骤(4)预处理后待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，在待熔覆工件的待熔覆面形成熔覆层，熔覆完成后进行精加工，得到激光熔覆工件。
步骤(1)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化铬的粒径分别为50～150μm和40～70nm。
步骤(1)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化铬的质量之比为97.5：2.5。
步骤(2)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化铬在行星球磨机的球磨罐中处于真空状态，球磨参数为：300转/分钟，球磨时间6h，球料质量比5:1。
步骤(3)中，对所得强化粉末进行筛选时，采用的筛网为150目筛网。
步骤(4)中，将筛选后的强化粉末干燥的参数为：100℃条件下干燥1.5h；
待熔覆工件表面进行预处理为：首先对待熔覆工件的待熔覆区域进行打磨氧化皮层处理，然后依次进行清洗、干燥。
待熔覆工件为直径30mm的2205双相不锈钢轴。
步骤(5)中，进行精加工为采用铣床对激光熔覆部位进行精加工，以得到满足工件设计尺寸及精度要求的激光熔覆工件。
步骤(5)中，对经步骤(4)预处理后待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆具体为：
首先在待熔覆工件的待熔覆面熔覆一层纯Hastelloy c-276镍铬钼合金进行打底，形成Hastelloy c-276打底层；Hastelloy c-276打底层的工艺参数为：激光功率为2400W，采用氩气保护，保护气氩气流量为15L/min，激光扫描速度为10mm/s，送粉速度为10g/min，搭接率为50％；
然后在待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆两层，总厚度2.5mm，并通过调整工艺窗口抑制熔覆裂纹的产生；所使用的工艺参数为：激光功率为2200W，采用氩气保护，保护气氩气流量为15L/min，激光扫描速度为10mm/s，送粉速度为15g/min，搭接率为50％。
本实施例采用上述工艺窗口，成功的抑制了熔覆层裂纹的产生，使得工件修复区域性能提升，并且未出现较为严重的变形，符合生产需求，若工艺窗口控制不好，可能出现较为严重的变形，不符合生产需求。
经测试发现：本实施例中得到的激光熔覆工件的熔覆层平均厚度为0.82mm；激光熔覆工件表面(即熔覆层)PT探伤未发现裂纹；激光熔覆工件表面(即熔覆层)硬度从纯Hastelloy c-276熔覆层的267HV0.2提升至415HV0.2，硬度提高了50％。
实施例3：
本实施例中，提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法，包括如下步骤：
(1)称取Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化铬、纳米碳化钨及纳米氧化钇三种纳米粉末，作为配置强化粉末的原料；
(2)采用行星球磨机，对Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化铬、纳米碳化钨及纳米氧化钇三种纳米粉末进行球磨混合，得到强化粉末；
(3)对所得强化粉末进行筛选，使之适用于所用的送粉设备；
(4)将筛选后的强化粉末干燥，并对待熔覆工件表面进行预处理；
(5)对经步骤(4)预处理后待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，在待熔覆工件的待熔覆面形成熔覆层，熔覆完成后进行精加工，得到激光熔覆工件。
步骤(1)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金的粒径为50～150μm，纳米碳化铬、纳米碳化钨及纳米氧化钇三种的粒径为40～70nm。
步骤(1)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化铬、纳米碳化钨及纳米氧化钇三种的质量之比为97.5:1:1:0.5。
步骤(2)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化铬、纳米碳化钨及纳米氧化钇在行星球磨机的球磨罐中处于真空状态，球磨参数为：300转/分钟，球磨时间6h，球料质量比5:1。
步骤(3)中，对所得强化粉末进行筛选时，采用的筛网为150目筛网。
步骤(4)中，将筛选后的强化粉末干燥的参数为：150℃条件下干燥1.5h；
待熔覆工件表面进行预处理为：首先对待熔覆工件的待熔覆区域进行打磨氧化皮层处理，然后依次进行清洗、干燥。
待熔覆工件为双面待熔覆面积为200×50mm，厚度10mm的2205双相不锈钢板。
步骤(5)中，进行精加工为采用铣床对激光熔覆部位进行精加工，以得到满足工件设计尺寸及精度要求的激光熔覆工件。
步骤(5)中，对经步骤(4)预处理后待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，激光熔覆两层，总厚度2.3mm，并通过调整工艺窗口抑制熔覆裂纹的产生；所使用的工艺参数为：激光功率为2000W，采用氩气保护，保护气氩气流量为15L/min，激光扫描速度为10mm/s，送粉速度为15g/min，搭接率为50％。
步骤(5)中，进行激光熔覆，每道走200mm，一共熔覆24道(光斑直径4mm)，每过12道就对待熔覆工件进行翻面再熔覆，并通过工艺窗口抑制熔覆裂纹的产生，并且通过翻面熔覆来减轻热形变造成待熔覆工件严重单向弯曲。
经测试发现：本实施例中得到的激光熔覆工件的熔覆层平均厚度为0.8mm；激光熔覆工件表面(即熔覆层)PT探伤未发现裂纹；激光熔覆工件表面(即熔覆层)硬度从纯Hastelloy c-276熔覆层的267HV0.2提升至435HV0.2，提高了60％以上。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)称取Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化铬、纳米碳化钨及纳米氧化钇三种纳米粉末，作为配置强化粉末的原料；
(2)采用行星球磨机，对Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化铬、纳米碳化钨及纳米氧化钇三种纳米粉末进行球磨混合，得到强化粉末；
(3)对所得强化粉末进行筛选，使之适用于所用的送粉设备；
(4)将筛选后的强化粉末干燥，并对待熔覆工件表面进行预处理；
(5)对经步骤(4)预处理后待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，在待熔覆工件的待熔覆面形成熔覆层，熔覆完成后进行精加工，得到激光熔覆工件；
步骤(1)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金的粒径为50～150μm，纳米碳化铬、纳米碳化钨及纳米氧化钇三种的粒径为40～70nm；
步骤(1)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化铬、纳米碳化钨及纳米氧化钇三种的质量之比为97.5:1:1:0.5；
步骤(2)中，Hastelloy c-276镍铬钼合金和纳米碳化铬、纳米碳化钨及纳米氧化钇在行星球磨机的球磨罐中处于真空状态，球磨参数为：300转/分钟，球磨时间6h，球料质量比5:1；
步骤(3)中，对所得强化粉末进行筛选时，采用的筛网为150目筛网；
步骤(4)中，将筛选后的强化粉末干燥的参数为：150℃条件下干燥1.5h；
待熔覆工件表面进行预处理为：首先对待熔覆工件的待熔覆区域进行打磨氧化皮层处理，然后依次进行清洗、干燥；
待熔覆工件为双面待熔覆面积为200×50mm，厚度10mm的2205双相不锈钢板；
步骤(5)中，进行精加工为采用铣床对激光熔覆部位进行精加工，以得到满足工件设计尺寸及精度要求的激光熔覆工件；
步骤(5)中，对经步骤(4)预处理后待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，激光熔覆两层，总厚度2.3mm，并通过调整工艺窗口抑制熔覆裂纹的产生；所使用的工艺参数为：激光功率为2000W，采用氩气保护，保护气氩气流量为15L/min，激光扫描速度为10mm/s，送粉速度为15g/min，搭接率为50％；
步骤(5)中，进行激光熔覆，每道走200mm，一共熔覆24道，光斑直径4mm，每过12道就对待熔覆工件进行翻面再熔覆，并通过工艺窗口抑制熔覆裂纹的产生，并且通过翻面熔覆来减轻热形变造成待熔覆工件严重单向弯曲；
激光熔覆工件的熔覆层平均厚度为0.8mm；激光熔覆工件表面PT探伤未发现裂纹；激光熔覆工件表面硬度从纯Hastelloy c-276熔覆层的267HV0.2提升至435HV0.2，提高了60％以上。
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