CN114134426A - 一种铁基激光熔覆层粉末及铁基熔覆层的制备方法 - Google Patents

一种铁基激光熔覆层粉末及铁基熔覆层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属熔覆层技术领域，具体公开一种铁基激光熔覆层粉末及铁基熔覆层的制备方法。所述铁基激光熔覆层粉末包括以下质量分数的化学元素：C：0.09％‑0.1％，Si：0.9％‑1％，Cr：15％‑17％，Ni：9％‑10％，Mo：8％‑14％，余量的Fe和不可避免的杂质。本发明提供的铁基激光熔覆层粉末通过激光熔覆法在基体上形成熔覆层具有较高优异的耐磨性和耐蚀性，形成了特殊的晶界与基体相，完全消除了合金熔覆层中的针状硬脆相组织，对铁基熔覆层的组织、显微硬度和耐磨性方面均有极大的改变，达到了优异的综合力学性能。

Description

一种铁基激光熔覆层粉末及铁基熔覆层的制备方法
技术领域
本发明涉及金属熔覆层技术领域，尤其涉及一种铁基激光熔覆层粉末及铁基熔覆层的制备方法。
背景技术
近年来随着陆军装备件使用频率及服役年限的增加，使传动行走件出现磨损失效的几率越来越高。对于磨损的部件现在多以更换零件为主，这就造成了部件更换本过高、资源严重浪费的问题，进而严重影响陆军装备的战力保障。
为了解决上述问题，后来出现了激光熔覆技术。该技术可以将铁基合金粉末熔覆在损伤件部位，形成具有一定功能的合金熔覆层，实现对损伤件的修复，进而延长损伤件的使用寿命，增加服役年限。此修复技术不仅节省成本和解决资源浪费问题，还可以有效保障陆军行走件的作战能力，具有重要的研究价值。但目前的铁基合金熔覆层虽然一定程度上提高了部件表面的硬度和耐磨性，但是其耐磨损程度仍然无法达到较高的实际使用要求，且形成的熔覆层与基体的结合性能不佳，熔覆层的内部的晶型主要由针状组织与基体相组成，硬脆性高、延展性差，易出现裂纹、开裂以及剥落坑和深犁沟的情况，因此，研究综合力学性能好，与基体结合强度高，兼具耐磨、耐腐蚀和延展性好的涂覆层对陆军装备件具有重要的意义。
发明内容
针对现有铁基熔覆层存在的上述问题，本发明提供一种铁基激光熔覆层粉末及铁基熔覆层的制备方法，由所述铁基激光熔覆层粉末通过激光熔覆技术制备形成的熔覆层不仅保证了较高的硬度，还改善了熔覆层的硬脆性，实现了良好的耐磨性和延展性，且形成的熔覆层中的部分合金元素扩散至基体中，晶界组织得到明显细化，形成晶界与基体相形式存在，使熔覆层与基体熔合区具有良好的冶金结合和润湿性。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种铁基激光熔覆层粉末，包括以下质量分数的化学元素：
C：0.09％-0.1％，Si：0.9％-1％，Cr：15％-17％，Ni：9％-10％，Mo：8-14％，余量的Fe和不可避免的杂质。
相对于现有技术，本发明提供的上述铁基激光熔覆层粉末结合激光熔覆法在基体上形成的熔覆层，改变了现有熔覆层中的相组织主要由α-Fe基体相和针状碳化物Fe7C3(M7C3)组成的情况，形成了特殊的晶界与基体相，形成的Fe7C3(M7C3)和Fe7Mo3相以晶界形式存在，晶粒尺寸在3.5-6μm之间，晶粒均匀细化，且晶界处表现富集Mo现象，细晶强化和固溶强化同时提高了熔覆层的硬度和延展性。且本发明利用上述铁基激光熔覆层粉末通过激光熔覆法在基体上形成熔覆层具有较高优异的耐磨性，且熔覆层的耐磨性与显微硬度并非线性对应关系，其耐磨性不仅受硬度影响，还受到其晶粒尺寸、固溶体等强化相数量、种类、大小和分布情况等综合因素的影响。该熔覆层完全消除了合金熔覆层中的针状硬脆相组织，对铁基熔覆层的组织、显微硬度和耐磨性方面均有极大的改变，达到了优异的综合力学性能。
优选的，所述铁基激光熔覆层粉末包括以下质量分数的化学元素：
C：0.09％，Si：0.9％，Cr：15.3％，Ni：9％，Mo：10％，余量的Fe和不可避免的杂质。
上述有选的铁基激光熔覆层粉末的元素组成可以进一步提高得到的熔覆层的耐磨性、耐蚀性和延展性。
优选的，所述铁基激光熔覆层粉末的粒度为50μm-100μm。
上述优选的铁基激光熔覆层粉末的平均粒度得选择，可以进一步增加得到的熔覆层的组织均匀性。
本发明还提供了一种铁基熔覆层的制备方法，包括：采用所述的铁基激光熔覆层粉末，通过激光熔覆方法在铁基体上形成所述铁基熔覆层。
优选的，所述铁基熔覆层的制备方法包括以下步骤：将所述铁基激光熔覆层粉末干燥后，加入光纤激光器的送粉器中，然后在所述铁基体上同时进行送粉器送粉和激光扫描，在所述铁基体形成所述铁基熔覆层。
优选的，所述干燥的温度为50℃-100℃、时间为1h-2h。
优选的，所述送粉器送粉的方式为氩气旁轴送粉方式。
优选的，所述送粉器送粉的速率为10g/min-15g/min。
优选的，所述激光扫描的功率为225W-250W、速度为2.5mm/s-3.5mm/s。
上述优选的激光扫描的参数设置，结合特定的送粉速率一方面可以进一步保证熔覆层的厚度均匀性和组织均匀性，保证熔覆层的力学强度的均匀性，另一方面可以进一步细化晶粒，促进晶界的形成。
本发明还提供了所述铁基熔覆层的制备方法制得的铁基熔覆层。
附图说明
图1是本发明实施例1中的光纤激光系统的结构示意图，其中，1、恒流光纤激光器，2、送粉器，3、反射器，4、透镜，5、铁基体；
图2是本发明试验例1中检测的熔覆层金相组织图；
图3是本发明试验例1中检测的熔覆层X射线衍射分析图谱；
图4是本发明试验例1中对熔覆层进行显微硬度检测得到的硬度压痕形貌图；
图5是本发明试验例1中检测的熔覆层磨损后的形貌图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种铁基激光熔覆层粉末，包括以下质量分数的化学元素：
C：0.09％，Si：1％，Cr：17％，Ni：10％，Mo：8％，余量的Fe和不可避免的杂质，该铁基激光熔覆层粉末的粒度在50-100μm。
采用上述铁基激光熔覆层粉末制备铁基熔覆层的方法，包括以下步骤：
将铁基激光熔覆层粉末在100℃下干燥1h后，加入光纤激光系统的送粉器中，然后在铁基体(负重轮，40Cr钢)上边通过送粉器送粉边进行激光扫描，在铁基体形成铁基熔覆层。其中的送粉方式为氩气旁轴送粉方式，送粉的速率为15g/min，激光扫描的功率为250W、速度为3.5mm/s。
上述光纤激光系统的结构示意图如图1所示，包括恒流光纤激光器1、反射器3、透镜4和送粉器2。其中恒流光纤激光器1发射的激光束经反射器3反射后，通过透镜4达到铁基体5上，同时送粉器2通过氩气旁轴送粉方式将铁基激光熔覆层粉末送至铁基体5上的激光扫描位置，进行铁基熔覆层的制备。
实施例2
一种铁基激光熔覆层粉末，包括以下质量分数的化学元素：
C：0.1％，Si：0.95％，Cr：16％，Ni：9.5％，Mo：14％，余量的Fe和不可避免的杂质，该铁基激光熔覆层粉末的粒度在50-100μm。
采用上述铁基激光熔覆层粉末制备铁基熔覆层的方法，包括以下步骤：
将铁基激光熔覆层粉末在50℃下干燥2h后，加入光纤激光系统的送粉器中，然后在铁基体(负重轮，40Cr钢)上边通过送粉器送粉边进行激光扫描，在铁基体形成所述铁基熔覆层。其中的送粉方式为氩气旁轴送粉方式，送粉的速率为10g/min，激光扫描的功率为225W、速度为2.5mm/s。
实施例3
一种铁基激光熔覆层粉末，包括以下质量分数的化学元素：
C：0.09％，Si：0.9％，Cr：15.3％，Ni：9％，Mo：10％和余量的Fe和不可避免的杂质，该铁基激光熔覆层粉末的粒度在50-100μm。
采用上述铁基激光熔覆层粉末制备铁基熔覆层的方法，包括以下步骤：
将铁基激光熔覆层粉末在80℃下干燥1.5h后，加入光纤激光系统的送粉器中，然后在铁基体(负重轮，40Cr钢)上边通过送粉器送粉边进行激光扫描，在铁基体形成所述铁基熔覆层。其中的送粉方式为氩气旁轴送粉方式，送粉的速率为12.5g/min，激光扫描的功率为250W、速度为3mm/s。
试验例1
对实施例1-3得到的铁基熔覆层的显微组织、相结构、显微硬度和摩擦磨损性能进行分析：
分析方法：
将制备好的熔覆层用线切割机进行切割，用砂纸进行打磨抛光，将浓度为42.24wt％硝酸溶液和浓度为36wt％的盐酸混合(混合的体积比1:3)后作为腐蚀剂，腐蚀时间大约为10s，采用德国蔡司金相显微镜和TESCAN VEGA3钨灯丝扫描电镜对样品截面进行显微组织观察分析，并用能谱分析仪对微区成分进行分析；
利用日本理学SmartLab9KW型X射线衍射仪对熔覆层进行物相结构分析；
利用TMVS-1型维氏显微硬度计对熔覆层表层至基体纵截面进行硬度测试，每100μm测试一次，3次测量结果取平均值，载荷为200g，加载时间为10s；
基体及熔覆层摩擦磨损性能测试在磨损试验机进行，磨损前后用超声波清洗并称重，采用上、下研磨盘正转对磨形式，上磨盘用以固定试样，下磨盘摩擦副为320#粗砂纸，在磨损试验中法向施加力为30N，磨盘转速为80r/min，磨损时间为10min，用千分之一精密天平对磨损前后样品质量进行称重，计算平均失重量及相对耐磨性(单位面积的失重)；
用扫描电镜对磨损表面形貌进行评价。
分析结果：
实施例1中的铁基熔覆层组织形貌如图2所示，其中图2a为得到的熔覆层金相组织照片(OM)，图2b、2c、2d分别为图2a由表层到过渡界面三个位置的高倍金相显微组织形貌，熔覆层厚度大约为800μm。由图2可看出，内部过渡层组织主要由界面向中上部延伸的树枝晶组成，逐渐过渡形成中部的柱状晶组织，近表层组织由柱状晶组织向等轴晶或胞晶组织转变生长。由于激光熔覆是快速熔融、冷却的工艺，在快速凝固过程中，熔覆层的微观组织主要由温度梯度(G)和凝固速率(R)决定，即G/R的比值决定。在涂层底部，固液界面温差较大，即温度梯度占据主导作用，此时G/R的值很大，成分过冷几乎不存在，所以在底部区域呈树枝晶生长；随着熔覆层与熔合区距离的增加，温度梯度相比底部区域逐渐减小，成分过冷阻碍了树枝晶的生长，使得熔覆层在中部以柱状晶组织为主；随着温度梯度的减小，G/R逐渐减小，此时成分过冷占据主导作用，在中部至顶部区域，熔覆层由柱状晶向等轴晶转变，符合组织的凝固理论生长规律。同时，实施例2和实施例3中得到的熔覆层的组织形貌结构与实施例1基本相当。
对实施例1中的铁基熔覆层与基体的熔合区界面线扫描，描结果显示，从熔覆层至基体以熔合线为界Fe元素逐渐增多，Mo、Cr和Ni元素逐渐减少，表明激光熔覆过程中，金属合金粉末与基体形成熔池，存在部分Fe元素由基体扩散到熔覆层中；同时熔覆层部分Mo、Cr和Ni元素分解扩散至基体中，熔覆层与基体形成良好的冶金结合，对界面熔合区界面应力起到缓解作用。实施例2和实施例3得到的熔覆层与基体的熔合区界面线扫描结果中各元素的分布规律变化与实施例1相同。
对实施例3中的铁基熔覆层进行X射线衍射(XRD)分析，分析结果如图3所示，从图3中可以看出，铁基熔覆层中的物相与传统熔覆层相比发生了明显变化，在主峰附近出现了另一个α-Fe峰，熔覆层中出现Fe7Mo3相，而Fe7C3(M7C3)碳化物和α-Fe相减少。对实施例1和实施例2中的熔覆层进行同样的分析，其熔覆层中也出现Fe7Mo3相。
通过金相组织图结合Image Pro-plus软件测量实施例1-3中的熔覆层的晶粒尺寸，实施例1中的熔覆层平均晶粒尺寸为6.0μm，组织特征明显，以晶界和基体相形式存在，晶粒得到细化起到强化作用，且Mo元素更易固溶在晶界处，增加其延展性。对实施例2和实施例3的铁基熔覆层截面相组织晶粒细化程度更高，实施例2中的熔覆层平均晶粒尺寸为4.8μm，实施例3中的熔覆层平均晶粒尺寸为3.5μm，且实施例2和实施例3中的组织特征相比于实施例1更加明显。
对实施例1中的熔覆层的相组织面扫描元素分布进行分析，不同元素分布规律不同，主要由于各合金元素之间具有不同化学结合力，熔覆层凝固过程中会以不同的形式(如固溶、化合物)转变。其中，Ni和Cr元素相对均匀分布在熔覆层中，但Fe元素更多的分布在基体相中；此外，Mo、C元素主要在晶界处富集，晶界处富Mo、C现象，主要为Fe、Mo的金属化合物与碳化物的组合相。实施例2和实施例3中的熔覆层的相组织面扫描元素分布规律与实施例1中的基本相同。
实施例1中的熔覆层的显微硬度检测压痕形貌如图4所示，从图中可以看出，从涂层上部至下部熔合区硬度压痕形貌大小差异不大，说明涂层的整体硬度分布较均匀，在硬度压痕附近未发现裂纹及缺陷，因此涂层具有良好的塑韧性及延展性。同样的方法检测的实施例2-3中的熔覆层硬度均较均匀，且压痕附近未发现裂纹及缺陷。
对实施例1中的熔覆层的磨损性能进行检测，磨损是待测材料抗磨损能力的重要实验方法，平面固着研磨仍是主要的磨损方式。本实验采用磨料磨损形式对待测面磨损性能进行评价。由单位面积铁基熔覆层与负重轮基体的磨损失重量分析耐磨性，其中铁基熔覆层与负重轮基体相对耐磨倍率关系表达式为：β＝负重轮基体摩擦磨损失重量/熔覆层摩擦磨损失重量。负重轮基体、铁基熔覆层磨损后单位面积累计失重量分别为236mg和122mg，熔覆层的相对耐磨性倍率为负重轮基体的1.93倍。铁基体磨损失重量较大，而熔覆层的耐磨性明显提升。熔覆层中存在碳化物硬质相及金属间化合物是提高其相对耐磨性的重要原因。结合显微硬度来看，熔覆层的耐磨性与其硬度并不是线性对应关系，与普通熔覆层材料耐磨性规律有所不同。而实施例2-3中的熔覆层的相对耐磨性倍率分别为负重轮基体的2.01和1.96倍
实施例1和实施例3中的铁基熔覆层磨损后的形貌图如图5所示，从宏观形貌结合磨损失重量可以看出在30N载荷作用下磨损10min后，负重轮基体的耐磨性最差，形貌特征表现为较多的剥落坑和较深的犁沟，主要磨损机制为磨粒磨损，同时存在部分塑性变形，如图5a所示；实施例1中的熔覆层划痕深度明显变浅，磨损表面平整度更加均匀。如图5b所示；实施例3中的熔覆层表面磨痕进一步变浅，而且几乎不存在剥落及裂纹现象，如图5c所示，具有优良的耐磨损性能。而实施例2中的熔覆层的耐磨性处于实施例1和实施例3的熔覆层的耐磨性能之间。
综合上述检测性能来看，本发明的熔覆层中的相类型及含量发生变化，针状碳化物相消失，出现了以晶界形式存在的M7C3碳化物及Fe7Mo3金属化合物，组织更加均匀细化，增强相与基体相结合性良好，在耐磨性方面起均匀载荷及抗磨作用，表现为良好的延展性，不存在裂纹开裂现象。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铁基激光熔覆层粉末，其特征在于：包括以下质量分数的化学元素：
C：0.09％-0.1％，Si：0.9％-1％，Cr：15％-17％，Ni：9％-10％，Mo：8％-14％，余量的Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的铁基激光熔覆层粉末，其特征在于：包括以下质量分数的化学元素：
C：0.09％，Si：0.9％，Cr：15.3％，Ni：9％，Mo：10％，余量的Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的铁基激光熔覆层粉末，其特征在于：所述铁基激光熔覆层粉末的粒度为50μm-100μm。
4.一种铁基熔覆层的制备方法，其特征在于：包括：采用权利要求1～3任一项所述的铁基激光熔覆层粉末，通过激光熔覆法在铁基体上形成所述铁基熔覆层。
5.如权利要求4所述的铁基熔覆层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将所述铁基激光熔覆层粉末干燥后，加入光纤激光器的送粉器中，然后在所述铁基体上同时进行送粉器送粉和激光扫描，在所述铁基体形成所述铁基熔覆层。
6.如权利要求5所述的铁基熔覆层的制备方法，其特征在于：所述干燥的温度为50℃-100℃、时间为1h-2h。
7.如权利要求5所述的铁基熔覆层的制备方法，其特征在于：所述送粉器送粉的方式为氩气旁轴送粉方式。
8.如权利要求5所述的铁基熔覆层的制备方法，其特征在于：所述送粉器送粉的速率为10g/min-15g/min。
9.如权利要求5所述的铁基熔覆层的制备方法，其特征在于：所述激光扫描的功率为225W-250W、速度为2.5mm/s-3.5mm/s。
10.权利要求4-9任一项所述的铁基熔覆层的制备方法制得的铁基熔覆层。
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CN115094416A (zh) * 2022-06-28 2022-09-23 兰州理工大学 一种制备不锈钢基高硬度耐磨耐蚀合金的方法及其产品

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