CN115121801A - 铁基材料损伤件的激光增材修复方法及其采用的修复粉末 - Google Patents

铁基材料损伤件的激光增材修复方法及其采用的修复粉末 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁基材料损伤件的激光增材修复方法及其采用的修复粉末，修复方法具有以下步骤：①利用三维扫描技术，获得铁基材料损伤件的三维模型，通过与新品对比，获得铁基材料损伤件的受损部位的三维数据，再对受损部位进行切削、打磨、清洗；②对铁基材料损伤件的受损部位进行一次激光空扫；③采用修复粉末对铁基材料损伤件的受损部位进行激光增材修复；修复粉末由主成分与添加剂组成；主成分由下述原子百分比的组分组成：Fe50Mn30Co10Cr10；添加剂为等重量比的Ni和Zr；添加剂的用量为所述主成分的3～6wt%。本发明的修复粉末以及修复工艺适用于多种牌号的铁基材料损伤件，修复得到的修复区不仅无明显裂纹等缺陷，而且具有较好的力学性能和抗腐蚀性能。

Description

铁基材料损伤件的激光增材修复方法及其采用的修复粉末
技术领域
本发明属于激光增材修复技术领域，具体涉及一种铁基材料损伤件的激光增材修复方法及其采用的修复粉末。
背景技术
装备零部件在服役过程中，受外界较大应力的作用，往往会产生裂纹直至断裂，或者出现尺寸较大的磨损，从而影响零部件的正常使用。通过载能束现场修复技术，实现损伤零部件的现场修复与再制造，既可以节约时间，快速恢复装备性能；又可以节约成本，解决备件保障难题。
但是，零部件的材质多种多样，比如铁基材料的牌号就有304、316、42CrMo等等，如果每一种材料都要使用同质材料进行修复，所需的材料成本及对应的修复工艺就会过于庞大、复杂、难以实现。
因此，研究开发一种适用于多种牌号的铁基材料损伤件的修复材料以及修复工艺是本领域急需解决的问题。
另外，激光增材修复是一个快冷快热的过程，很容易出现开裂现象，从而影响修复效果。
因此，研究开发一种针对铁基材料损伤件的激光增材修复无裂纹的修复材料以及修复工艺也是本领域急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种铁基材料损伤件的激光增材修复方法及其采用的修复粉末，该修复粉末不但适用于多种牌号的铁基材料损伤件，而且修复后无明显裂纹缺陷，尤其是还具有较好的力学性能和抗腐蚀性能。
实现本发明目的的技术方案是：一种铁基材料损伤件的激光增材修复方法，具有以下步骤：
①利用三维扫描技术，获得铁基材料损伤件的三维模型，通过与新品对比，获得铁基材料损伤件的受损部位的三维数据，再对受损部位进行切削、打磨、清洗。
②对铁基材料损伤件的受损部位进行一次激光空扫。
③采用修复粉末对铁基材料损伤件的受损部位进行激光增材修复。
上述步骤②中，所述激光空扫的工艺参数如下：激光功率为200～300W，扫描速率为1000～1200mm/min，扫描间距为1mm。
上述步骤③中，所述激光增材修复的工艺参数如下：激光功率为800～1000W，扫描速率为600～800mm/min，扫描间距为1mm，扫描层厚为0.3mm，送粉速率为1200～1600mm3/min，送粉气流量为5～8L/min。
上述步骤③采用的修复粉末由主成分与添加剂组成；所述主成分由下述原子百分比的组分组成：Fe50Mn30Co10Cr10；所述添加剂为等重量比的Ni和Zr；所述添加剂的用量为所述主成分的3～6wt%。
上述步骤③采用的修复粉末的制备方法，包括：
S1：气雾化制粉。
按照配比将各组分加入到真空熔炼炉中，熔炼炉内温度为1500～1550℃，熔炼炉内压力为0.5～0.6MPa；然后采用氩气对金属熔滴进行气雾化，气雾化压力为5～7MPa。
S2：筛分。
将步骤S1气雾化制粉得到的粉末进行筛分，得到平均粒径为75～150μm的粉末。
S3：干燥。
将步骤S2筛分后的粉末进行真空干燥，干燥温度为100～120℃，干燥时间为2～3h，真空度为-1.0×105Pa。
本发明具有的积极效果：
（1）本发明的修复粉末以及修复工艺适用于多种牌号的铁基材料损伤件，而且价格也不高，为铁基材料损伤件的激光增材修复提供了保障。
（2）采用本发明的修复粉末得到的修复区无明显裂纹等缺陷，而且具有较好的力学性能和抗腐蚀性能，从而使得修复区具备与原零件相近甚至更优异的性能。
附图说明
图1为实施例1制得的修复粉末的SEM图。
图2为实施例1修复得到的修复区的XRD图。
图3为实施例1修复得到的修复区的金相图。
图4为对比例1修复得到的修复区的金相图。
图5为对比例2修复得到的修复区的金相图。
图6为对比例3修复得到的修复区的金相图。
图7为对比例4修复得到的修复区的金相图。
图8为实施例1以及对比例1～对比例2修复得到的修复区的室温拉伸工程应力应变曲线图；其中：曲线1对应实施例1的修复区，曲线2对应对比例1的修复区，曲线3对应对比例2的修复区。
具体实施方式
（实施例1）
本实施例的铁基材料损伤件的激光增材修复方法具有以下步骤：
①利用三维扫描技术，获得铁基材料损伤件的三维模型，通过与（未损伤的）新品对比，获得铁基材料损伤件的受损部位的三维数据，再对受损部位进行切削、打磨、清洗。
本实施例的铁基材料损伤件为316L奥氏体不锈钢，受损部位尺寸为20×20×30mm3。
②对铁基材料损伤件的受损部位进行一次激光空扫，具体工艺参数如下：激光功率为200W，扫描速率为1000mm/min，扫描间距为1mm。
③采用修复粉末对铁基材料损伤件的受损部位进行激光增材修复，具体工艺参数如下：激光功率为800W，扫描速率为600mm/min，扫描间距为1mm，扫描层厚为0.3mm，送粉速率为1200mm3/min，送粉气流量为5L/min，最后对修复得到的修复区进行打磨处理。
本实施例的修复粉末由主成分和添加剂组成；其中：主成分为Fe50Mn30Co10Cr10粉末，添加剂为等重量比的Ni和Zr，添加剂的用量为主成分的3wt%。
本实施例的修复粉末的制备方法如下：
S1：按照配比将各组分加入到真空熔炼炉中，熔炼炉内温度为1500℃，熔炼炉内压力为0.5MPa；然后采用氩气对金属熔滴进行气雾化，气雾化压力为5MPa。
S2：筛分得到平均粒径为125μm的粉末。
S3：将筛分后的粉末置于真空干燥箱中进行真空干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为2h，真空干燥箱的真空度为-1.0×105Pa。
本实施例的修复粉末的SEM图见图1，由图1可以看出：本实施例的修复粉末粒径分布均匀，球形度较好。
本实施例修复得到的修复区的XRD图见图2，由图2可以看出：本实施例的修复区为马氏体相变后的FCC-HCP双相结构。
本实施例修复得到的修复区的金相图见图3，由图3可以看出：本实施例的修复区无明显裂纹等缺陷。
（对比例1～对比例4）
各对比例的铁基材料损伤件的激光增材修复方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤③中采用的修复粉末组成，具体见表1。
表1
实施例1 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4
主成分 Fe<sub>50</sub>Mn<sub>30</sub>Co<sub>10</sub>Cr<sub>10</sub> 316L奥氏体不锈钢粉末 Fe<sub>50</sub>Mn<sub>30</sub>Co<sub>10</sub>Cr<sub>10</sub> Fe<sub>50</sub>Mn<sub>30</sub>Co<sub>10</sub>Cr<sub>10</sub> Fe<sub>50</sub>Mn<sub>30</sub>Co<sub>10</sub>Cr<sub>10</sub>
添加剂用量 3wt% / / 3wt% 3wt%
添加剂成分 等重量比的Zr+Ni / / Ni Zr
腐蚀电位（V） -1.37 -1.98 -1.69 -1.45 -1.78
显微硬度（HV） 242 203 210 208 233
对比例1～对比例4修复得到的修复区的金相图分别见图4～图7，由图4～图7可以看出：对比例1（采用与基体成分相同的修复粉末）修复得到的修复区可见有显著裂纹、孔隙等缺陷；对比例2～对比例4由于采用Fe50Mn30Co10Cr10，均无明显裂纹等缺陷。
（测试例1）
分别对实施例1、对比例1～对比例2修复得到的修复区进行室温拉伸试验，其工程应力应变曲线见图8。
由图8可以看出：实施例1修复得到的修复区最大拉伸强度可达820MPa左右，对比例1（采用与基体成分相同的修复粉末）修复得到的修复区最大拉伸强度只有660MPa左右，对比例2（无添加剂）修复得到的修复区的最大拉伸强度也不高，只有700MPa左右。
（测试例2）
分别测试实施例1、对比例1～对比例4修复得到的修复区的腐蚀电位，结果见表1。
由表1可以看出：实施例1修复得到的修复区抗腐蚀性能最佳；对比例1（采用与基体成分相同的修复粉末）修复得到的修复区抗腐蚀性能最差；对比例2和对比例4由于没有添加Ni元素，抗腐蚀性能也不理想。
（测试例3）
分别测试实施例1、对比例1～对比例4修复得到的修复区的显微硬度，结果见表1。
由表1可以看出：实施例1得到的修复区显微硬度最高，达到242HV；对比例1（采用与基体成分相同的修复粉末）修复得到的修复区显微的硬度最低，只有203HV；对比例2和对比例3由于没有添加Zr元素，硬度也较低。
（实施例2～实施例5）
各实施例的铁基材料损伤件的激光增材修复方法与实施例1基本相同，不同之处在于：铁基材料损伤件材质、受损部位尺寸、添加剂用量以及具体工艺参数，具体见表2。
表2
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
铁基材料损伤件材质 316L奥氏体不锈钢 410马氏体不锈钢 416马氏体不锈钢 904L奥氏体不锈钢 304奥氏体不锈钢
受损部位尺寸 20×20×30mm<sup>3</sup> 30×30×40mm<sup>3</sup> 40×40×30mm<sup>3</sup> 20×20×20mm<sup>3</sup> 20×20×50mm<sup>3</sup>
添加剂用量 3wt% 4wt% 5wt% 4.5wt% 6wt%
熔炼温度 1500℃ 1500℃ 1550℃ 1500℃ 1550℃
熔炼压力 0.5MPa 0.5MPa 0.5MPa 0.6MPa 0.5MPa
气雾化压力 5MPa 6MPa 5MPa 5MPa 5MPa
平均粒径 125μm 130μm 115μm 120μm 120μm
干燥温度 100℃ 100℃ 100℃ 120℃ 110℃
干燥时间 2h 3h 2h 2h 2h
真空度 -1.0×10<sup>5</sup>Pa -1.0×10<sup>5</sup>Pa -1.0×10<sup>5</sup>Pa -1.0×10<sup>5</sup>Pa -1.0×10<sup>5</sup>Pa
激光功率（空扫） 200W 250W 230W 280W 250W
扫描速率（空扫） 1000mm/min 1100mm/min 1200mm/min 1000mm/min 1100mm/min
扫描间距（空扫） 1mm 1mm 1mm 1mm 1mm
激光功率 800W 900W 900W 900W 1000W
扫描速率 600mm/min 600mm/min 800mm/min 700mm/min 800mm/min
扫描间距 1mm 1mm 1mm 1mm 1mm
扫描层厚 0.3mm 0.3mm 0.3mm 0.3mm 0.3mm
送粉速率 1200mm<sup>3</sup>/min 1300mm<sup>3</sup>/min 1400mm<sup>3</sup>/min 1500mm<sup>3</sup>/min 1400mm<sup>3</sup>/min
送粉气流量 5L/min 5L/min 6L/min 7L/min 8L/min

Claims (6)

1.一种铁基材料损伤件的激光增材修复方法，具有以下步骤：
①利用三维扫描技术，获得铁基材料损伤件的三维模型，通过与新品对比，获得铁基材料损伤件的受损部位的三维数据，再对受损部位进行切削、打磨、清洗；
②对铁基材料损伤件的受损部位进行一次激光空扫；
③采用修复粉末对铁基材料损伤件的受损部位进行激光增材修复；
其特征在于：上述步骤③采用的修复粉末由主成分与添加剂组成；所述主成分由下述原子百分比的组分组成：Fe50Mn30Co10Cr10；所述添加剂为等重量比的Ni和Zr；所述添加剂的用量为所述主成分的3～6wt%。
2.根据权利要求1所述的铁基材料损伤件的激光增材修复方法，其特征在于：上述步骤②中，所述激光空扫的工艺参数如下：激光功率为200～300W，扫描速率为1000～1200mm/min，扫描间距为1mm。
3.根据权利要求1所述的铁基材料损伤件的激光增材修复方法，其特征在于：上述步骤③中，所述激光增材修复的工艺参数如下：激光功率为800～1000W，扫描速率为600～800mm/min，扫描间距为1mm，扫描层厚为0.3mm，送粉速率为1200～1600mm3/min，送粉气流量为5～8L/min。
4.根据权利要求1至3之一所述的铁基材料损伤件的激光增材修复方法，其特征在于：所述修复粉末的制备方法包括：
S1：气雾化制粉；
按照配比将各组分加入到真空熔炼炉中，熔炼炉内温度为1500～1550℃，熔炼炉内压力为0.5～0.6MPa；然后采用氩气对金属熔滴进行气雾化，气雾化压力为5～7MPa；
S2：筛分；
将步骤S1气雾化制粉得到的粉末进行筛分，得到平均粒径为75～150μm的粉末；
S3：干燥；
将步骤S2筛分后的粉末进行真空干燥，干燥温度为100～120℃，干燥时间为2～3h，真空度为-1.0×105Pa。
5.一种铁基材料损伤件的激光增材修复方法采用的修复粉末，其特征在于：它是由主成分与添加剂组成；所述主成分由下述原子百分比的组分组成：Fe50Mn30Co10Cr10；所述添加剂为等重量比的Ni和Zr；所述添加剂的用量为所述主成分的3～6wt%。
6.根据权利要求5所述的铁基材料损伤件的激光增材修复方法采用的修复粉末，其特征在于：其制备方法包括：
S1：气雾化制粉；
按照配比将各组分加入到真空熔炼炉中，熔炼炉内温度为1500～1550℃，熔炼炉内压力为0.5～0.6MPa；然后采用氩气对金属熔滴进行气雾化，气雾化压力为5～7MPa；
S2：筛分；
将步骤S1气雾化制粉得到的粉末进行筛分，得到平均粒径为75～150μm的粉末；
S3：干燥；
将步骤S2筛分后的粉末进行真空干燥，干燥温度为100～120℃，干燥时间为2～3h，真空度为-1.0×105Pa。
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