CN115323272A - 轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末及其应用方法，该合金粉末是通过元素作用分析和冶金设计调整C、Cr、Si、Mn、Mo、V、Cu和Fe元素的种类和质量百分比，进行合金粉末的设计，获得铁素体组织的修复层；该合金粉末具有激光熔覆修复工艺适应性好，修复后组织细密，无气孔、裂纹等缺陷，修复层能承受复杂应力，力学性能与零部件相匹配的优点；本发明还提供了一种轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末的应用方法，该应用方法可以制备出强度高、塑韧性好、能承受各种应力条件的增材修复层，以有效修复表面损伤，修复后力学性能达到使用要求，能够大大节约资源和能源。

Description

轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末及其应用方法
技术领域
本发明涉及合金材料科学及激光增材修复技术领域，具体涉及一种大型轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末及其应用方法。
背景技术
激光增材修复作为绿色再制造工程的重要技术之一，具有热影响区小、工件变形小、界面冶金结合、稀释率低、过程易于实现自动化等优点。它作为一种新型的再制造技术，是一种重要的材料表面强化与加工技术，它是利用高能量密度激光束在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固，在基材表面形成与其为冶金结合的，具有特殊的物理、化学或力学性能的材料，从而显著改善基材表面耐磨、强度和韧性等性能。在矿山、冶金、化工、能源、交通等行业中有很多关键零部件为钢铁，因长期处于恶劣的工作环境下，因磨损、腐蚀等原因失效，失效大多存在于表面，直接造成经济损失。运用铁素体钢合金粉末进行修复，因其成分与大型轴类件相似，热膨胀系数相近，价格相对镍基、钴基合金更低，具有较好的应用前景。
目前市场上常用的激光增材修复铁基合金粉末体系主要以普适化的FeCrBSi体系粉末，以及316L、304、420等奥氏体不锈钢体系的合金粉末为主。这些合金粉末大多为奥氏体钢合金粉末，热膨胀系数和铁素体钢的大型轴类件不相匹配，且该体系大多数含有硼元素镍元素，虽然硼元素可以大大降低合金粉末的熔点，但是硼元素极易在奥氏体晶界发生平衡偏聚及非平衡偏聚，恶化熔覆层的力学性能；同时这些合金粉末体系很难满足特定关键零部件的多样化的修复性能要求。
目前，大多数已开发的激光增材制造专用粉末并未明确所适用的损伤类型。但合金粉末用于修复体积损伤时，应侧重提高强度和塑性，而用于修复表面损伤时，则应侧重于强度和表面硬度的提高。因此，为匹配大型轴类件本体性能，满足运行环境、应力特性和疲劳性能要求，同时满足激光熔覆修复工艺适应性。在本发明中通过调控硅元素含量，调控工艺成型性能，控制缺陷缺陷夹杂；调控碳元素含量，控制修复层的性能，满足使用需要，同时修复层在运行过程中不粘接、抗磨损性能好、塑性韧性好、能承受复杂的应力环境的特点。基于此，从各类元素作用和冶金角度对粉末合金元素进行设计和调整，获得高性能的增材修复专用铁素体钢合金粉末，提升修复效果。
发明内容
针对现有技术中存在的缺点，本发明提供了一种轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末，该合金粉末是通过元素作用分析和冶金设计调整C、Cr、Si、Mn、Mo、V、Cu和Fe等元素的种类和质量百分比，进行合金粉末的设计，获得铁素体组织的修复层。该合金粉末具有激光熔覆修复工艺适应性好，修复后组织细密，无气孔、裂纹等缺陷，修复层能承受复杂应力，力学性能与零部件相匹配的优点。
本发明的另一目的在于提供一种轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末的应用方法，该应用方法可以制备出强度高、塑韧性好、能承受各种应力条件的增材修复层，以有效修复表面损伤，修复后力学性能达到使用要求，能够大大节约资源和能源。
本发明的技术方案如下：
一种轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末，由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.05％～0.15％，铬Cr：1.0％～5.0％，硅Si：0.50％～1.0％，锰Mn：1.0％～1.50％，钼Mo：0.30％～0.60％，钒V：0％～0.05％，铜Cu：0％～0.3％，铁Fe：余量。
进一步，所述轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.10％～0.13％，铬Cr：1.3％～4.0％，硅Si：0.70％～0.90％，锰Mn：1.20％～1.50％，钼Mo：0.50％～0.60％，钒V：0.03％～0.05％，铜Cu：0.2％，铁Fe：余量。
进一步，所述轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.08％，铬Cr：1.5％，硅Si：0.60％，锰Mn：1.30％，钼Mo：0.40％，铁Fe：余量。
进一步，所述轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.15％，铬Cr：2.0％，硅Si：0.80％，锰Mn：1.40％，钼Mo：0.50％，铜Cu：0.3％，铁Fe：余量。
本发明所述轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末的粉末粒度为50～200μm，主体粒度为75～150μm；所述主体粒度指该粒度范围内粉末占60％以上。
本发明所述轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末无B，无Ni，杂质S、P含量均小于0.01％，粉末球形度高于0.8。
本发明所述轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末可采用本领域已知的真空气雾化方法进行制粉。
本发明所述轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末可用于大型轴类件的体积损伤修复和表面损伤修复，具体应用的方法为：
a)将待增材修复大型轴类件表面整体车削后，使用丙酮或无水乙醇清洗切削后的转子轴径，去油去污；
b)将所述铁素体钢合金粉末置于烘箱中，100～200℃保温直至烘干；
c)将车削及清洗后的待增材修复大型轴类件置于激光器下；
d)利用载气同轴送粉装置向待增材修复大型轴类件表面激光光斑处均匀送入所述铁素体钢合金粉末；
e)所述激光器射出激光束辐照于大型轴类件表面并熔化所述铁素体钢合金粉末，根据预设轨迹，使得该铁素体钢合金粉末连续熔覆于所述待增材修复大型轴类件表面，形成一定厚度的熔覆层；
f)完成预设范围工件表面的连续熔覆后，自然冷却至室温，最后将熔覆层车削及磨削至目标尺寸。
本发明所述应用方法中：
待增材修复大型轴类件表面整体切削深度为0.2～1.5mm；
利用载气同轴送粉装置向待增材修复大型轴类件表面均匀送入所述激光增材修复用铁素体钢合金粉末的步骤中，送入合金粉末的量满足单层熔覆层厚度介于0.5～1.5mm之间；
激光熔覆的条件为：激光器功率应在2500～3000W之间，激光扫描速度为240～480mm/min，送粉速率为10g～12g/min，合金粉末的送粉方式为同步同轴输送；
熔覆道次之间的搭接率为40％～60％；
激光器光斑形状为直径4mm的圆光斑，激光能量均匀分布；
载气送粉装置使用的气体为高纯氩气(Ar，纯度99.99％)，保护气使用的气体为高纯氩气(Ar，纯度99.99％)。
本发明所述轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末的成分设计原理为：
碳C：0.05％～0.15％
碳在奥氏体中的溶解度很大，而在铁素体中的却很小，它能减慢奥氏体中原子的扩散速度，延长奥氏体转变前额孕育期，减慢转变速度，从而增加了奥氏体的稳定性，提高了钢的淬透性，同时碳与其他元素(Fe、Cr等)生成的碳化物，起到硬质相弥散强化作用。碳化物容易在晶界处聚集，碳含量过高，析出的碳化物增多，熔覆层裂纹敏感性增强。同时由于激光增材修复层的性能对于C元素含量比较敏感，特别是硬度、强度和韧性等性能，故将C含量设置为0.05％～0.15％。
铬Cr：1.0％～5.0％
Cr加入钢中能显著改善钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀性能。Cr也能显著增加钢的淬透性并有二次硬化作用，但也能增加钢的回火脆性倾向；在Fe-Cr合金中，随着Cr含量的增加，合金的抗拉强度和硬度也显著上升；Cr含量在10％以内，断面收缩率和伸长率也略有提高；Cr含量超过10％，断面收缩率和伸长率则显著下降。同时Cr元素扩大了CCT曲线的贝氏体相变区，提高了过冷奥氏体的稳定性。故将Cr含量设定为1.0％～5.0％。
硅Si：0.50％～1.0％
Si可以降低合金粉末的熔点，提高熔池的流动性和对基体的润湿性，并与氧形成SiO2等硅酸盐覆盖于熔池表面，以提高熔覆层的抗氧化性。同时由于Si的导热性差，而熔覆后的内外温差较大，容易有开裂的危险，虽然如此，Si能够提高钢的回火稳定性有很大好处，所以Si的含量设定为0.50％～1.0％。
锰Mn：1.0％～1.50％
锰可以适当提高熔覆层的强度和硬度，但锰含量过高，在激光再制造过程中易与氧结合形成氧化物滞留在熔覆层中，降低熔覆层的力学性能。同时Mn在一定含量时，使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的上下C曲线分离，适量的Mn在中温下的相界处富集时，对相界迁移起拖拽作用，同时显著降低贝氏体的相变驱动力，是贝氏体相变温度降低。因此，设定锰含量1.0％～1.50％。
钼Mo：0.30％～0.60％
Mo原子结合能力强，易于与C等合金元素形成化合物强化相，细化晶粒及固溶强化的作用较强，此外，还可以组织奥氏体的长大，因此少量添加(通常小于1.0％)可以细化晶粒，并提高韧性。但其含量应予以控制，避免Ceq、Pcm增加，强度、硬度升高。因此，设定钼含量0.30％～0.60％。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
本发明合金粉末不含硼、镍元素，该合金粉末用于激光熔覆后获得铁素体组织，主要针对轴类件的修复。该合金粉末具有激光熔覆修复工艺适应性好，修复后组织细密，无气孔、裂纹等缺陷，修复层能承受复杂应力，力学性能与零部件相匹配的优点。可实现大厚度修复层近表面接近合金粉末成分，且激光增材修复操作过程灵活，重复性一致，效率高，相比于传统的316L、304、420等奥氏体不锈钢体系的合金粉末，电刷镀、堆焊等传统修复技术具有巨大的优势。
同时，本发明提供了该合金粉末的应用方法，在所限定的工艺参数下可获得高质量的熔覆层。
附图说明
图1为实施例1合金粉末的扫描电子显微镜(SEM)粉末形貌。
图2为实施例1合金粉末的粉末组织。
图3为实施例1合金粉末的空心粉情况。
图4为实施例5代表性熔覆层光学显微镜金相组织图片。
图5为实施例5代表性增材修复完成轴类件探伤图片。
图6为实施案例屈服强度测试数据。
图7为实施案例抗拉强度测试数据。
图8为实施案例断面收缩率测试数据。
图9为实施案例断后伸长率测试数据。
图10为实施案例冲击韧性测试数据。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
本实施例的合金粉末元素种类及质量百分比为碳C：0.10％，铬Cr：1.3％，硅Si：0.70％，锰Mn：1.20％，钼Mo：0.50％，钒V：0.03％，铜Cu：0.2％，余量为Fe。
实施例2
本实施例的合金粉末元素种类及质量百分比为碳C：0.08％，铬Cr：1.5％，硅Si：0.60％，锰Mn：1.30％，钼Mo：0.40％，余量为Fe。
实施例3
本实施例的合金粉末元素种类及质量百分比为碳C：0.15％，铬Cr：2.0％，硅Si：0.80％，锰Mn：1.40％，钼Mo：0.50％，铜Cu：0.3％，余量为Fe。
实施例4
本实施例的合金粉末元素种类及质量百分比为碳C：0.13％，铬Cr：4.0％，硅Si：0.90％，锰Mn：1.50％，钼Mo：0.60％，钒V：0.05％，铜Cu：0.2％，余量为Fe。
实施例5
对实施例1，2，3，4的合金粉末进行激光熔覆，具体的应用方法如下：
熔覆基体预处理：以轴类件作为熔覆基体，将其表面用600目砂纸打磨光洁，再用浓度为95％的乙醇溶液清洗干净表面的油污和锈迹。
熔覆粉末预处理：将粉末置于干燥温度为120℃的干燥箱内干燥30min。待干燥冷却后将粉末置于送粉器内。
熔覆工艺：采用光纤耦合半导体激光器，同步送粉熔覆的方式。调整激光器的光斑大小至
Figure BDA0003777597870000041
将功率设置为3000W，扫描速度为6mm/s，送粉速率为12g/min。
对实施例5的单道熔覆层用线切割切成样品，经过镶嵌，磨抛，腐蚀的工序后，在光学显微镜下观察其熔覆层的组织形貌。
对实施例5的多道搭接熔覆层用线切割切成样品，经过镶嵌，磨抛，腐蚀的工序后，在光学显微镜下观察其熔覆层的组织形貌。
对实施例5熔覆的梯形槽进行冲击韧性和圆棒拉伸取样处理，并按照GB/T229-2007和GB/T228.1-2010进行试验，得出试验结果。

Claims (9)

1.一种轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末，其特征在于，由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.05％～0.15％，铬Cr：1.0％～5.0％，硅Si：0.50％～1.0％，锰Mn：1.0％～1.50％，钼Mo：0.30％～0.60％，钒V：0％～0.05％，铜Cu：0％～0.3％，铁Fe：余量。
2.如权利要求1所述的轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末，其特征在于，由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.10％～0.13％，铬Cr：1.3％～4.0％，硅Si：0.70％～0.90％，锰Mn：1.20％～1.50％，钼Mo：0.50％～0.60％，钒V：0.03％～0.05％，铜Cu：0.2％，铁Fe：余量。
3.如权利要求1所述的轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末，其特征在于，由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.08％，铬Cr：1.5％，硅Si：0.60％，锰Mn：1.30％，钼Mo：0.40％，铁Fe：余量。
4.如权利要求1所述的轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末，其特征在于，由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.15％，铬Cr：2.0％，硅Si：0.80％，锰Mn：1.40％，钼Mo：0.50％，铜Cu：0.3％，铁Fe：余量。
5.如权利要求1～任一项所述的轴类件激光增材修复用铁素体钢合金粉末在大型轴类件的体积损伤修复或表面损伤修复中的应用。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述应用的方法为：
a)将待增材修复大型轴类件表面整体车削后，使用丙酮或无水乙醇清洗切削后的转子轴径，去油去污；
b)将所述铁素体钢合金粉末置于烘箱中，100～200℃保温直至烘干；
c)将车削及清洗后的待增材修复大型轴类件置于激光器下；
d)利用载气同轴送粉装置向待增材修复大型轴类件表面激光光斑处均匀送入所述铁素体钢合金粉末；
e)所述激光器射出激光束辐照于大型轴类件表面并熔化所述铁素体钢合金粉末，根据预设轨迹，使得该铁素体钢合金粉末连续熔覆于所述待增材修复大型轴类件表面，形成一定厚度的熔覆层；
f)完成预设范围工件表面的连续熔覆后，自然冷却至室温，最后将熔覆层车削及磨削至目标尺寸。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，步骤a)中，待增材修复大型轴类件表面整体切削深度为0.2～1.5mm。
8.如权利要求6所述的应用，其特征在于，步骤d)中，送入合金粉末的量满足单层熔覆层厚度介于0.5～1.5mm之间。
9.如权利要求6所述的应用，其特征在于，步骤e)中，激光熔覆的条件为：激光器功率在2500～3000W之间，激光扫描速度为240～480mm/min，送粉速率为10g～12g/min，合金粉末的送粉方式为同步同轴输送；熔覆道次之间的搭接率为40％～60％；激光器光斑形状为直径4mm的圆光斑，激光能量均匀分布；载气送粉装置使用的气体为高纯氩气，保护气使用的气体为高纯氩气。
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