CN115383110A

CN115383110A - 一种用于螺杆强化的球形碳化钨和镍基合金混合粉末及激光熔覆方法

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Publication number: CN115383110A
Application number: CN202210922149.XA
Authority: CN
Inventors: 董刚; 姚建华; 戈民杰; 俞学振
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2022-08-02
Filing date: 2022-08-02
Publication date: 2022-11-25

Abstract

本发明公开了一种用于螺杆强化的球形碳化钨和镍基合金混合粉末及激光熔覆方法，所述混合粉末由球形碳化钨粉末、镍基合金粉末混合而成，基于混合粉末的总质量，球形碳化钨粉末质量百分比为60～85％，余量为镍基合金粉末；本发明通过将球形碳化钨粉末和镍基合金粉末混合后熔覆在零件的工作表面，通过控制球形碳化钨和镍基合金粉末的比重，最大限度发挥球形碳化钨的性能，两种粉末混合，在具有复杂曲面的工件表面形成高硬度、韧性好和耐磨的强化层。

Description

一种用于螺杆强化的球形碳化钨和镍基合金混合粉末及激光熔覆方法

技术领域

本发明涉及一种球形碳化钨(WC)粉末和镍基合金粉末的混合粉末，该混合粉末可通过激光熔覆用于螺杆的强化。

背景技术

橡胶挤出机，是橡胶工业的一种基本设备，是影响产品质量的关键设备之一，在轮胎和橡胶制品的生产过程中起着非常重要的作用。橡胶挤出机螺杆和机筒是挤出机的灵魂部件，它们的组合关系到挤出机的工作质量以及对物料的塑化能力、生产效率等。所以当橡胶挤出机螺杆和机筒磨损严重时，会影响挤出的产量。由此可见，对螺杆机筒的保养和维修至关重要。在此之前针对橡胶挤出机螺杆的表面强化方法常用的有热喷涂耐磨合金、堆焊耐磨合金和表面镀铬方法等，其中堆焊耐磨合金加工费用高，表面镀铬的铬层比较容易脱落，均存在局限性。

激光再制造技术是指利用激光熔覆技术，在材料表面进行局部熔化，同时以粉末或者填丝的方式添加金属合金，在材料表面形成一种新的强化涂层的方法。涂层与基体材料之间可以形成良好的冶金结合，这种结合强度几乎与母材一样，而且可以控制熔覆层的厚度、区域和大小。此外，激光熔覆的涂层显微组织精细，热变形小，可以控制在较佳的稀释率范围内；可以设计具有特殊功能的材料，用以满足不同性能需要的零部件，灵活性非常好；还可以强化零部件的关键部位，能够将零件的高载荷、高磨损的区域进行强化，从而增加零件的使用寿命。橡胶挤出机的螺杆长期处于恶劣的工作环境下，其螺棱上容易出现磨损、腐蚀、开裂等现象，失效大多存在于表面，使其使用寿命一般。

镍基WC复合涂层既具有镍基合金高韧性的特点，又具有WC颗粒耐蚀、耐高温、抗氧化以及高耐磨性的优点，具备综合的机械性能，多用于苛刻条件下服役的零件表面强化。使用镍基WC复合涂层对螺杆表面进行强化可以提高螺杆的使用寿命。

发明内容

本发明目的在于设计一种合金粉末，并利用激光熔覆技术将其熔覆到指定的零件上，从而实现零件的表面改性，使零件表面性能达到指定的要求。

本发明的核心之处在于：通过将球形碳化钨(WC)粉末和镍基合金粉末混合后熔覆在零件的工作表面，通过控制球形碳化钨和镍基合金粉末的比重，最大限度发挥球形碳化钨的性能。

WC颗粒具有很高的硬度和耐磨性，作为复合涂层中的硬质相，能够起到强化涂层的作用。但是，WC颗粒的物理性能与镍基合金相差很大，加入WC颗粒的粒度、形状和含量都会对复合涂层产生很大的影响，其中WC含量对复合涂层的裂纹敏感性起着至关重要的作用。

本发明需要在使复合涂层不出现裂纹的情况下，设计出最高WC含量的合金粉末。除此之外，不同的送粉方式对激光熔覆的最终结果也有很大影响，可用的送粉方式有预置粉末、单筒送粉和双筒送粉，需要选择最佳的送粉方式，保证熔覆层达到最佳性能。

本发明的技术方案如下：

一种球形碳化钨和镍基合金混合粉末，由球形碳化钨粉末、镍基合金粉末混合而成；

基于混合粉末的总质量，球形碳化钨粉末质量百分比为60～85％，余量为镍基合金粉末；

所述球形碳化钨粉末粒径在50～150μm，其质量百分比组成如下：碳C 6.1％，余量钨W；

所述镍基合金粉末粒径在50～150μm，其质量百分比组成如下：碳C 0.25％，硅Si3.0％，锰Mn1.0％，铬Cr 5.6％，余量镍Ni。

本发明所述镍基合金粉末的成分设计原理为：

碳C：0.25％

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，延长奥氏体转变前的孕育期，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。同时考虑到熔覆层的硬度应与基体硬度相近，且含碳量超过0.30％时，焊接性能会变坏，还会降低耐腐蚀性能。因此，设定C含量为0.25％。

硅Si：3.0％

在激光再制造修复中，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，并与氧结合形成硼硅酸盐覆盖于熔池表面，起到脱氧造渣的作用，以避免熔覆层的氧化。Si含量过低，起不到脱氧造渣的作用，过高则熔覆层中残余硅含量增大，熔覆层裂纹敏感性增强，机械性能变差。因此，设定Si含量3.0％。

锰Mn：1.0％

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，使贝氏体相变温度降低。因此，设定Mn含量1.0％。

铬Cr：5.6％

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。Cr又能在熔覆层的晶界处富集，使熔覆层表面形成一层钝化膜，提高耐蚀性能。因此，设定Cr含量5.6％。

本发明还提供了所述球形碳化钨和镍基合金混合粉末的激光熔覆方法，所述方法包括如下步骤：

(1)基材预处理

用角磨机去除基材表面氧化物，再用600目砂纸打磨光洁，然后用95％乙醇溶液清洗去除表面的油污和锈迹；

所述基材例如38CrMoAl钢，可以是螺杆、螺棱等具有复杂曲面的工件；

(2)粉末预处理

将球形碳化钨粉末、镍基合金粉末置于120℃的保温箱里进行干燥，干燥时间为2小时；

(3)激光熔覆

采用双路送粉的方式，将烘干后的球形碳化钨粉末、镍基合金粉末分别置于送粉器内，两个送粉器同时送粉，使两种粉末在送粉头处混合均匀，并会聚于激光光斑处，通过激光熔覆得到熔覆层；

激光熔覆的工艺参数为：激光功率1400W，光斑直径4mm，扫描速度为5～8mm/s，送粉速率：球形碳化钨粉末40g/min，镍基合金粉末10g/min，保护气：氩气，送粉气：氮气，保护气流量12L/min；

所得熔覆层的单层厚度为1～1.2mm，熔覆层要求留有加工余量；

(4)对熔覆层进行打磨，使其达到设计尺寸。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种用于螺杆激光熔覆强化的球形WC和镍基合金混合粉末及激光熔覆方法，Ni基合金能形成低硬度粘接相，是一种性价比较高的粘接剂，而且其熔点较WC低很多，这样可以保证复合涂层中WC颗粒不会熔化分解，球形WC与块状、碎料状WC相比，球形WC没有尖角，不会在尖角处的应力集中而增加涂层开裂的可能性。铸造WC具有更高耐磨性和硬度，同时还有一定的韧性，在复合涂层中能够承受更大的冲击载荷和抗压强度。两种粉末混合，在螺棱表面形成高硬度、韧性好和耐磨的强化层。

附图说明

图1为粉末形貌，(a)和(b)为放大100倍和1000倍的WC粉末，(c)和(d)为放大100倍和1000倍的镍基合金粉末。

图2为不同送粉方式的WC复合涂层形貌；左：预置粉末、中：单路送粉、右：双路送粉。

图3为不同WC含量的复合涂层宏观形貌。

图4为不同WC含量的复合涂层截面金相照片。

图5为搭接涂层的宏观形貌。

图6为搭接涂层的截面金相。

图7为螺杆熔覆流程图。

图8为螺杆熔覆的示意图。

图9为不同WC含量复合涂层的硬度。

图10为镍基涂层和镍基WC复合涂层的摩擦系数。

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。

以下实施例中，球形碳化钨粉末为赫格纳斯(中国)有限公司生产的4580钨基粉末，粉末粒径在50～150μm，其质量百分比组成如下：碳C 6.1％，余量钨W。镍基合金粉末为赫格纳斯(中国)有限公司生产的1535-30镍基粉末，粉末粒径在50～150μm，其质量百分比组成如下：碳C 0.25％，硅Si 3.0％，锰Mn1.0％，铬Cr 5.6％，余量镍Ni。

实施例1

本实施例的混合粉末中球形碳化钨的含量为60％。借助激光进行单道熔覆实验。

实施例2

本实施例的混合粉末中球形碳化钨的含量为70％。借助激光进行单道熔覆实验。

实施例3

本实施例的混合粉末中球形碳化钨的含量为80％。借助激光进行单道熔覆实验。

实施例4

本实施例的混合粉末中球形碳化钨的含量为85％。借助激光进行单道熔覆实验。

对实施例1、2、3、4的混合粉末进行熔覆，具体的操作方法如下：

熔覆基体预处理：以38CrMoAl钢作为熔覆基体，用角磨机去除基体表面氧化物，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：将粉末在120℃的保温箱里进行干燥，干燥时间为2小时。

熔覆工艺：采用双路送粉的方式，将烘干后的两种粉末分别置于送粉器内，两个送粉器同时送粉，使两种粉末在送粉头处混合均匀，并会聚于激光光斑处。调整激光器的光斑大小至φ4mm，将激光功率设置为1400W，扫描速度为5mm/s，其中激光头水平移动速度为4mm/s，螺杆旋转速度为0.1rad/s，WC粉末的送粉速率为40g/min，Ni基粉末的送粉速率为10g/min。

双路送粉指将两种粉末分别放入两个不同的送粉器中，同时送粉，使两种粉末在送粉头处混合均匀并会聚于激光光斑处。对比预置粉末和单筒送粉方式，使用双筒送粉方式，激光熔覆后涂层中WC颗粒含量接近预设的含量，颗粒在涂层中得以完整保留，但是涂层中的WC颗粒出现了“沉底”现象，这是由于在液态熔池中，未分解的WC颗粒同时受到熔池搅动作用和重力作用，其中WC颗粒密度大，其重力作用大于熔池搅动作用，使得WC颗粒下沉。尽管如此，与单路送粉法相比，涂层的质量、颗粒含量和分布均具有明显的改善，这是因为球形碳化钨密度比镍基合金粉末密度大较多，只有使用双筒送粉，才能使粉末混合均匀。综合比较，双路送粉法更加适合对两种比重不同的粉末进行送粉。

对实施例1、2、3、4的单道熔覆层进行宏观形貌观察，观察结果如图3中(a)。

对实施例1、2、3、4的单道熔覆层进行涂层着色探伤，观察结果如图3中(b)。从图中可以看出，涂层表面平整，无明显缺陷，随着WC含量的增加，涂层颜色变深，更接近WC颗粒本身的颜色，而且涂层表面越来越粗糙，有颗粒状物质存在，这是由于在熔覆过程中，表面微熔的WC颗粒粘在了涂层表面所形成的。从着色探伤试验的结果来看，随着WC含量的增加，复合涂层开始出现裂纹，当WC含量达到85％时，出现了大量裂纹，而WC含量在80％以下，均无裂纹。综上可知，在激光功率为1.4kW、扫描速度为5mm/s时所制备的复合涂层表面质量良好，WC含量能达到80％而无裂纹。

对实施例1、2、3、4的复合涂层截面进行金相显微镜下的观察，结果如图4。从图中可以看出，在WC含量为60％时，WC颗粒大部分集中在复合涂层与基体结合的位置附近，硬质相存在“沉底现象”，如图4中(a)所示。对于复合涂层来说，“沉底现象”将会导致涂层表面缺少硬质相，这样就起不到表面强化的作用，这就要求制备复合涂层要避免硬质颗粒沉底。由于WC颗粒的比重是镍基合金的2倍左右，熔池对流的搅动作用小于WC颗粒的重力作用，要保证WC含量低的情况下颗粒在涂层中均匀分布具有一定的难度。但是，由于激光熔覆制备的复合涂层一般能达到1.5mm以上，强化后的零件表面经加工去除一定的余量，即可保证零件表面硬质相的含量。另外，从图4中(b)和(c)可以看出，随着WC含量的增加，WC质量分数达到70％以上，涂层中WC颗粒的分布趋向均匀，这在一定程度上解决了“沉底”所带来的颗粒分布不均匀的问题。当WC含量达到85％时，虽然涂层中WC颗粒也能均匀的分布，但是涂层表面出现波纹、形貌变差，涂层两侧“翘起”，无法与基体结合，这就严重影响了涂层与基体的结合性能，如图4中(d)所示。

表1为实施例1～4所述合金粉末的物理性能。

表1

经过测试以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种球形碳化钨和镍基合金混合粉末，其特征在于，由球形碳化钨粉末、镍基合金粉末混合而成；

2.如权利要求1所述球形碳化钨和镍基合金混合粉末的激光熔覆方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)基材预处理

(2)粉末预处理

(3)激光熔覆

(4)对熔覆层进行打磨，使其达到设计尺寸。

3.如权利要求2所述激光熔覆方法，其特征在于，步骤(1)中，所述基材为38CrMoAl钢。

4.如权利要求2所述激光熔覆方法，其特征在于，步骤(3)中，激光熔覆的工艺参数为：激光功率1400W，光斑直径4mm，扫描速度为5～8mm/s，送粉速率：球形碳化钨粉末40g/min，镍基合金粉末10g/min，保护气：氩气，送粉气：氮气，保护气流量12L/min。

5.如权利要求2所述激光熔覆方法，其特征在于，步骤(3)激光熔覆所得熔覆层的单层厚度为1～1.2mm。