CN116162928A - 不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层及其激光熔覆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层及其激光熔覆方法，涂层包括以下重量百分比的各组分：铬Cr为15~20wt.%，钼Mo为5~8wt.%，铌Nb为2~3wt.%，铈Ce为1~3wt.%，铁Fe＜5wt.%，钴Co＜1wt.%，锰Mn＜0.5wt.%，硅Si＜0.5wt.%，钛Ti＜0.4wt.%，其他杂质含量≤0.1wt.%，其余为镍Ni。本发明激光熔覆后工件的室温抗拉强度720~760MPa、硬度200~260HV、室温冲击韧性155~177J/cm2，其强度、硬度均高于316不锈钢，冲击韧性接近316不锈钢，且涂层激光熔覆成本可控，便于产业化推广。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面材料技术领域，具体是一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层。
背景技术
不锈钢具有良好的耐腐蚀性、足够的强度、韧性，且价格低廉，因此被广泛用于工业结构件。其在多种恶劣环境下服役过程中，易形成表面磨损、破裂等情况，导致整个构件的失效，对生产造成安全隐患及经济损失。激光熔覆技术可有效修复表面受损件，是重要结构件表面再制造的重要手段之一。采用激光熔覆法在不锈钢表面修复涂层，要求修复后的强度、韧性达到不锈钢的性能水平，同时其制造成本可控。
目前报道的用于不锈钢表面激光熔覆涂层的诸多激光熔覆方法，例如专利“CN201310019104.2在奥氏体不锈钢表面激光熔覆金属陶瓷粉体的方法”中，涂层的强度较高，但韧性不足；专利“CN202010039310.X一种不锈钢表面激光熔覆用合金粉末及其应用”中，涂层成分含有较高的贵金属Nb，导致其成本高，难以产业化应用；专利“CN201910840475.4一种铁基非晶涂层的激光熔覆方法”中，所用的非晶粉末激光熔覆较难、成本较高，激光熔覆工艺也难以控制。因此，亟需开发一种新型的低成本高强韧合金以弥补上述不足。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层，激光熔覆后工件的室温抗拉强度720~760MPa、硬度200~260HV、室温冲击韧性155~177J/cm2，其强度、硬度均高于316不锈钢，冲击韧性接近316不锈钢，且涂层激光熔覆成本可控，便于产业化推广。
为了实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案：
一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层，其包括以下重量百分比的各组分：铬Cr为15~20wt.%，钼Mo为5~8wt.%，铌Nb为2~3wt.%，铈Ce为1~3wt.%，铁Fe为＜5wt.%，钴Co为＜1wt.%，锰Mn为＜0.5wt.%，硅Si为＜0.5wt.%，钛Ti为＜0.4wt.%，其他杂质含量≤0.1wt.%，其余为镍Ni。
一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其包括以下步骤：
S1.基材表面预处理：去除基材表面污物，采用有机溶液清洗去除污物后的基材表面，并将基材表面吹干；
S2.配制粉末：分别称取含铬、钼、铌、铈、铁、钴、锰、硅、钛、镍的中间体粉末，将各中间体粉末加入三维混粉机充分混合，混合时间大于等于5小时，将混合粉末在惰性气氛保护下烘干2小时，烘干温度200℃；
S3.激光熔覆：将基材预热到200~400℃，激光熔覆采用同步送粉方式进行，设置激光熔覆关键参数：激光功率1600~2600W、激光光斑直径3~5mm、激光熔覆速度500~900mm/min、激光熔覆层搭接量1.5~2.5mm、送粉速度1~2.5rpm/min，获得激光熔覆件。
上述的一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其步骤S1中，所述有机溶液包括酒精或丙酮溶液。
上述的一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其步骤S2中，所述各中间体粉末为球形粉末，粒径在53~105μm。
上述的一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其步骤S2中，按重量百分比计算，各所述中间体粉末所含元素比例为：铬Cr为15~20wt.%，钼Mo为5~8wt.%，铌Nb为2~3wt.%，铈Ce为1~3wt.%，铁Fe为＜5wt.%，钴Co为＜1wt.%，锰Mn为＜0.5wt.%，硅Si为＜0.5wt.%，钛Ti为＜0.4wt.%，其他杂质含量≤0.1wt.%，其余为镍Ni。
上述的一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其步骤S2中，所述惰性气氛包括氩气、氮气。
上述的一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其步骤S3中，所述的基材预热采用电阻加热、火焰加热、感应加热的方式。
上述的一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其还包括后热处理步骤：将所述的激光熔覆件加热到400℃保温30min以上，并缓慢冷却至室温。
上述的一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其所述的缓慢冷却速度小于5℃/min。
上述的一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其所述的激光熔覆件加热采用电阻加热、火焰加热、感应加热的方式。
本发明有益效果在于：
1、通过添加微量铈Ce元素，有效降低普通625镍基合金中的贵金属Cr、Mo、Nb等合金的含量，显著降低材料成本。
2. 通过激光熔覆工艺优化，可降低涂层孔隙率，提升涂层致密性，力学性能优异。
3、涂层在垂直和平行激光熔覆方向的性能差异较小，涂层各向同性特点显著。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例与对比例中拉伸试样与冲击试样的取样方式；
图2是本发明实施例与对比例中拉伸试样与冲击试样与激光熔覆方向的区别方式示意；
图3是本发明实施例2沿激光熔覆平行与垂直方向涂层的孔隙率图。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例提供的不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层，按照重量百分比计算包括以下各组分：铬Cr为15wt.%，钼Mo为6wt.%，铌Nb为2wt.%，铈Ce为3wt.%，铁Fe为4wt.%，钴Co为0.5wt.%，锰Mn为0.4wt.%，硅Si为0.4wt.%，钛Ti为0.3wt.%，其他杂质元素含量≤0.1wt.%，其余为镍Ni。
本实施例的镍基涂层的激光熔覆方法是：
通过抛光的方法去除316不锈钢基材表面的氧化层、油污等各种污物，采用丙酮溶液清洗去除污物后的基材表面，并将316不锈钢基材表面吹干；以重量百分比计算，按铬Cr为15wt.%，钼Mo为6wt.%，铌Nb为2wt.%，铈Ce为3wt.%，铁Fe为4wt.%，钴Co为0.5wt.%，锰Mn为0.4wt.%，硅Si为0.4wt.%，钛Ti为0.3wt.%，其他杂质元素含量≤0.1 wt.%，其余为镍Ni的比例分别称取含铬、钼、铌、铈、铁、钴、锰、硅、钛、镍的中间体粉末，各中间体粉末通过气雾化法制得，为球形粉末，粒径在53~105μm。将各中间体粉末加入三维混粉机充分混合5小时，将混合粉末在惰性气体氩气气氛保护下烘干2小时，烘干温度200℃；316不锈钢基材采用电阻加热预热温度200~250℃，激光熔覆采用同步送粉方式进行，设置激光熔覆关键参数：涂层的激光功率1600W、激光光斑直径3mm、激光熔覆速率500mm/min、激光熔覆层搭接量1.5mm、送粉速度1rpm/min，获得层厚1.5mm的涂层。经表面打磨抛光后，参照图1获得基体与涂层各1mm厚的结合样品，参照图2，经测得其沿激光熔覆方向抗拉强度740MPa、延伸率33%、硬度235HV、室温冲击韧性165J/cm2，垂直激光熔覆方向抗拉强度750MPa、延伸率31%、硬度255HV、室温冲击韧性160J/cm2。
实施例
本实施例提供的不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层，按照重量百分比计算包括以下各组分：铬Cr为20wt.%，钼Mo为8wt.%，铌Nb为3wt.%，铈Ce为2wt.%，铁Fe为4.5wt.%，钴Co为0.8wt.%，锰Mn为0.3wt.%，硅Si为0.2wt.%，钛Ti为0.2wt.%，其他杂质元素含量≤0.1wt.%，其余为镍Ni。
本实施例的镍基涂层的激光熔覆方法是：
通过打磨、抛光的方法去除316不锈钢基材表面的氧化层、油污等各种污物，采用酒精清洗去除污物后的基材表面，并将316不锈钢基材表面吹干；以重量百分比计算，按照含铬Cr为20wt.%，钼Mo为8wt.%，铌Nb为3wt.%，铈Ce为2wt.%，铁Fe为4.5wt.%，钴Co为0.8wt.%，锰Mn为0.3wt.%，硅Si为0.2wt.%，钛Ti为0.2wt.%，其他杂质元素含量≤0.1 wt.%，其余为镍Ni的比例。分别称取含铬、钼、铌、铈、铁、钴、锰、硅、钛、镍的中间体粉末，各中间体粉末通过气雾化法制得，为球形粉末，粒径在53~105μm。将各中间体粉末加入三维混粉机充分混合8小时，将混合粉末在惰性气体氮气气氛保护下烘干2小时，烘干温度200℃；将316不锈钢基材感应加热的方式预热温度250~300℃，涂层的激光功率2000W、光斑直径4mm、激光熔覆速率600mm/min、搭接量2mm、送粉速度2rpm/min，获得层厚1.5mm的涂层。将316不锈钢基材的激光熔覆件感应加热的方式加热到400℃保温30min，并以4℃/min的速度缓慢冷却至室温。经表面打磨抛光后，参照图1获得基体与涂层各1mm厚的结合样品，参照图2和图3，经测得其沿激光熔覆方向抗拉强度750MPa、延伸率30%、硬度215HV、室温冲击韧性160J/cm2，垂直激光熔覆方向抗拉强度760MPa、延伸率28%、硬度260HV、室温冲击韧性150J/cm2。
实施例
本实施例提供的不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层，按照重量百分比计算包括以下各组分：铬Cr为18wt.%，钼Mo为5wt.%，铌Nb为2.5wt.%，铈Ce为1wt.%，铁Fe为3wt.%，钴Co为0.5wt.%，锰Mn为0.4wt.%，硅Si为0.2wt.%，钛Ti为0.3wt.%，其他杂质元素含量≤0.1wt.%，其余为镍Ni。
本实施例的镍基涂层的激光熔覆方法是：
通过打磨、抛光的方法去除316不锈钢基材表面的氧化层、油污等各种污物，采用酒精清洗去除污物后的基材表面，并将316不锈钢基材表面吹干；以重量百分比计算，按照配方铬Cr为18wt.%，钼Mo为5wt.%，铌Nb为2.5wt.%，铈Ce为1wt.%，铁Fe为3wt.%，钴Co为0.5wt.%，锰Mn为0.4wt.%，硅Si为0.2wt.%，钛Ti为0.3wt.%，其他杂质元素含量≤0.1 wt.%，其余为镍Ni的比例分别称取含铬、钼、铌、铈、铁、钴、锰、硅、钛、镍的中间体粉末，各中间体粉末通过气雾化法制得，为球形粉末，粒径在53~105μm。316不锈钢基材采用火焰加热方式预热温度350~400℃，涂层的激光功率2600W、光斑直径5mm、激光熔覆速率900mm/min、搭接量2.5mm、送粉速度2.5rpm/min，获得层厚1.5mm的涂层。将激光熔覆件采用电阻加热或火焰加热加热到400℃保温40min，并以冷却速度小于5℃/min缓慢冷却至室温。经表面打磨抛光后，参照图1获得基体与涂层各1mm厚的结合样品，参照图2，经测得其沿激光熔覆方向抗拉强度720MPa、延伸率35%、硬度205HV、室温冲击韧性175J/cm2，垂直激光熔覆方向抗拉强度730MPa、延伸率31%、硬度225HV、室温冲击韧性165J/cm2。
对比例1
按照316不锈钢基体成分激光熔覆，激光熔覆球形粉体材料粒径在53~105μm。采用激光熔覆在不锈钢基板上激光熔覆同成分316不锈钢涂层，基材预热温度300℃，涂层的激光功率2000W、光斑直径5mm、激光熔覆速率900mm/min、搭接量2.0mm、送粉速度1.5rpm/min，获得层厚1.5mm的涂层。经表面打磨抛光后，参照图1获得基体与涂层各1mm厚的结合样品，参照图2，经测得其沿激光熔覆方向抗拉强度550MPa、延伸率38%、硬度170HV、室温冲击韧性140J/cm2，垂直激光熔覆方向抗拉强度560MPa、延伸率32%、硬度180HV、室温冲击韧性120J/cm2。
对比例2
参照图1，截取316不锈钢基体测试其力学性能，参照图2，经测得其沿激光熔覆方向抗拉强度630MPa、延伸率44%、硬度195HV、室温冲击韧性230J/cm2。
对比例3，本对比例与实施例1的典型不同点在于，所述合金成分中不含有Ce，其余合金成分含量一致。所采用的工艺方法亦与实施例1中一致。截取316不锈钢基体测试其力学性能，参照图2，经测得其沿激光熔覆方向抗拉强度690MPa、延伸率25%、硬度210HV、室温冲击韧性120J/cm2。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层，其特征在于，包括以下重量百分比的各组分：铬Cr为15~20wt.%，钼Mo为5~8wt.%，铌Nb为2~3wt.%，铈Ce为1~3wt.%，铁Fe＜5wt.%，钴Co＜1wt.%，锰Mn＜0.5wt.%，硅Si＜0.5wt.%，钛Ti＜0.4wt.%，其他杂质含量≤0.1wt.%，其余为镍Ni。
2.一种不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.基材表面预处理；
S2.配制粉末：分别称取含铬、钼、铌、铈、铁、钴、锰、硅、钛、镍的中间体粉末，将各中间体粉末加入三维混粉机充分混合，混合时间大于等于5小时，将混合粉末在惰性气氛保护下烘干2小时，烘干温度200℃；
S3.激光熔覆：将基材预热到200~400℃，激光熔覆采用同步送粉方式进行，设置激光熔覆关键参数：激光功率1600~2600W、激光光斑直径3~5mm、激光熔覆速度500~900mm/min、激光熔覆层搭接量1.5~2.5mm、送粉速度1~2.5rpm/min，获得激光熔覆件。
3.根据权利要求1所述的不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其特征在于：所述步骤S1中，表面预处理过程采用有机溶液清洗去除污物后的基材表面，并将基材表面吹干。
4.根据权利要求3所述的不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其特征在于：所述步骤S1中，有机溶液包括酒精或丙酮溶液。
5.根据权利要求2所述的不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其特征在于：所述步骤S2中，中间体粉末为球形粉末，粒径为53~105μm，惰性气氛包括氩气、氮气。
6.根据权利要求2或5所述的不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其特征在于：所述步骤S2中，中间体粉末包括以下重量百分比的各组分：铬Cr为15~20wt.%，钼Mo为5~8wt.%，铌Nb为2~3wt.%，铈Ce为1~3wt.%，铁Fe＜5wt.%，钴Co＜1wt.%，锰Mn＜0.5wt.%，硅Si＜0.5wt.%，钛Ti＜0.4wt.%，其他杂质含量≤0.1wt.%，其余为镍Ni。
7.根据权利要求2所述的不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其特征在于：所述步骤S3中，基材预热采用电阻加热、火焰加热或感应加热的方式。
8.根据权利要求2或7所述的不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其特征在于：所述步骤S3中获得的激光熔覆件采用后热处理，将所述的激光熔覆件加热到400℃保温30min以上，并缓慢冷却至室温。
9.根据权利要求8所述的不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其特征在于：所述的缓慢冷却速度小于5℃/min。
10.根据权利要求8所述的不锈钢表面激光熔覆高强韧镍基涂层的激光熔覆方法，其特征在于：所述激光熔覆件加热采用电阻加热、火焰加热、感应加热的方式。
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