CN116623060A - 基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金、复合涂层及复合涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金、复合涂层及复合涂层的制备方法，属于激光增材技术领域，本发明创新设计了一种适用于激光增材制造的合金粉末，与传统的合金粉末中的碳含量高于10%不同，本发明中的碳含量为1%~8%，并与其余组分的合金粉末协同作用，从而起到了合金在激光增材制造时改善粉末打印性差、易产生变形开裂、强韧匹配性差及力学性能差的问题。将Cr、Co、V、W、Y和C粉末通过氩气吹送至基材表面，同时在激光作用下熔覆上述混合物料，于基材表面形成复合涂层。本发明减少了加工成本，提高了加工效率，从而能够实现工厂大批量快速加工。
Description
技术领域
本发明涉及激光增材技术领域，具体涉及基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金、复合涂层及复合涂层的制备方法。
背景技术
增材制造技术（3D打印技术）起源于20世纪80年代，是一种基于离散堆积原理，由三维CAD数据驱动直接制造实体零部件的高端数字化制造技术。相比传统减材制造（如机械加工、化学铣削等材料去除加工）和等材制造（如铸造、冲压等模具控形加工），增材制造技术具有快速制造复杂结构产品、高效利用原材料、可高度优化产品结构和适应个性化小批量生产等优点。近年来，以金属粉末为原材料、以激光为能量源的金属材料激光增材制造技术已成为增材制造领域技术研究及工程应用的热点方向之一。
与传统的等材、减材制造加工方式不同，增材制造具有直接、快速、柔性化和智能化等优点，可有效进行复杂结构、复杂材料及小批量零部件的加工，激光增材制造因激光作为能量源，具有适用材料广泛、无需真空环境及成本相对较低等优势，应用广泛。目前，国内外钛合金、钴基合金、镍基合金及低碳铁基合金粉末研究较为充分，但这些合金存在成本高、激光成形性差或耐腐蚀耐磨性能不能满足利用激光增材制造技术制造与再制造高耐磨损耐腐蚀关键零部件性能需求等不足之处。
合金钢是工程关键零部件的最常用合金，合金钢粉末具有成本低、与基体成分接近，相容性好等优点。然而，对于传统高含C量（大于10%）或高含Cr量（大于35%）的耐磨合金钢粉末体系而言，由于高含C量或高含Cr量粉末在激光增材制造过程中会形成过量的碳化物（如TiC、Cr23C6等），这些碳化物在增材成型后会形成大量应力集中点，导致相变应力与热应力的显著增加，最终使高硬度耐磨零件产生裂纹与变形。高应力集中还会降低增材后合金的韧性，导致零部件的耐冲击性显著降低。此外，高的C含量导致大量耐腐蚀元素（如Cr元素）析出形成碳化物（如Cr23C6等），降低增材后合金内的Cr元素，进而产生贫Cr现象，Cr元素的显著减少会对合金钢耐蚀性能产生不利影响。因此，采用传统高含C量或高含Cr量的耐磨合金钢粉末在进行激光增材制造时存在粉末打印性差、易产生变形开裂、强韧匹配性差及力学性能差等问题。
因此，基于金属元素间的物理化学反应原理设计激光成形性好、具有高硬度、高耐磨及高耐蚀性的耐磨关键零件的专用合金钢粉末已成为重中之重。
发明内容
本发明提供了基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金、复合涂层及复合涂层的制备方法，有效解决了传统合金钢材料硬度不高、耐磨性较差和韧性不够的技术问题，同时提供了一种无裂纹、力学性能优且磨损电流和磨损量小的激光增材复合涂层。
本发明的第一个目的是提供一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，其特征在于，所述合金由以下质量百分比的原料组成：17%~30%Cr、16%~33%Co、7%~26%V、16%~33%W、4%~19%Y、1%~8%C。
本发明的第二个目的是提供一种激光增材复合涂层，其特征在于，由上述的激光增材合金通过激光增材制造而成。
本发明的第三个目的是提供一种上述激光增材复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，分别称取以下质量百分比的原料：17%~30%Cr、16%~33%Co、7%~26%V、16%~33%W、4%~19%Y、1%~8%C，将称取的原料加水，球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.5%~1.2%的混合物料；
S2，将S1的混合物料输送至激光增材制造设备，采用氩气气流将所述混合物料通过同轴送粉头吹送至基材表面，同时采用激光对所述混合物料熔覆，得到复合涂层。
优选的，S2中，所述所述激光参数为：激光功率为1500W~3200W，激光扫描速度为200mm/min~400mm/min，光斑直径为1mm~6mm。
优选的，S2中，所述混合物料吹送的速率为2g/min~7g/min。
优选的，S2中，所述氩气流量为10L/min~50L/min。
优选的，S2中，待所述复合涂层冷却后，重复S2的步骤，在所述基材表面形成2~100层复合涂层。
优选的，S1中，所述球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
优选的，S1中，所述真空干燥的程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为85~100℃，干燥时间为2h。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明主要是针对现有技术中采用传统高含C量或高含Cr量的耐磨合金钢粉末在进行激光增材制造时存在粉末打印性差、易产生变形开裂、强韧匹配性差及力学性能差等问题，创新设计了一种适用于激光增材制造的合金粉末，与传统的合金粉末中的碳含量高于10%不同，本发明中的碳含量为1%~8%，并与其余组分的合金粉末协同作用，从而起到了合金在激光增材制造时改善粉末打印性差、易产生变形开裂、强韧匹配性差及力学性能差的问题，具体为：
Cr可以固溶于Co元素内形成[Co, Cr]二元固溶相，V也可以固溶于Co元素内形成[Co, V]二元固溶相，Cr、V还可以同时固溶于Co元素内形成[Co, Cr, V]三元固溶相，上述三种固溶相在较好的韧性性条件下具备更好的强度，从而使所形成的复合涂层具备良好的耐磨与耐冲击性。Cr、Co、V元素分别又可以与C形成Cr23C6、Co3C、VC三种硬质碳化物，可有效改善复合涂层耐磨性。Cr、Co元素本身具有较好的抗腐蚀能力，因此对提升复合涂层耐腐蚀性具有良好的作用。此外，W可与Co元素形成[W, Co]二元固溶相，该相具备较高硬度，能大幅提升复合涂层的耐磨性。Y元素具有较为活泼的物理化学性质，可以和Co形成YCo5硬质颗粒化合物，起到弥散强化作用时还可以增强耐磨与耐冲击性能。同时，Y还可以与O元素形成Y2O3，Y2O3可以细化复合涂层晶粒并提高晶间强度，进而抑制复合涂层开裂倾向、提升耐冲击性能。Y元素还可促进熔池流动，消除气孔与杂质。通过上述合金元素间的反应可使制备出的复合涂层具备良好的抗裂、耐磨、耐腐蚀、耐冲击性能。
本发明提供的采用Cr、Co、V、W、Y和C粉末为原料制备得到的复合涂层的裂纹数量为0，冲击韧性可高达17.5J/cm2，抗拉强度达到646MPa，磨损量可低至0.4g，腐蚀电流低至2.3 μA/cm2；证实了本发明设计的合金粉末非常适合激光增材制造。
本发明合金成分设计合理，各组分之间协同性强，且减少了加工成本，提高了加工效率，从而能够实现工厂大批量快速加工。
附图说明
图1是本发明采用的激光可控开裂的加工设备的结构示意图；
附图标记说明：
1.送粉器，2.氩气瓶，3.控制系统，4.激光装置，5.同轴送粉头，6.多层复合涂层，7.基材。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。下述试验方法和检测方法，如没有特殊说明，均为常规方法；所述试剂和原料，如没有特殊说明，均为市售。
实施例1
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：17%Cr、16%Co、7%V、33%W、19%Y、8%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为17%Cr、16%Co、7%V、33%W、19%Y和8%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.5%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为85℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以10L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以2g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为1500W，激光扫描速度为200mm/min，光斑直径为1mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成2层复合涂层。
实施例2
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：30%Cr、18%Co、15%V、22%W、10%Y、5%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为30%Cr、18%Co、15%V、22%W、10%Y和5%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.6%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为88℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以25L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以5g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为2600W，激光扫描速度为300mm/min，光斑直径为4mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成10层复合涂层。
实施例3
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：20%Cr、33%Co、26%V、16%W、4%Y、1%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为20%Cr、33%Co、26%V、16%W、4%Y和1%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.7%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为90℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以50L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以7g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为3200W，激光扫描速度为400mm/min，光斑直径为6mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成20层复合涂层。
实施例4
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：24%Cr、25%Co、17%V、20%W、12%Y、2%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为24%Cr、25%Co、17%V、20%W、12%Y和2%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.8%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为93℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以30L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以4g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为2400W，激光扫描速度为250mm/min，光斑直径为2mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成30层复合涂层。
实施例5
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：22%Cr、29%Co、22%V、17%W、6%Y、4%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为22%Cr、29%Co、22%V、17%W、6%Y和4%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.9%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为95℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以20L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以6g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为2000W，激光扫描速度为350mm/min，光斑直径为5mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成60层复合涂层。
实施例6
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：18%Cr、30%Co、16%V、26%W、8%Y、2%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为18%Cr、30%Co、16%V、26%W、8%Y和2%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为1.0%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为97℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以40L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以3g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为2800W，激光扫描速度为280mm/min，光斑直径为3mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成80层复合涂层。
实施例7
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：28%Cr、20%Co、20%V、18%W、6%Y、8%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为28%Cr、20%Co、20%V、18%W、6%Y和8%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为1.2%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为100℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以35L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以7g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为1800W，激光扫描速度为320mm/min，光斑直径为4mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成100层复合涂层。
为了进一步说明本发明的效果，本发明还设置了对比例，如下：
对比例1
与实施例1相比，区别点在于，去掉了Y元素，所述合金由以下质量百分比的原料组成：24%Cr、33%Co、26%V、16%W、1%C。
一种基于CrCoVWC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：24%Cr、33%Co、26%V、16%W、1%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为24%Cr、33%Co、26%V、16%W和1%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.5%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为85℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以10L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以2g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为1500W，激光扫描速度为200mm/min，光斑直径为1mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成2层复合涂层。
对比例2
与实施例1相比，区别点在于，去掉了Y元素，所述合金由以下质量百分比的原料组成：20%Cr、33%Co、26%V、18%W、3%C。
一种基于CrCoVWC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：20%Cr、33%Co、26%V、18%W、3%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为20%Cr、33%Co、26%V、18%W和3%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.5%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为85℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以10L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以2g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为1500W，激光扫描速度为200mm/min，光斑直径为1mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成2层复合涂层。
对比例3
与实施例1相比，区别点在于，所述合金由以下质量百分比的原料组成：17%Cr、13%Co、7%V、33%W、22%Y、8%C。
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：17%Cr、13%Co、7%V、33%W、22%Y、8%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为17%Cr、13%Co、7%V、33%W、22%Y和8%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.5%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为85℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以10L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以2g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为1500W，激光扫描速度为200mm/min，光斑直径为1mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成2层复合涂层。
对比例4
与实施例1相比，区别点在于，去掉Co元素，所述合金由以下质量百分比的原料组成：30%Cr、25%V、27%W、14%Y、4%C。
一种基于CrVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：30%Cr、25%V、27%W、14%Y、4%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为30%Cr、25%V、27%W、14%Y和4%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.5%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为85℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以10L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以2g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为1500W，激光扫描速度为200mm/min，光斑直径为1mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成2层复合涂层。
对比例5
与实施例1相比，区别点在于，所述合金由以下质量百分比的原料组成：21%Cr、12%Co、7%V、33%W、19%Y、8%C。
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：21%Cr、12%Co、7%V、33%W、19%Y、8%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为21%Cr、12%Co、7%V、33%W、19%Y和8%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.5%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为85℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以10L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以2g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为1500W，激光扫描速度为200mm/min，光斑直径为1mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成2层复合涂层。
对比例6
与实施例1相比，区别点在于，所述合金由以下质量百分比的原料组成：21%Cr、10%Co、7%V、33%W、18%Y、11%C。
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：21%Cr、10%Co、7%V、33%W、18%Y、11%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为21%Cr、10%Co、7%V、33%W、18%Y和11%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.5%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为85℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以10L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以2g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为1500W，激光扫描速度为200mm/min，光斑直径为1mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成2层复合涂层。
对比例7
与实施例1相比，区别点在于，所述合金由以下质量百分比的原料组成：20%Cr、10%Co、6%V、33%W、18%Y、13%C。
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：20%Cr、10%Co、6%V、33%W、18%Y、13%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为20%Cr、10%Co、6%V、33%W、18%Y和13%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.5%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为85℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以10L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以2g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为1500W，激光扫描速度为200mm/min，光斑直径为1mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成2层复合涂层。
对比例8
与实施例1相比，区别点在于，所述合金由以下质量百分比的原料组成：21%Cr、32%Co、27%V、15%W、5%Y。
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：21%Cr、32%Co、27%V、15%W、5%Y。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为21%Cr、32%Co、27%V、15%W和5%Y的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.5%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为85℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以10L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以2g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为1500W，激光扫描速度为200mm/min，光斑直径为1mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成2层复合涂层。
对比例9
与实施例2相比，区别点在于，所述激光参数为：激光功率为3300W，激光扫描速度为450mm/min，光斑直径为7mm。
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：30%Cr、18%Co、15%V、22%W、10%Y、5%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为30%Cr、18%Co、15%V、22%W、10%Y和5%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.6%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为88℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以25L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以5g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为3300W，激光扫描速度为450mm/min，光斑直径为7mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成10层复合涂层。
对比例10
与实施例2相比，区别点在于，所述混合物料吹送的速率为8g/min。
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：30%Cr、18%Co、15%V、22%W、10%Y、5%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为30%Cr、18%Co、15%V、22%W、10%Y和5%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.6%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为88℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以25L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以8g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为2600W，激光扫描速度为300mm/min，光斑直径为4mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成10层复合涂层。
对比例11
与实施例2相比，区别点在于，所述氩气流量为55L/min。
一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，所述合金由以下质量百分比的原料组成：30%Cr、18%Co、15%V、22%W、10%Y、5%C。
由上述激光增材合金通过激光增材制造而成的复合涂层的制备方法包括以下步骤：
S1：称取质量百分比为30%Cr、18%Co、15%V、22%W、10%Y和5%C的合金粉末，加水后球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.6%的混合物料；
球磨混合的参数为：转速为500 r/min，球磨时间为20min。
真空干燥的具体程序为：真空度为1325 Pa，干燥温度为88℃，干燥时间为2h。
S2：将S1所述的混合物料输送至激光可控开裂的加工设备中，如图1所示，将混合物料输送着送粉器1中，将基材7打磨、抛光和清洗后固定于工作台，打开氩气瓶2将氩气气流以55L/min的流量输送至同轴送粉头5并吹送至基材7表面，同时也将氩气气流输送至送粉器1，打开送粉器1将混合物料输送至同轴送粉头5，经同轴送粉器5将混合物料以5g/min的速率吹送至基材7表面，打开激光装置4，调节激光功率为2600W，激光扫描速度为300mm/min，光斑直径为4mm，激光束通过同轴送粉头5照射到混合物料上，通过控制系统3控制工作台沿X轴进行左右移动、同轴送粉头5沿Y轴进行前后或沿Z轴进行上下移动，使得激光束对基材表面的混合物料进行熔覆处理，得到复合涂层，重复上述步骤，在所述基材表面形成10层复合涂层。
分别对上述实施例1~7和对比例1~11提供的基于CrCoVWYC粉末的激光增材复合涂层的性能进行检测。结果如表1所示。
表1 本发明激光增材复合涂层的性能检测表
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由表1可知，本发明制备得到的基于CrCoVWYC粉末的激光增材复合涂层具有优异的各项性能。本发明实施例1~7的复合涂层均未产生裂纹，冲击韧性可高达17.5J/cm2，抗拉强度高达646MPa，腐蚀电流低至2.3μA/cm2，磨损量低至0.4g。而对比例1~11中分别对复合涂层的组分及质量百分比、激光参数、混合物料吹送的速率以及氩气气流量进行调整，对比例1~11得到的复合涂层的性能均不理想，不仅表现在复合涂层表面裂纹数量较多，而且其力学性能也较差，冲击韧性与抗拉强度均无法检测出数值，腐蚀电流及磨损率均较高。
上述对比例1~11得到的复合涂层性能不佳的其主要原因在于：
对比例1~2中，由于Y元素具有抑制开裂倾向、细化晶粒、消除气孔杂质以及弥散强化的作用，因此在对比例1和2中缺少Y元素将直接导致上述四种作用的失效，从而显著降低复合涂层的性能。同时，Y元素的缺失导致其他元素比例的显著升高，这也会导致元素间反应过程的平衡被破坏，进一步降低性能，最终导致复合涂层裂纹增多，性能降低。
对比例3中Y元素超出了合理范围，而过多的Y元素会导致增材过程中熔池稳定性下降，在熔池凝固形成涂层的过程中出现粗大晶粒与大块硬质相，进而导致涂层内出现应力集中现象，进而降低涂层性能。此外，过多的Y元素会降低其他元素的比例，从而减弱其他元素对复合涂层性能的积极作用，也不利于性能的提升。
对比例4中，由于Co元素在提升金属材料强度、耐磨性、耐腐蚀性等方面具有积极作用，因此对比例4中Co元素的缺失导致涂层耐磨与耐腐蚀性能显著下降。
对比例5中Co元素含量明显低于合理范围，这样不仅会增加其他元素的比例，还会降低Co元素在耐磨与耐腐蚀性能方面作用，从而不利于性能的提升。
对比例6和7中，由于C元素可与金属元素（Cr、Co）形成硬质碳化物，但当C含量大于10%后，硬质碳化物含量过度增加，导致所形成的涂层脆性显著增加，进而产生较多裂纹，导致各项性能显著下降。
对比例8中C元素含量为0%，这样会增加其他元素的比例，导致元素间的平衡被破坏，从而不利于性能的提升。
对比例9中由于激光参数与粉末配比间的合理搭配被破坏，不同的粉末配比对激光参数的需求范围是有限的，低于或高于这一范围都将导致复合涂层制备过程中带来不可预测的消极影响，最终导致涂层裂纹增加，各项性能显著下降。
对比例10和对比例11中送粉速率与氩气流量同样超出了合理范围，无法得到理想效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种基于CrCoVWYC粉末的激光增材合金，其特征在于，由以下质量百分比的原料组成：17%~30%Cr、16%~33%Co、7%~26%V、16%~33%W、4%~19%Y、1%~8%C。
2.一种激光增材复合涂层，其特征在于，由权利要求1所述的激光增材合金通过激光增材制造而成。
3.根据权利要求2所述的激光增材复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，分别称取以下质量百分比的原料：17%~30%Cr、16%~33%Co、7%~26%V、16%~33%W、4%~19%Y、1%~8%C，将称取的原料加水，球磨混合，真空干燥，得到含水量为0.5%~1.2%的混合物料；
S2，将S1的混合物料输送至激光增材制造设备，采用氩气气流将所述混合物料通过同轴送粉头吹送至基材表面，同时采用激光对所述混合物料熔覆，得到复合涂层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S2中，所述激光参数为：激光功率为1500W~3200W，激光扫描速度为200mm/min~400mm/min，光斑直径为1mm~6mm。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S2中，所述混合物料吹送的速率为2g/min~7g/min。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S2中，所述氩气流量为10L/min~50L/min。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S2中，待所述复合涂层冷却后，重复S2的步骤，在所述基材表面形成2~100层的复合涂层。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S1中，所述球磨混合的参数为：转速为500r/min，球磨时间为20min。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S1中，所述真空干燥的程序为：真空度为1325Pa，干燥温度为85~100℃，干燥时间为2h。
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| US20170326690A1 (en) * | 2016-05-16 | 2017-11-16 | Arconic Inc. | Multi-component alloy products, and methods of making and using the same |
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