CN107502889A

CN107502889A - 一种精确激光熔覆镍基合金粉末的方法

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Publication number: CN107502889A
Application number: CN201710701016.9A
Authority: CN
Inventors: 叶小舟; 王开阳; 陈奉文; 罗远新; 夏军
Original assignee: Chongqing Academy of Science and Technology
Current assignee: Chongqing Academy of Science and Technology
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2017-12-22

Abstract

本发明属于材料表面工程领域，涉及一种精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，通过对大型零件需要熔覆的部分进行部分精确预热处理，再对预热后的零件部位进行激光同轴连续送粉以及同步激光熔覆，对激光熔覆后的涂层加热保温以及后续缓冷至室温；这种精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，大型零件的热影响范围小，对不进行熔覆加工的零件表面影响小；同时这种对需要熔覆部位精确预热的加工方法能够减少熔覆裂纹的产生。

Description

一种精确激光熔覆镍基合金粉末的方法

技术领域

本发明属于材料表面工程领域，涉及一种精确激光熔覆镍基合金粉末的方法。

背景技术

材料表面处理是材料表面改性和新材料制备的重要手段，世界各国对此都十分重视。现代工业的发展对材料表面改性和优化的要求日益提高。国家863高技术计划从一开始就把发展材料表面处理新技术作为未来发展的一个重要领域。在众多的表面处理技术中，激光熔覆技术是一门新兴的先进的材料表面处理技术，并且随着该技术的不断完善发展，已愈加广泛地应用于现代加工制造业中，尤其在航天、冶金、电力、石化、汽车、军工等重要领域的应用愈加宽广，在产品的制造及再制造过程中发挥了重要作用。与传统表面处理技术如火焰(等离子)喷涂、堆焊、电镀等相比，激光熔覆技术具有涂层组织细化致密、基体热影响区和变形小，涂层与基体能够实现牢固的冶金结合，易于实现自动化控制，涂层成形美观可控等优点。激光熔覆技术涉及激光加工工艺、金属材料科学、程序编制模拟、机械加工及加工控制方法(如加工顺序、热处理等)等方面的内容，所涉及的各个方面必须科学合理、有序协调地统一在一起才能达到理想的熔覆效果，不然便会导致熔覆层开裂、气孔、夹杂、咬边等质量缺陷的产生，甚至使工件报废，发生停产、安全事故等严重后果。

为了保证核电设施的连续、安全、稳定运行，对各部件在加工制造过程中所涉及的材料性能、加工方法及处理工艺提出了更加严格苛刻的要求。如对于核电水泵轴套，其材质为1Cr18Ni9Ti，尺寸为￠240×200mm，壁厚25mm，虽然基体具有一定的耐蚀性能，但硬度很低，耐磨性差，不能直接应用。陈强、尤清照等人对增强高比重合金表面的硬度及耐磨性进行了研究{见《钢铁研究学报》2000Vol.12No.2P.33-35}，其选用Ni60A及WC、WC-Co超硬粉末，采用等离子喷涂及真空烧结的两种处理方法，在金属基体表面获得了高硬度的耐磨涂层。但是上述两种方法制备的涂层都存在很大的缺陷，如孔隙率高、非冶金结合、涂层易剥落、存在裂纹等。任爱国等人对激光熔覆止裂技术进行了研究{见《表面技术》第35卷第二期}，试验选用1Cr18Ni9Ti、45钢、40Cr等七种基体材质及不同的熔覆粉末材料，结果表明，当熔覆材料为Ni60、Ni45、Ni35时，熔覆层裂纹很难控制，特别是Ni60熔覆粉末裂纹无法控制。时至今日，高硬度耐磨镍基合金激光熔覆的开裂以及大型零件无法部分精确预热且精确热处理的问题仍是一个棘手的问题。发明内容

有鉴于此，本发明为了解决大型零件无法整体预热导致激光熔覆效果不好，容易产生裂纹倾向的问题，提供一种精确激光熔覆镍基合金粉末的方法。

为达到上述目的，本发明提供一种精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，包括以下步骤：

A、大型零件表面处理：用砂纸或抛光机将大型零件表面的污物、氧化膜去除，再用丙酮将大型零件表面清除干净；

B、大型零件预热处理：大型零件表面清除干净后，采用激光对需要局部熔覆的零件表面进行激光预热处理；

C、熔覆加工：需要局部熔覆的零件表面达到预热温度后，对零件局部进行激光熔覆加工，在对零件局部激光熔覆加工的过程中，通过激光同轴送粉系统对零件熔覆部位进行连续送粉，零件熔覆部位得到熔覆涂层，其中激光加工工艺参数为：激光功率2000～3000W、扫描速度2～6mm/s、搭接率为40～55％，粉末聚集焦点与激光焦点相同，激光送粉量为0.5～10g/min，光斑为5mm*5mm的矩形光斑；

D、后续热处理：大型零件熔覆加工结束后，采用乙炔焰将融敷后的零件表面加热到200～400℃，然后将零件熔覆部位盖上保温材料进行保温，缓冷至室温。

进一步，步骤B中激光熔覆的助燃气体为乙炔，保护气体为氮气，助燃气体占助燃气体和保护气体总体积的10～20％。

进一步，步骤B中助燃气体和保护气体的气压为3～5个大气压。

进一步，步骤C激光同轴送粉系统中粉末选用球形Ni基自熔合金粉末，粉末粒径为160～320目，零件表面熔覆厚度为0.5～1.5mm。

进一步，Ni基自熔合金粉末成分及含量为：C：1～5.5％，Si：3～4.0％，B：2～3.5％，Cr：15～17.0％，Y₂O₃：0.5～2％，Fe＜5％，Ni余量。

进一步，步骤B中激光预热处理的参数为：扫描速度为0.5～3cm/s，离焦量为0，激光功率为600～1000W。

进一步，步骤B中大型零件局部预热处理的次数为1～3次。

进一步，步骤D中保温材料为石棉瓦。

本发明的有益效果在于：

1、由于大型零件无法整体加热导致大型零件表面温度不均匀，且传统火焰加热无法实现小范围的精确预热。为此，本发明提供的一种精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，通过对大型零件需要熔覆的部分进行部分精确预热处理，再对预热后的零件部位进行激光同轴连续送粉以及同步激光熔覆，对激光熔覆后的涂层加热保温以及后续缓冷至室温。这种精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，热影响范围小，对不进行熔覆加工的零件表面影响小。同时这种对需要熔覆部位精确预热的加工方法能够减少熔覆裂纹的产生。

2、本发明一种精确激光熔覆镍基合金粉末的方法中，对大型零件局部熔覆后，要通过乙炔焰将涂层后的零件表面先加热，这样能够去除零件熔覆部位的热应力，防止零件熔覆裂纹的产生。

3、本发明一种精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，将Ni基自熔合金粉末中加入质量分数为0.5～2％的Y₂O₃，能够提高熔覆层的韧性，降低熔覆层的裂纹倾向和产生气孔的倾向。

4、本发明一种精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，采用激光同轴送粉系统对零件熔覆部位进行连续送粉，这种送粉方式能够使得激光熔覆后的熔覆层组织致密，晶粒细化，加工后的零件表面状态好，零件熔覆加工效率高。

5、通过本发明所公开的精确激光熔覆镍基合金粉末方法熔覆加工的零件表面，镍基熔覆层硬度高，能达到63～70HRC，耐磨性好，耐腐蚀性高。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明激光熔覆镍基合金粉末后的金相图。

具体实施方式

下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1：

本发明应用激光熔覆技术，采用激光同轴送粉系统将高硬度镍基合金粉末熔覆于局部激光预热后的大型零件表面，形成高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀的镍基合金涂层，实现镍基熔覆涂层与大型零件基体的牢固结合，并且保证激光熔覆涂层无裂纹、气孔等质量缺陷。

一种精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，包括以下步骤：

A、大型零件表面处理：用砂纸或抛光机将待熔覆大型零件表面的污物、氧化膜去除，再用丙酮将大型零件表面清除干净；

B、大型零件预热处理：大型零件表面清除干净后，采用激光对需要局部熔覆的零件表面进行激光预热处理，预热处理的次数为3次，其中激光熔覆的助燃气体为乙炔，保护气体为氮气，助燃气体占助燃气体和保护气体总体积的20％，助燃气体和保护气体的气压为5个大气压；激光预热处理的参数为：扫描速度为0.5cm/s，离焦量为0，激光功率为1000W；

C、熔覆加工：需要局部熔覆的零件表面达到预热温度后，对零件局部进行激光熔覆加工，在对零件局部激光熔覆加工的过程中，其中同轴送粉系统中粉末选用球形Ni基自熔合金粉末，粉末粒径为160目，零件表面熔覆厚度为0.5mm，激光同轴送粉系统对零件熔覆部位进行连续送粉，零件熔覆部位得到熔覆涂层；激光加工工艺参数为：激光功率2000W、扫描速度2mm/s、搭接率为40％，粉末聚集焦点与激光焦点相同，激光送粉量为0.5g/min，光斑为5mm*5mm的矩形光斑；

Ni基自熔合金粉末成分及含量为：

成分

C

Si

B

Cr

Fe

Ni

含量(％)

5.5

4.0

3.5

17.0

＜5

余量

D、后续热处理：大型零件熔覆加工结束后，采用乙炔焰将融敷后的零件表面加热到200℃，然后将零件熔覆部位盖上石棉瓦进行保温，缓冷至室温。

实施例2：

实施例2与实施例1的区别在于，步骤B中激光扫描速度为3cm/s，离焦量为0，激光功率为600W。

实施例3：

实施例3与实施例1的区别在于，步骤C中激光功率3000W、扫描速度6mm/s、搭接率为55％，粉末聚集焦点与激光焦点相同，激光送粉量为10g/min，光斑为5mm*5mm的矩形光斑。

实施例4：

实施例4与实施例1的区别在于，Ni基自熔合金粉末成分及含量为：

成分

C

Si

B

Cr

Y₂O₃

Fe

Ni

含量(％)

5.5

4.0

3.5

17.0

0.5

＜5

余量

实施例5：

实施例5与实施例1的区别在于，Ni基自熔合金粉末成分及含量为：

成分

C

Si

B

Cr

Y₂O₃

Fe

Ni

含量(％)

5.5

4.0

3.5

17.0

2

＜5

余量

对比例：

对比例与实施例1的区别在于，步骤B中大型零件表面清除干净后，采用传统火焰加热的方法对需要局部熔覆的零件表面进行预热处理。

对实施例1～5以及对比例所制备的熔覆涂层进行指标测评，摩擦磨损性能采用MMS-2A

屏显示摩擦磨损试验机进行检测，试验与配对摩擦副规格参考GB12444.1-90，进行摩擦磨损检测。测评结果如表1：

表1：

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	对比例
							硬度(HRC)	66	64	65	68	70	58
熔覆涂层(mm)	0.8	0.85	0.9	0.87	0.92	1.21
							摩擦磨损失重(mg)	0.5	0.7	0.5	0.3	0.1	1.6

通过观察发现，实施例1～5制备的镍基合金涂层，熔覆涂层的厚度在1mm左右，且熔覆涂层没有裂纹倾向和产生气孔的倾向。通过该激光熔覆镍基合金涂层的大型零部件，零件使用寿命提高了2倍以上，大大提高了零件使用率，也降低了生产成本。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，其特征在于，步骤B中激光熔覆的助燃气体为乙炔，保护气体为氮气，助燃气体占助燃气体和保护气体总体积的10～20％。

3.如权利要求2所述的精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，其特征在于，步骤B中助燃气体和保护气体的气压为3～5个大气压。

4.如权利要求1所述的精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，其特征在于，步骤C激光同轴送粉系统中粉末选用球形Ni基自熔合金粉末，粉末粒径为160～320目，零件表面熔覆厚度为0.5～1.5mm。

5.如权利要求4所述的精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，其特征在于，Ni基自熔合金粉末成分及含量为：C：1～5.5％，Si：3～4.0％，B：2～3.5％，Cr：15～17.0％，Y₂O₃：0.5～2％，Fe＜5％，Ni余量。

6.如权利要求5所述的精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，其特征在于，步骤B中激光预热处理的参数为：扫描速度为0.5～3cm/s，离焦量为0，激光功率为600～1000W。

7.如权利要求6所述的精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，其特征在于，步骤B中大型零件局部预热处理的次数为1～3次。

8.如权利要求7所述的精确激光熔覆镍基合金粉末的方法，其特征在于，步骤D中保温材料为石棉瓦。