CN106756994A - 一种激光熔覆涂层的镍基复合粉末及制备涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光熔覆涂层的镍基复合粉末及制备涂层的方法，所述复合粉末按重量百分比组成如下：C：0.572～0.724％、Cr：15.5～16.1％、Si：3.1～3.7％、W：2.1～2.7％、Fe：26.8～32.4％、Mn：0.1～0.3％、B：2.45～3.15％、Cu：0.3～1.5％、Nb：0.015～0.135％，其余为Ni。本发明激光熔覆涂层的镍基复合粉末，含有较高的Si、B等元素，具有造渣功能，它们优先与合金粉末中的氧和工件表面氧化物一起熔融生成低熔点的硼硅酸盐等覆盖在熔池表面，防止液态金属过度氧化，从而改善熔体对基体金属的润湿能力，减少熔覆层中的夹杂和含氧量，提高熔覆层的工艺成形性能。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆涂层的镍基复合粉末及制备涂层的方法，属于激光熔覆技术领域。
背景技术
很多工程材料在服役过程中，容易在材料表面出现磨损、疲劳等破坏，一定程度上限制了材料的使用条件和范围，缩短了材料的使用寿命。在碳钢表面激光熔覆镍基合金可以大幅度改善材料的表面性能，提高材料的表面硬度、耐磨性、耐蚀性等。
激光熔覆作为一种新型表面改性技术，把表面熔覆层技术以及复合材料技术的优势结合起来，可以采用较低的成本使材料表层满足对高耐磨性和高耐蚀性能的要求，同时能充分发挥基体材料的强韧性优势，从而大幅度提高了工程材料整体的综合性能以及使用寿命。在油气钻探、矿山开采、重型冶金等重工业领域，表面熔覆技术成为修复部件、提高零件使用寿命的重要途径。与常规的材料表面处理技术相比，激光熔覆具有以下优点：(1)加热冷却速度快，工件变形小；(2)基体材料对熔覆层稀释作用小，保证形成高强度的冶金结合；(3)得到的组织均匀致密，综合性能好；(4)易实现自动化生产，大大减小工人的劳动强度；(5)适用度广，提高了材料利用率。
北矿新材科技有限公司徐红艳、国俊丰等人发明的一种有关耐磨防腐的铁基激光熔覆用粉，但是硬度不足40HRC；机械科学研究总院先进制造技术研究中心单忠德、孙福臻等人发明一种铁镍基复合激光用粉及熔覆该粉的方法，硬度较高，但不能做到无裂纹的状态。
目前激光熔覆所用的材料大部分是喷涂用合金材料，如今激光熔覆过程中存在的一些疑难问题，除了工艺上存在不足之外，在涂层材料的选择上也需要多加考虑。因此，根据所需要的熔覆层性能定性甚至定量地设计出合金的成分，并根据不同的工况条件设计出不同形状的涂层材料，这已成为目前需要研究的课题之一。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种激光熔覆涂层的镍基复合粉末及制备涂层的方法，制备涂层时防止液态金属过度氧化，改善熔体对基体金属的润湿能力，减少熔覆层中的夹杂和含氧量，提高熔覆层的工艺成形性能。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种激光熔覆涂层的镍基复合粉末，所述复合粉末按重量百分比组成如下：C：0.572～0.724％、Cr：15.5～16.1％、Si：3.1～3.7％、W：2.1～2.7％、Fe：26.8～32.4％、Mn：0.1～0.3％、B：2.45～3.15％、Cu：0.3～1.5％、Nb：0.015～0.135％，其余为Ni。
作为优选，所述复合粉末的颗粒度为-140～+325目。
一种上述的激光熔覆涂层的镍基复合粉末制备涂层的方法，满足以下步骤：
(1)将激光头垂直于待熔覆的工件表面，采用同轴送粉装置，将所述的镍基复合粉末均匀的送入工件表面；
(2)在氩气保护气氛中利用激光器发射激光熔覆制成镍基涂层。
作为优选，所述步骤(1)中所送入的激光熔覆粉末的量可满足单层熔覆层的厚度为0.4mm～0.6mm。
作为优选，所述步骤(2)激光器功率为1600W～2200W，激光的光斑为5mm×5mm的方形。
作为优选，所述步骤(1)的镍基复合粉末的送粉量为10g/min～15g/min，激光扫描速度为240mm/min～480mm/min，搭接率为25％～30％。
作为优选，所述步骤(2)所用的保护气纯度为99.99％的高纯氩气。
作为优选，在进行所述的激光熔覆前还包括：所述步骤(1)中的镍基复合粉末放入干燥箱里烘干，对工件表面进行去油污，除锈处理。
有益效果：相比现有技术，具有以下优点：
(1)本发明激光熔覆镍基复合粉末中含有较高的Si、B等元素，具有造渣功能，它们优先与合金粉末中的氧和工件表面氧化物一起熔融生成低熔点的硼硅酸盐等覆盖在熔池表面，防止液态金属过度氧化，从而改善熔体对基体金属的润湿能力，减少熔覆层中的夹杂和含氧量，提高熔覆层的工艺成形性能。
(2)本发明激光熔覆镍基复合粉末中含有较高的Ni、Cr等元素，可以有效提高熔覆层的耐蚀性。
(3)本发明激光熔覆镍基复合粉末中含有较高的B、Cr、C等元素，可以提高涂层硬度，可达45HRC以上。
(4)本发明采用合适的工艺参数，获得的涂层与基体形成良好的冶金结合，无裂纹产生。
具体实施方式
实施例1：
本实施例的激光熔覆镍基复合粉末按重量百分比组成如下：C：0.572％、Cr：15.5％、Si：3.1％、W：2.1％、Fe：32.4％、Mn：0.3％、B：2.45％、Cu：0.3％、Nb：0.135％，余量为Ni。
本发明实施例的激光熔覆制备涂层的具体方法如下：
步骤1：手动模式下，操控机器人将激光头对准工件表面，熔覆前将所述粉末放进干燥箱里加热至150℃并保温0.5h，进行烘干处理；对工件表面进行去油污，除锈处理；
步骤2：采用同步同轴送粉，即送粉方向与激光入射方向一致，将粉末送到待熔覆工件表面；
步骤3：在激光熔覆时将镍基复合粉末经同轴送粉的方式送粉，在氩气保护气氛中熔覆制成镍基涂层，当功率变化时，要适当调整扫描速度与离焦量，使功率/扫描速度保持稳定，优选地，激光功率为1600W～2000W，光斑为5mm×5mm的方形。
步骤4：完成单道熔覆时，激光头回到下一个设定好的起点继续熔覆形成多道搭接，搭接率为30％。
实施例2：
本实施例的激光熔覆镍基复合粉末按重量百分比组成如下：C：0.648％、Cr：15.9％、Si：3.4％、W：2.4％、Fe：26.8％、Mn：0.2％、B：2.8％、Cu：1.0％、Nb：0.09％，余量为Ni。
制备涂层的方法与实施例1相同。
实施例3：
本实施例的激光熔覆镍基复合粉末按重量百分比组成如下：C：0.724％、Cr：16.1％、Si：3.7％、W：2.7％、Fe：29.8％、Mn：0.1％、B：3.15％、Cu：1.5％、Nb：0.015％，余量为Ni。
制备涂层的方法与实施例1相同。
对比实施例的组分和制备涂层的性能如表1所示：
表1
通过表1可以得出：镍基复合粉末中B、Si元素可以改善金属的流动性和浸润性,获得表面成形良好的涂层，并具有造渣的功能，亦能形成硼化物，硅化物提高涂层硬度；Cr、W、C元素可形成C23C6型碳化物和WC，这些硬质相提高涂层硬度；Ni，Fe元素可形成固溶体，可提高涂层强度和硬度；Ni、Cr元素可发挥其钝化作用，有效提高熔覆层的耐蚀性；Mn的作用在于提高材料的机械强度和中温性能；Cu在耐腐蚀方面，增加对非氧化性酸的耐腐蚀性，减少对点腐蚀的敏感性，塑性好，冷加工性能优良；Nb元素可防止晶间腐蚀，提高涂层强度。如缺少上述元素，可导致相应的性能变差。利用本发明的镍基复合粉末以及工艺参数进行激光熔覆，可获得无裂纹、硬度高、耐蚀性好的熔覆层，具有广阔的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种激光熔覆涂层的镍基复合粉末，其特征在于：所述复合粉末按重量百分比组成如下：C：0.572～0.724％、Cr：15.5～16.1％、Si：3.1～3.7％、W：2.1～2.7％、Fe：26.8～32.4％、Mn：0.1～0.3％、B：2.45～3.15％、Cu：0.3～1.5％、Nb：0.015～0.135％，其余为Ni。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆涂层的镍基复合粉末，其特征在于：所述复合粉末的颗粒度为-140～+325目。
3.一种权利要求1或2所述的激光熔覆涂层的镍基复合粉末制备涂层的方法，其特征在于，满足以下步骤：
(1)将激光头垂直于待熔覆的工件表面，采用同轴送粉装置，将所述的镍基复合粉末均匀的送入工件表面；
(2)在氩气保护气氛中利用激光器发射激光熔覆制成镍基涂层。
4.根据权利要求3所述的激光熔覆涂层的镍基复合粉末制备涂层的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所送入的激光熔覆粉末的量可满足单层熔覆层的厚度为0.4mm～0.6mm。
5.根据权利要求3所述的激光熔覆涂层的镍基复合粉末制备涂层的方法，其特征在于：所述步骤(2)激光器功率为1600W～2200W，激光的光斑为5mm×5mm的方形。
6.根据权利要求3所述的激光熔覆涂层的镍基复合粉末制备涂层的方法，其特征在于，所述步骤(1)的镍基复合粉末的送粉量为10g/min～15g/min，激光扫描速度为240mm/min～480mm/min，搭接率为25％～30％。
7.根据权利要求3所述的激光熔覆涂层的镍基复合粉末制备涂层的方法，其特征在于：所述步骤(2)所用的保护气纯度为99.99％的高纯氩气。
8.根据权利要求3所述的激光熔覆涂层的镍基复合粉末制备涂层的方法，其特征在于，在进行所述的激光熔覆前还包括：所述步骤(1)中的镍基复合粉末放入干燥箱里烘干，对工件表面进行去油污，除锈处理。
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