CN108273988A - 一种用于超高速率激光熔覆的镍基合金粉末 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于超高速率激光熔覆的镍基合金粉末，属于钢铁材料制造领域，上述合金粉末化学成分质量分数为：C≤0.1%，18.0－25.0%Cr，7.0－11.0%Mo，2.5－5.0%Nb，Fe≤6.0%，Al≤0.6%，Ti≤0.6%，Mn≤0.8%，Si≤0.8%，Co≤2.0%，P≤0.030%，S≤0.030%，余量为Ni和不可避免的杂质。该粉末粒度分布：10‑100μm，D50：25‑50μm，流动性：32‑41s/100g，原材料成分合金化配比，而后进行真空熔炼钢锭，应用中频感应加热熔化钢锭，熔炼室真空度10‑1‑10‑2Pa，采用气雾化方法制粉，喷粉气体氩气压力1.5‑3.9MPa，收得粉末后进行粒度筛分。应用筛分后的粉末，采用超高速率激光熔覆技术，搭配不同工艺，进行表面制造及修复。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种用于超高速率激光熔覆的镍基合金粉末。
背景技术
传统激光熔覆技术具有结合强度高，热变形小等优点，且可以通过调整粉末成分获得所需熔覆层性能，因此在诸多行业中开始实现应用，但是该技术加工效率较低，熔覆速率一般为0.5~3m/min，粉末利用率低，一般50%左右，并且激光能量聚焦在基体材料上，通过熔化基体材料来掺入和结合粉末，这使得激光能量利用效率和熔覆速率低，粉末与基体材料结合时仍为固态颗粒，成品表面平滑度差。由于其效率低下、成本高，限制了其大规模产业化应用，也是目前亟待解决的瓶颈问题。
同时，传统激光熔覆所用的粉末具有相应的粒度。该粒度粉末经熔覆头输送汇聚后，粉斑直径通常较大。
发明内容
本发明涉及一种超高速率激光熔覆方法，尤其是该方法所使用的镍基合金粉末。超高速率激光熔覆是一种表面加工技术，通过同步送粉添料方式，利用高能密度的束流使添加材料与高速率运动的基体材料表面同时熔化，并快速凝固后形成稀释率极低，与基体呈冶金结合的熔覆层，极大提高熔覆速率，显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等工艺特性的工艺方法。
与传统低速率高速熔覆相比较，超高速率激光熔覆高能束少部分能量作用在基体材料上形成较浅的熔池，而大部分能量作用在了粉末材料上，使粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化，以液滴的形式与基体材料结合，从而使得超高速激光熔覆加工比传统熔覆效率提高40倍至上百倍。
相应地，超高速率激光熔覆对粉末提出了新的要求。例如粉末的以下指标都存在新的要求：1.粒度范围，金属粉末颗粒的大小，通常用颗粒的直径来表征；2.流动性，是指以一定量粉末流过规定孔径的标准漏斗所需要的时间来表示，通常采用的单位为s/50g，其数值越小说明该粉末的流动性愈好；3.球形度，颗粒的形状与球体相似的程度；4.D50，描述粉末平均粒度的指标，指一个样品的累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径。
需要说明的是，本申请的镍基合金是高温下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力等综合性能的一类合金。其具有优秀的耐无机酸腐蚀能力，对氧化和还原环境的各种腐蚀介质都具有非常出色的抗腐蚀能力，是针对耐蚀、高温抗氧化环境表面改性的良好涂层材料。本发明中的超高速是相对于现有的激光熔覆速度而言的，该超高速具体是指激光扫描线速度大于等于25m/min。
根据本发明一方面，本发明提供了一种用于超高速率激光熔覆的镍基合金粉末，其各元素的质量分数为：C≤0.1%，18.0－25.0%Cr，7.0－11.0%Mo，2.5－5.0%Nb，Fe≤6.0%，Al≤0.6%，Ti≤0.6%，Mn≤0.8%，Si≤0.8%，Co≤2.0%，P≤0.030%，S≤0.030%，余量为Ni和不可避免的杂质；其中，该粉末的D50为25-50μm，流动性为32-41s/100g。
根据本发明一方面，Cr优选20.0－23.0%，M o优选8.0－10.0%，Nb优选3.0－4.5%。
根据本发明一方面，该金属粉末粒度分布为：10-100μm。
根据本发明一方面，制备上述超高速率激光熔覆用镍基合金粉末的方法为：原材料成分合金化配比，而后进行真空熔炼钢锭，应用中频感应加热熔化钢锭，熔炼室真空度10-1-10-2Pa，采用气雾化方法制粉，喷粉气体氩气压力1.5-3.9MPa，收得粉末后进行粒度筛分。
根据本发明一方面，真空度的控制对于粉末含氧量等指标有重大影响，喷粉气体氩气的压力控制是控制粉末粒度、球形度和成粉率的核心参数，需要全面根据液流情况及各个喷粉时期做出精确调整。
应用筛分后的粉末，采用超高速率激光熔覆技术，搭配不同工艺，进行表面制造及修复。
根据本发明一方面，本发明的超高速率激光熔覆方法如下：
对待加工零件表面进行机加工。
用丙酮擦拭待加工零件表面，去除表面油脂。
根据零件表面几何形状进行激光熔覆路径规划，制定工艺参数。
采用超高速率激光熔覆系统对待加工零件表面进行熔覆加工，采用如下工艺参数：激光功率1~2kw，光斑直径1mm，送粉速率5~8kg/h，激光扫描速率20m~500m/min，搭接率30%~40%，单层熔覆厚度25~500μm，激光熔覆头具有氩气保护功能，氩气流量15~30L/min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1. 该金属粉末具有优选合金含量搭配，能够适应超高速率激光熔覆，熔覆层能够致密紧实地与基体结合，熔覆层具有优异的耐蚀及耐高温氧化性能，经济性能良好。
2．超高速激光熔覆技术可极大提高激光熔覆表面加工速率，得到表面平整光滑、无气孔、无裂纹的熔覆层，该技术对金属粉末粒度、流动性等指标有特殊要求，本发明所涉及的超高速率激光熔覆用镍基合金粉末适用于该加工技术。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不局限于下列实施例。实施例中目标产物中各元素的质量分数如表1所示，性能参数如表2所示，应用实施例进行超高速率激光熔覆加工后表面性能如表3所示。
表1 超高速率激光熔覆用镍基合金粉末成分（质量分数，%）
| 实施例 | C | Cr | Mo | Nb | Fe | Al | Ti | Mn | Si | Co | P、S | Ni |
| 实施例1 | 0.05 | 19.2 | 9.5 | 3.4 | 3.6 | 0.42 | 0.33 | 0.65 | 0.58 | 1.2 | ≤0.03 | 余量 |
| 实施例2 | 0.03 | 22.1 | 8.9 | 2.9 | 5.2 | 0.33 | 0.29 | 0.53 | 0.45 | 0.9 | ≤0.03 | 余量 |
| 实施例3 | 0.08 | 24.5 | 7.8 | 4.1 | 4.5 | 0.52 | 0.49 | 0.75 | 0.64 | 1.6 | ≤0.03 | 余量 |
表2 超高速率激光熔覆用镍基合金粉末性能参数
| 实施例 | 粒度μm | 流动性s/50g | 球形度% | D50/μm |
| 实施例1 | 10-100 | 19 | 92 | 40 |
| 实施例2 | 10-100 | 17 | 94 | 46 |
| 实施例3 | 10-100 | 16 | 97 | 50 |
表3 超高速率激光熔覆加工后表面性能
| 实施例 | 耐盐雾腐蚀时间（h） | 耐蚀性能提高百分比% | 寿命延长百分比% |
| 实施例1 | 689 | 421 | 207 |
| 实施例2 | 702 | 455 | 236 |
| 实施例3 | 694 | 436 | 212 |
实施例1
本实施例提供了一种超高速率激光熔覆方法以及该方法所使用的镍基合金粉末。该超高速激光熔覆工艺，包括以下步骤：
控制激光的少部分能量作用在基体材料上表面形成较浅的熔池，激光大部分能量作用在基体材料上方的合金粉末上；
合金粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化，以液滴的形式滴入熔池与基体材料结合。
可以理解的是，由于传统的工艺都是将激光能量聚焦在基体材料上来熔化致密的基体本身，在相同的激光能量作用下，熔化基体所耗费的时间需要大大增加，这极大程度地限制了熔覆速度，降低了粉末的利用率，相反，本发明中巧妙地将激光能量作用在合金粉末上，使得粉末以液滴而非颗粒的方式与基体材料结合，既减少了昂贵粉末的浪费，更提高了熔覆速度，获得了更高的结合牢固度和表面光滑度。将激光能量作用在合金粉末上例如可以通过控制和调整激光能量的聚焦位置来实现。
优选的，合金粉末以液滴的形式滴入熔池与基体材料结合后依靠基体材料自身冷却凝固。
优选的，聚焦激光束使80%以上的激光能量作用在合金粉末上。
优选的，相对于基体材料的上表面设置激光离焦量在基体材料上方1~2mm，激光光斑尺寸Φ1.0~Φ1.5mm。
优选的，镍基合金粉末各元素的质量分数为：0.05%C，19.2%Cr，9.5%Mo，3.4%Nb，3.6%Fe，0.42%Al，0.33%Ti，0.65%Mn，0.58%Si，1.2%Co，P≤0.030%，S≤0.030%，余量为Ni和不可避免的杂质。
优选的，该金属粉末粒度分布为：10-100μm，流动性：19 s/50g，球形度≥92%，D50=40μm。
优选的，粉末粒度区间为15~45μm。球形度≥94%，含氧量≦150ppm。流动性为20s/50g。空心粉率＜1%。
优选的，还提供了一种用于超高速率激光熔覆的镍基合金粉末，其各元素的质量分数为：C≤0.1%，18.0－25.0%Cr，7.0－11.0%Mo，2.5－5.0%Nb，Fe≤6.0%，Al≤0.6%，Ti≤0.6%，Mn≤0.8%，Si≤0.8%，Co≤2.0%，P≤0.030%，S≤0.030%，余量为Ni和不可避免的杂质；其中，该粉末的D50为25-50μm，流动性为32-41s/100g。
优选的，Cr优选20.0－23.0%。
优选的，Mo优选8.0－10.0%。
优选的，Nb优选3.0－4.5%。
优选的，制备方法为：原材料成分合金化配比，而后进行真空熔炼钢锭，应用中频感应加热熔化钢锭，熔炼室真空度10-1-10-2Pa，采用气雾化方法制粉，喷粉气体氩气压力1.5-3.9MPa，收得粉末后进行粒度筛分。
应用筛分后的粉末，采用超高速率激光熔覆技术，搭配不同工艺，进行表面制造及修复。
对待加工零件表面进行机加工。
用丙酮擦拭待加工零件表面，去除表面油脂。
根据零件表面几何形状进行激光熔覆路径规划，制定工艺参数。
采用超高速率激光熔覆系统对待加工零件表面进行熔覆加工，采用如下工艺参数：激光功率1~2kw，光斑直径1mm，送粉速率5~8kg/h，激光扫描速率20m~500m/min，搭接率30%~40%，单层熔覆厚度25~500μm，激光熔覆头具有氩气保护功能，氩气流量15~30L/min。
目标产物中各元素的质量分数如表1中实施例1所示。实施例1的性能参数如表2所示。应用实施例1进行超高速率激光熔覆加工后表面性能如表3所示。
实施例2
其各元素的质量分数为：0.03%C，22.1%Cr，8.9%Mo，2.9%Nb，5.2%Fe，0.33%Al，0.29%Ti，0.53%Mn，0.45%Si，0.9%Co，P≤0.030%，S≤0.030%，余量为Ni和不可避免的杂质。
该金属粉末粒径为：10-100μm，流动性：17s/50g，球形度≥94%，D50=46μm。
制备方法为：原材料成分合金化配比，而后进行真空熔炼钢锭，应用中频感应加热熔化钢锭，熔炼室真空度10-1-10-2Pa，采用气雾化方法制粉，喷粉气体氩气压力1.5-3.9MPa，收得粉末后进行粒度筛分。
应用筛分后的粉末，采用超高速率激光熔覆技术，搭配不同工艺，进行表面制造及修复。
对待加工零件表面进行机加工。
用丙酮擦拭待加工零件表面，去除表面油脂。
根据零件表面几何形状进行激光熔覆路径规划，制定工艺参数。
采用超高速率激光熔覆系统对待加工零件表面进行熔覆加工，采用如下工艺参数：激光功率1~2kw，光斑直径1mm，送粉速率5~8kg/h，激光扫描速率20m~500m/min，搭接率30%~40%，单层熔覆厚度25~500μm，激光熔覆头具有氩气保护功能，氩气流量15~30L/min。
目标产物中各元素的质量分数如表1中实施例2所示。实施例2的性能参数如表2所示。应用实施例2进行超高速率激光熔覆加工后表面性能如表3所示。
实施例3
其各元素的质量分数为：0.08%C，24.5%Cr，7.8%Mo，4.1%Nb，4.5%Fe，0.52%Al，0.49%Ti，0.75%Mn，0.64%Si，1.6%Co，P≤0.030%，S≤0.030%，余量为Ni和不可避免的杂质。
该金属粉末粒径为：10-100μm，流动性：16s/50g，球形度≥97%，D50=50μm。
制备方法为：原材料成分合金化配比，而后进行真空熔炼钢锭，应用中频感应加热熔化钢锭，熔炼室真空度10-1-10-2Pa，采用气雾化方法制粉，喷粉气体氩气压力1.5-3.9MPa，收得粉末后进行粒度筛分。
应用筛分后的粉末，采用超高速率激光熔覆技术，搭配不同工艺，进行表面制造及修复。
对待加工零件表面进行机加工。
用丙酮擦拭待加工零件表面，去除表面油脂。
根据零件表面几何形状进行激光熔覆路径规划，制定工艺参数。
采用超高速率激光熔覆系统对待加工零件表面进行熔覆加工，采用如下工艺参数：激光功率1~2kw，光斑直径1mm，送粉速率5~8kg/h，激光扫描速率20m~500m/min，搭接率30%~40%，单层熔覆厚度25~500μm，激光熔覆头具有氩气保护功能，氩气流量15~30L/min。
目标产物中各元素的质量分数如表1中实施例3所示。实施例3的性能参数如表2所示。应用实施例3进行超高速率激光熔覆加工后表面性能如表3所示。
与传统的激光熔覆技术相比，超高速激光熔覆工艺在原理上有显著不同，其高能束少部分能量作用在基体材料上形成较浅的熔池，而大部分能量作用在了粉末材料上，使粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化，以液滴的形式滴入熔池与基体材料结合，再依靠基体自身冷却凝固。基于这一原理，超高速激光熔覆大大缩短了粉末熔化时间，从而使熔覆效率成倍提高，一般可达到传统激光熔覆的10倍以上。相应的，颗粒增强钴基金属粉末聚焦点距离基体表面可以达到0.2~2mm，该粉末经熔覆头输送汇聚后，粉斑尺寸较小，例如可以达到Φ0.5~1mm，能够适应和实现激光扫描线速度大于等于25m/min。
Claims (9)
1.一种超高速率激光熔覆用镍基合金粉末，其特征在于组分以质量百分比为：C≤0.1%，18.0－25.0%Cr，7.0－11.0%Mo，2.5－5.0%Nb，Fe≤6.0%，Al≤0.6%，Ti≤0.6%，Mn≤0.8%，Si≤0.8%，Co≤2.0%，P≤0.030%，S≤0.030%，余量为Ni和不可避免的杂质，其中，该粉末的D50为25-50μm，流动性为32-41s/100g。
2.根据权利要求1所述的合金粉末，其特征在于：Cr 20.0－23.0%。
3.根据权利要求1或2所述的合金粉末，其特征在于：Mo8.0－10.0%。
4.根据权利要求1或2或3所述的合金粉末，其特征在于：Nb3.0－4.5%。
5.根据权利要求1所述的合金粉末，其特征在于：粒度分布为：10-100μm。
6.根据权利要求4所述的合金粉末，其特征在于：球形度≥ 94%。
7.根据权利要求4所述的合金粉末，其特征在于：含氧量≦150ppm。
8.如权利要求1-7所述的合金粉末，其特征在于，空心粉率＜1%。
9.如权利要求1－8所述的合金粉末的制备方法，其特征在于，该方法为：原材料成分合金化配比，而后进行真空熔炼钢锭，应用中频感应加热熔化钢锭，熔炼室真空度10-1-10- 2Pa，采用气雾化方法制粉，喷粉气体氩气压力1.5-3.9MPa，收得粉末后进行粒度筛分。
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