一种激光熔覆汽车排气管铁素体不锈钢的表面改性方法

摘要

本发明涉及一种激光熔覆汽车排气管铁素体不锈钢的表面改性方法，通过铁素体不锈钢基材表面预处理、熔覆粉末的配制、熔覆前准备及熔覆工艺，即完成对汽车排气管铁素体不锈钢的表面改性。本发明中复合涂层与汽车排气管铁素体不锈钢基体结合良好，抗振疲劳寿命强，不产生裂纹、气孔、夹杂等缺陷，且无环境污染，抗振疲劳寿命和耐蚀性较相同厚度焊缝均有明显提高。该表面改性方法简单，形成的复合合金熔覆层可以调配；采用激光熔覆技术，能量密度高，热输入小；使得汽车排气管用钢热影响区窄、变形小、晶粒长大程度小，能明显提高抗振寿命和耐蚀性能。

说明书

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术，特别涉及一种激光熔覆汽车排气管铁素体不锈钢的表面改性方法。

背景技术

近年来，随着人们生活水平的提高和汽车工业的高速发展，汽车行业已越来越成为国民经济的重要支柱之一，因而汽车排气管用钢材也得到汽车厂商的极大关注。同时，汽车排气管铁素体不锈钢焊接技术得到了很快发展，已经取得了令人瞩目的成果。但就目前的钢材焊接而言，焊缝结合处仍具有非常高的晶间腐蚀敏感性，对钢材的耐一般腐蚀、耐点蚀、耐缝隙腐蚀、耐应力腐蚀性能，抗振动疲劳寿命等都是不利的，且焊丝成分不易现场调配。

目前，汽车排气管铁素体不锈钢的焊接方法，主要有高频电阻焊、MIG、等离子弧焊和激光焊4种方法。汽车排气管铁素体不锈钢焊接的主要问题在于焊接热影响区的脆化，晶粒粗大，在室温下韧性很低，易产生裂纹和晶间腐蚀，在循环载荷或特殊工况使用条件下，易降低抗振动疲劳寿命和耐蚀性能。

迄今为止，尚未看到有激光熔覆汽车排气管铁素体不锈钢表面改性方法的研究报告。

发明内容

本发明针对焊接热影响区的脆化、易产生裂纹和晶间腐蚀等问题，提供一种激光熔覆汽车排气管铁素体不锈钢的表面改性方法，通过该方法使得高温复合合金涂层和汽车排气管铁素体不锈钢基材形成良好的冶金结合层，以防止出现裂纹、气孔、夹杂等缺陷，改善热影响区组织和性能，并实现工业化应用。

本发明通过下列技术方案实现：一种激光熔覆汽车排气管铁素体不锈钢的表面改性方法，经过下列各步骤：

A．对待熔覆的汽车排气管铁素体不锈钢基材的表面进行预处理；

B．将Ni60CuMoW合金粉末与Ti粉按质量比为90～99：1～10混合，并研磨至混合粉末的粒度为-150目；

C．将步骤B所得研磨后的混合粉末置于温度为100～150℃下烘干1～2h后，以送粉量为0.2～0.5g/s的同步送粉方式将混合粉末涂覆在步骤A所得汽车排气管铁素体不锈钢基材的表面至涂覆层厚度为1.2～2.5mm为止；

D．采用激光波长为10.6μm、激光功率为2.8～4.5kW、扫描速度为450～600mm/min、光斑直径为5～6mm、离焦量为50～65mm、并在流量为8～15L/h的氩气保护下，对步骤C所得汽车排气管铁素体不锈钢基材的表面进行激光熔覆，直到所需部位涂覆完，即完成对汽车排气管铁素体不锈钢的表面改性。

所述步骤A的汽车排气管铁素体不锈钢基材为常用基材，如SUH409L。

所述步骤A的预处理是对待熔覆的汽车排气管铁素体不锈钢基材的表面进行打磨，再用无水乙醇清洗。

所述步骤B的Ni60CuMoW合金粉末为下列质量百分含量的组分组成：C 0.67%，Si 4.13%，B 3.17%，Fe 4.56%，Cr 16.72%，Cu 3.31%，Mo 2.70%，W 3.00%，O <0.08%，其余为Ni。

本发明具备下列效果和优点：

该表面改性方法简单，形成的复合合金熔覆层可以调配；采用激光熔覆技术，能量密度高，热输入小；使得汽车排气管用钢热影响区窄、变形小、晶粒长大程度小，能明显提高抗振寿命和耐蚀性能。本发明激光熔覆的涂层与汽车排气管铁素体不锈钢基体结合良好，抗振疲劳寿命强，不产生裂纹、气孔、夹杂等缺陷，且无环境污染，抗振疲劳寿命和耐蚀性较相同厚度焊缝均有明显提高。

附图说明

图1是Ni60CuMoW合金粉末+Ti粉末复合涂层的宏观形貌；

图2是Ni60CuMoW合金粉末+Ti粉末复合涂层结合区的金相组织照片；

图3是Ni60CuMoW合金粉末+Ti粉末复合涂层的XRD谱线；

图4是汽车排气管铁素体不锈钢基材与激光熔覆复合涂层显微硬度曲线；

图5是汽车排气管铁素体不锈钢基材与激光熔覆复合涂层极化曲线。

具体实施方式

下面将结合实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实例并不限制本发明的保护范围。

实施例1

A．对待熔覆的汽车排气管铁素体不锈钢基材SUH409L的表面用180#金相砂纸进行打磨，再用无水乙醇清洗；

B．将Ni60CuMoW合金粉末与Ti粉按质量比为99：1混合，并研磨至混合粉末的粒度为-150目；其中，Ni60CuMoW合金粉末为下列质量百分含量的组分组成：C 0.67%，Si 4.13%，B 3.17%，Fe 4.56%，Cr 16.72%，Cu 3.31%，Mo 2.70%，W 3.00%，O 0.07%，其余为Ni；

C．将步骤B所得研磨后的混合粉末置于温度为100℃下烘干2h后，以送粉量为0.3g/s的同步送粉方式将混合粉末涂覆在步骤A所得汽车排气管铁素体不锈钢基材的表面至涂覆层厚度为1.5mm为止；

D．采用激光波长为10.6μm、激光功率为2.8kW、扫描速度为600mm/min、光斑直径为5mm、离焦量为55mm、并在流量为8L/h的氩气保护下，使用大功率多模横流CO₂激光器辐照放置于五轴四联动数控加工机床上，对步骤C所得汽车排气管铁素体不锈钢基材的表面进行激光熔覆，直到所需部位涂覆完，即完成对汽车排气管铁素体不锈钢的表面改性。

改性后能使汽车排气管铁素体不锈钢基材表面质量好（如图1所示），内部无裂纹、气孔和夹杂缺陷的熔覆涂层，且具有高硬度、良好的耐蚀性和抗振动疲劳寿命。

实施例2

A．对待熔覆的汽车排气管铁素体不锈钢基材的表面进行打磨，再用无水乙醇清洗；

B．将Ni60CuMoW合金粉末与Ti粉按质量比为95：5混合，并研磨至混合粉末的粒度为-140目；其中，Ni60CuMoW合金粉末为下列质量百分含量的组分组成：C 0.67%，Si 4.13%，B 3.17%，Fe 4.56%，Cr 16.72%，Cu 3.31%，Mo 2.70%，W 3.00%，O 0.06%，其余为Ni；

C．将步骤B所得研磨后的混合粉末置于温度为150℃下烘干1h后，以送粉量为0.2g/s的同步送粉方式将混合粉末涂覆在步骤A所得汽车排气管铁素体不锈钢基材的表面至涂覆层厚度为2.5mm为止；

D．采用激光波长为10.6μm、激光功率为3.5kW、扫描速度为550mm/min、光斑直径为6mm、离焦量为50mm、并在流量为15L/h的氩气保护下，对步骤C所得汽车排气管铁素体不锈钢基材的表面进行激光熔覆，直到所需部位涂覆完，即完成对汽车排气管铁素体不锈钢的表面改性。

经检测，涂层组织除γ-（Fe, Ni）过饱和固溶体外，还含有NiCu、Mo₉Ti₄、CuNiTi、CrNiFeC化合物和Ni₂Si、Fe₃Ni₃B、WC等硬质相。涂层材料的腐蚀速率为0.016 mm/a，即在年腐蚀条件下的分时量为0.016mm，测试条件为21℃×1900s。可见，激光熔覆后的铁素体不锈钢试样具有优良的耐腐蚀性能，可以广泛应用于汽车排气管各零部件的表面性能优化和修复。

实施例3

A．对待熔覆的汽车排气管铁素体不锈钢基材SUH409L的表面进行打磨，再用无水乙醇清洗；

B．将Ni60CuMoW合金粉末与Ti粉按质量比为90： 10混合，并研磨至混合粉末的粒度为-145目；其中，Ni60CuMoW合金粉末为下列质量百分含量的组分组成：C 0.67%，Si 4.13%，B 3.17%，Fe 4.56%，Cr 16.72%，Cu 3.31%，Mo 2.70%，W 3.00%，O 0.05%，其余为Ni；

C．将步骤B所得研磨后的混合粉末置于温度为120℃下烘干2h后，以送粉量为0.5g/s的同步送粉方式将混合粉末涂覆在步骤A所得汽车排气管铁素体不锈钢基材的表面至涂覆层厚度为1.2mm为止；

D．采用激光波长为10.6μm、激光功率为4.5kW、扫描速度为450mm/min、光斑直径为5mm、离焦量为65mm、并在流量为12L/h的氩气保护下，使用大功率多模横流CO₂激光器辐照放置于五轴四联动数控加工机床上，对步骤C所得汽车排气管铁素体不锈钢基材的表面进行激光熔覆，直到所需部位涂覆完，即完成对汽车排气管铁素体不锈钢的表面改性。

改性后能使汽车排气管铁素体不锈钢基材表面质量好，内部无裂纹、气孔和夹杂缺陷的熔覆涂层，且具有高硬度、良好的耐蚀性和抗振动疲劳寿命。

 

下面对实施例1得到的激光熔覆复合涂层进行组织结构分析和各种性能测试，说明其性能的优越性：

1、组织结构分析

使用LEICA DFC280光学图像分析系统观察涂层组织，基体与耐高温Ni60CuMoW合金粉末+1.00%Ti粉末复合涂层结合区的金相组织如图2所示。可以看到复合涂层晶粒细化，基体与涂层形成了良好的冶金结合层。

采用日本D/MAX-3BX射线衍射仪分析复合涂层的物相组成，结果如图3的XRD谱线所示，X射线衍射分析表明，复合涂层的主要组织组成相为γ-（Fe, Ni）过饱和固溶体。

2、显微硬度

利用华银HVS-1000A数显显微硬度计测量激光熔覆层硬度，以熔覆层与基体的结合面为起始点（0点），自上而下依次取不同距离打点，熔覆层之上的距离取为正值，之下距离取为负值，同一层面上打三个点后取平均值。加载载荷500g，加载持续时间15s。激光熔覆复合涂层的硬度范围在HV 473~685，硬度分布曲线如图4所示。由于Ti与Mo、Cu和Ni发生了化学反应生成Mo₉Ti₄和CuNiTi化合物，起到了弥散强化和细化晶粒的作用，加上WC硬质颗粒的存在，使得硬度波动幅度较大。

3、腐蚀试验

激光熔覆复合涂层的耐腐蚀性能采用PS-268A型电化学工作站表征。分别进行熔覆涂层和基体同时腐蚀，两者比较结果如图5的极化曲线所示。其中，腐蚀介质为5.0%NaCl饱和溶液；涂层试样为工作电极，用松香封嵌，工作面积10 mm × 10 mm；铂为辅助电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极；电位测试范围为-1700 mV~200 mV，延时600 s，采样周期1 s，扫描速度1 mV/s。