高硬度不开裂激光熔覆层马氏体铁基合金粉末及其制备方法

摘要

本发明公开了高硬度不开裂激光熔覆层马氏体铁基合金粉末及其制备方法，按照质量百分比，选取16～17％的Cr，2.0～5.0％的Ni，0.05～0.15％的B，0.1～0.7％的Si，0.1～0.3％的C，余量为Fe，将上述成分的合金真空熔炼、气雾化即可。本发明的激光熔覆专用马氏体铁基合金粉末，通过激光快速成型技术获得熔覆层，平均洛氏硬度为58.58HRC，表面和截面无裂纹和气孔等缺陷，并且利用马氏体相变产生的体积膨胀效应使激光熔覆层残余应力为压应力，有效抑制裂纹的萌生扩展，能够满足激光熔覆层高硬度不开裂的使用要求。

说明书

技术领域

本发明属于激光再制造技术领域，涉及一种高硬度不开裂激光熔覆层马氏体铁基合 金粉末，本发明还涉及该粉末的制备方法。

背景技术

激光熔覆技术是近年来新兴的表面改性方法，运用激光熔覆技术制备高硬度熔覆层 能大大提高零件的使用寿命，在工业应用中潜力巨大。相关研究已有近40年的历史，有 关的理论和试验性质的研究很多，然而这项技术并未在工业生产中得到广泛的推广和应 用，主要原因在于激光熔覆层容易开裂，激光熔覆成形件硬度高时尤为明显。

目前，常用的激光熔覆合金粉末主要为铁基自熔合金粉末和镍基自熔合金粉末，此 类粉末在设计时为了使熔点尽量靠近共晶点，通常B、Si的含量较高，而B、Si元素的 增加能生成硬质相，从而提高熔覆层硬度，导致塑性下降，加大熔覆层开裂性。激光熔 覆的过程中，在高能激光束照射下，自溶性合金粉末与基体快速溶化和冷却过程中，由 于溶覆层与基体的热膨胀系数的差异，因此冷却速度不完全相同、收缩性也不一致，导 致溶覆层中的残余应力得不到有效释放，而自熔性合金粉末中成分如碳、硼、硅、镍等 元素会在熔池中形成低熔点共晶物聚集于晶界上，在冷却结晶过程中，熔覆层收缩而产 生拉力，当作用于晶界的残余拉应力不断积聚变大至大于熔覆层的屈服极限时产生裂纹。

目前控制残余应力的方法主要有减小温度梯度、采用微锻造、超声波振动等，但这 些方法工艺复杂，也不能有效阻止裂纹的产生。解决开裂问题的途径之一是调整Ni、B、 Si等合金元素的含量诱发马氏体相变，由于不同的相具有不同的密度和不同的晶格类型， 因而具有不同的比体积，当奥氏体转变为马氏体时，其比体积将由0.123-0.125增加到 0.127-0.131，导致其应力状态发生改变，从而抵消残余拉应力或将残余拉应力转变成残 余压应力。铁基合金相对于镍基合金有巨大的价格优势，因此综合考虑价格因素，当前 解决高硬度熔覆层开裂问题可行的方法是研制激光熔覆专用铁基合金粉末。

发明内容

本发明的目的是提供一种高硬度不开裂激光熔覆层马氏体铁基合金粉末，解决了现 有技术中存在的问题，能够在激光熔覆工艺中防止开裂。

本发明的另一目的是提供上述铁基合金粉末的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种高硬度不开裂激光熔覆层马氏体铁基合金粉末， 按照质量百分比，由以下原料组成：Cr为16～17％，Ni为2.0～5.0％，B为0.05～0.15％， Si为0.1～0.7％，C为0.1～0.3％，余量为Fe。

本发明所采用的另一技术方案是，一种高硬度不开裂激光熔覆层马氏体铁基合金粉 末的制备方法，具体按照以下步骤进行：按照质量百分比，选取16～17％的Cr，2.0～5.0％ 的Ni，0.05～0.15％的B，0.1～0.7％的Si，0.1～0.3％的C，余量为Fe，将上述成分的合金 真空熔炼、气雾化即可。

本发明的有益效果是以高硬度不开裂专用马氏体铁基合金粉末为原料，采用有机物 双层包覆工艺，通过激光快速成型技术获得熔覆层，平均洛氏硬度为58.58HRC，表面和 截面无裂纹和气孔等缺陷，并且利用马氏体相变产生的体积膨胀效应使激光熔覆层残余 应力为压应力，有效抑制裂纹的萌生扩展，能够满足高硬度不开裂的使用要求。

附图说明

图1专用铁基合金复合粉末熔覆层的形貌切割前图1a与切割后图1b的对比图。

图2是熔覆层打磨后表面形貌，其中，图2a为表面图，图2b为截面图。

图3是激光快速成型拉伸力学试样图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种高硬度不开裂激光熔覆层铁基合金粉末，按照质量百分比，合金由以下元素组 成：我们的实验结果表明：当合金中铬含量低于15％时，会导致在后续的包覆过程中产 生明显的表面氧化，使激光熔覆层的质量明显下降；当镍含量超过7％时，激光熔覆层出 现较多的奥氏体相，表面残余应力为拉应力，有开裂的趋向；当硼含量高于0.15％、碳 含量高于0.3％时，激光熔覆层的脆性明显增大，其综合机械性能明显下降。综合考虑各 方面的因素，本方案采用低碳、高铬、少量硼、低镍马氏体型铁基不锈钢。具体配方如 下：

Cr为16～17％，Ni为2.0～5.0％，B为0.05～0.15％，Si为0.1～0.7％，C为0.1～0.3％， 余量为Fe。

原理：常规的自熔性铁基合金粉末为使熔点靠近共晶点，含有较高含量的B、Si元 素，而B、Si元素的增加能生成硬质相，从而提高熔覆层硬度，导致塑性下降，加大熔 覆层开裂性。奥氏体向马氏体转变过程中体积会增大，可通过调整Ni、B、Si等合金元 素的含量诱发马氏体相变，来抵消残余拉应力或将残余拉应力转变成残余压应力，从而 有效避免裂纹的产生。

一种高硬度不开裂激光熔覆层铁基合金粉末的制备方法，具体按照以下步骤进行：

按照质量百分比，选取16～17％的Cr，2.0～5.0％的Ni，0.05～0.15％的B，0.1～0.7％的 Si，0.1～0.3％的C，余量为Fe。将上述成分的合金真空熔炼、气雾化即可。

本发明的高硬度不开裂激光熔覆层铁基合金粉末，采用水冷式气幕气道保护激光侧 向送粉喷嘴装置：用5KW横流CO₂激光器，将喷砂处理过的110mm×45mm×15mm的基 材Q235钢板放到实验工作台上，调整好激光器的喷嘴与基材的距离，采用侧向同步送粉 法，基材由数控工作台驱动。将合金粉末熔覆在基材表面，形成层尺寸为长90mm×宽 40mm×厚3mm的熔覆层。激光处理工艺参数为：激光功率为2200W-2500W，光斑直径 为3-5mm，扫描速度为5-7mm/s，送粉速度为5-7g/min，搭接系数为0.5-0.7，保护气体 为氩气。即可以制得高质量、高硬度的激光熔覆层。

1.高硬度不开裂专用铁基合金复合粉末熔覆层的形貌分析：

利用线切割将激光成形件沿熔覆层与基材结合面切开，得到熔覆层的形貌如图1所 示。从图1中可以看出，熔覆层两端下垂中间凸起，可以判定熔覆层所受的残余应力为 压应力，经测量熔覆层长度为92mm，翘曲度为0.8mm，残余压应力为530MPa。

从图2中表面和截面可以看出专用合金粉末熔覆层表面没有裂纹气孔等缺陷，成形 件质量良好，满足不开裂要求。

2.高硬度不开裂激光熔覆层铁基合金粉末熔覆层硬度测试：

本实验采用TH320全洛氏硬度计测量其表面洛氏显微硬度，实验在室温下进行，实 验力为150Kg，保压时间为6s。取10个点进行测量，从表1可以看出，涂层的平均洛氏 硬度为58.58HRC(硬度最大值为62.5HRC，硬度最小值为54.9HRC)，满足高硬度要求。

表1涂层洛氏硬度

3.高硬度不开裂激光熔覆层铁基合金粉末熔覆层拉伸强度测试：

将试样加工成图3形状，图中尺寸单位mm，采用PWS-E100型电液伺服动静万能 试验机，设拉伸速度为0.1mm/min，对试样进行静态拉伸试验。测量结果显示，试样退 火前的平均拉伸强度1847MPa(最大拉伸强度为1867MPa，最小拉伸强度为1828MPa)， 试样600℃退火后的平均拉伸强度为1460MPa(最大拉伸强度为1488MPa，最小拉伸强 度为1424MPa)，说明成形件力学性能稳定。

综上所述，本发明的铁基合金粉末激光熔覆层没有气孔和夹渣等缺陷，马氏体相变 诱发的熔覆层残余压应力有效抑制裂纹的产生，成形件整体质量好，并且强度和硬度高， 综合力学性能好。

实施例1

按照质量百分比，选取16％的Cr，2.0％的Ni，0.05％的B，0.1％的Si，0.1％的C， 余量为Fe。将上述成分的合金真空熔炼、气雾化即可。

实施例2

按照质量百分比，选取17％的Cr，5.0％的Ni，0.15％的B，0.7％的Si，0.3％的C， 余量为Fe。将上述成分的合金真空熔炼、气雾化即可。

实施例3

按照质量百分比，选取16.5％的Cr，3％的Ni，0.1％的B，0.5％的Si，0.2％的C， 余量为Fe。将上述成分的合金真空熔炼、气雾化即可。

实施例4

按照质量百分比，选取16.7％的Cr，4％的Ni，0.08％的B，0.4％的Si，0.15％的C， 余量为Fe。将上述成分的合金真空熔炼、气雾化即可。