一种激光熔覆专用低裂纹敏感性高性能Ni基复合粉末

摘要

本发明提供的一种激光熔覆专用低裂纹敏感性高性能Ni基复合粉末，所用原料及质量百分比如下：Co粉8.0~10.0%、Fe粉8.5~12.0%、Cr粉10.0~13.0%、Si粉2.0~3.5%、WC粉28.0~30.0%，余量Ni粉。一种激光熔覆专用低裂纹敏感性高性能Ni基复合粉末运用Cr、Fe、Co、Ni、WC相互作用形成的固溶强化、细晶强化等机理，使熔覆层具有高硬度和高韧性，具有较低的裂纹敏感性；使用该粉末制备的熔覆层表面硬度高，耐蚀性强，抗高温；采用机械混合法制备，生产工艺简洁，价格优势明显。

说明书

技术领域

本发明属于表面强化、快速制造和再制造工程领域，具体涉及一种以Ni为主体的面向激光熔覆工艺优化设计的复合粉末材料，使用该材料制成的熔覆层裂纹敏感性低、表面硬度性能高。

背景技术

机械零部件的再制造过程中，常用激光熔覆工艺对零部件缺失部位的表面或三维尺寸进行恢复，恢复零部件缺失部位的材料即是激光熔覆粉末材料。目前，实际应用的激光熔覆粉末是热喷涂工艺所使用的涂层材料，可以在一定程度达到修复零件的目的，但粉末成分是针对热喷涂的技术特点所设计，对于急热急冷的激光熔覆工艺过程并不适用，经常出现裂纹缺陷，导致熔覆失败。针对激光熔覆层开裂的问题，有人尝试通过优化工艺参数解决，但结果证明优化工艺参数只能在一定范围内降低裂纹的发生概率，并没有从根源解决裂纹的产生。Ni基粉末拥有良好的耐蚀和耐磨性能，是广泛采用的熔覆层材料，目前常用的Ni基自熔性粉末主要有Ni-Cr-B-Si合金，但高硬度的Ni基粉末制备的熔覆层开裂现象严重，无法满足齿轮等高表面硬度对象的修复要求，为了使Ni基粉末能够得到实际的工业化推广，亟需在新型激光熔覆专用的低裂纹敏感性与高硬度兼具的粉末设计方面取得突破。

发明内容

为了克服现有技术领域存在的上述技术问题，本发明的目的在于，提供一种激光熔覆专用低裂纹敏感性高性能Ni基复合粉末，使熔覆层高硬度与低裂纹敏感性兼具。

本发明采用以下技术方案：

一种激光熔覆专用低裂纹敏感性高性能Ni基复合粉末，所用原料及质量百分比如下：Co粉8.0～10.0％、Fe粉8.5～12.0％、Cr粉10.0～13.0％、Si粉2.0～3.5％、WC粉28.0～30.0％，余量Ni粉。

优选的，所用原料及质量百分比如下：Co粉8.2～8.6％、Fe粉10～11％、Cr粉11.0～11.5％、Si粉2.5～3.0％、WC粉29.0～30.0％，余量Ni粉。

进一步优选的，从制备得到的熔覆层高硬度、无裂纹以及与基体具有较好的结合力来讲，所述激光熔覆专用低裂纹敏感性高硬度Ni基复合粉末，所用原料及质量百分比如下：Co 8.4％、Fe 10.5％、Cr 11.2％、Si 2.8％、WC 30.0％，Ni 37.1％。

本发明高性能是指：各原料形成Ni基熔覆层之后具有高硬度、与基体材料结合力好的特点。

本发明中所用原料的性能特点：

钴(Co)：Co元素通过在奥氏体中溶解，发挥固溶强化的作用。Co的添加也使熔覆层的耐高温腐蚀性、抗热震性能得到了提升，使合金粉末拥有更加广泛的适用范围。

铁(Fe)：Fe元素可以大量溶解于奥氏体中，拥有较强的固溶强化效果。Fe粉的添加会增加熔覆层的韧性，同时会缩小熔覆层材料与基体材料热膨胀系数之间的差值，有助于降低熔覆层的裂纹敏感性。

铬(Cr)：Cr元素可以同Fe、Ni和Co形成固溶体，通过固溶强化提升熔覆层的强度；同时Cr还会在熔覆层表面形成钝化层，是熔覆层获得耐蚀性能和抗氧化性能。除此以外，额外的Cr元素还会与C形成碳化铬，作为一种硬质相强化熔覆层的硬度和耐磨性。另外，Cr还拥有一定的晶界强化作用。含Cr的熔覆层在进行精加工，如磨削时更容易获得较高的表面质量。

硅(Si)：Si元素的加入会扩大粉末的固液相线温度区范围，生成的共晶体熔点较低，使合金粉末的熔点出现显著的下降，这样在进行熔覆时不需要过高的激光能量，可以降低热影响区的范围，减少熔覆过程对基体组织带来的损伤。同时还兼顾脱氧和造渣的作用，消除熔覆层中的杂质，减少熔覆层中的开裂源，使合金粉末具有良好的工艺性。

碳化钨(WC)：在激光熔覆的过程中，WC并不完全熔化，熔化生成的W、C在熔池中扩散，析出于晶界处，可以强化晶界；W能提高原子结合强度，阻碍位错滑移。未熔化的WC可以为熔覆层组织的凝固提供异质形核质点，细化组织，并且作为强化相提升熔覆层的耐磨性。同时还有减小热膨胀系数的功能。

镍(Ni)：合金粉末中固溶体的骨架由具有面心立方晶格的Ni元素担当。Ni元素是合金粉末中韧性相之一，Ni的添加会使奥氏体γ相增加，线膨胀系数减小，抵消削弱熔覆层中的残余拉应力，降低裂纹敏感性。Ni和Cr以一定比例添加，二者共同作用会使熔覆层材料具有较高的强度和冲击韧性。Ni还会增加熔覆层材料与基体间的润湿性。

合理设计激光熔覆材料的成分和配比可以改善激光熔覆层的应力状态和消除裂纹。本发明以各元素相互作用形成的固溶强化、细晶强化机理，解决了硬度较高的Ni基熔覆层容易出现裂纹的问题，同时考虑到了生产成本的问题。本发明基于对多种原料进行筛选优化，得到较高硬度的熔覆层无裂纹的技术效果，这对于本领域技术人员来说是出乎意料的技术效果。

本发明通过对多种原料元素进行配伍，各元素之间共同发挥作用使得Ni基熔覆层具有高硬度的同时保证无裂纹。

本发明中的激光熔覆专用低裂纹敏感性高性能Ni基复合粉末中，各原料组分是一个有机整体，缺一不可。发明人在研发过程中发现，减少上述粉末中的任何一种原料组分，或以具有相似功能的原料对本发明粉末中的原料组分进行替换，则复合粉末整体的作用效果显著降低；在本发明的复合粉末的基础上再增加其他的原料组分，复合粉末的整体效果并未有明显的改善，甚至有复合粉末的整体效果降低的情况出现。

一种激光熔覆专用低裂纹敏感性高性能Ni基复合粉末的制备方法，包括以下步骤：

使用行星式球磨机对粉末进行混合，首先按照上述质量百分比称取各单一粉末，设定球磨机混粉时间为40～50min，转速为150～200r/min，进行混粉；混粉完毕进行干燥处理，设置温度为100～120℃，干燥时间40～60min；干燥完成后，得到激光熔覆专用低裂纹敏感性高性能Ni基复合粉末。

优选的，称取粉末的体积不多于所用球磨机料缸的体积的1/3。

优选的，对于不同规格的球磨机，最佳混粉转速按照下式求出：

式中C—常数，m^-1，水平圆筒球磨机C＝1500；d—混合粉末的平均粒径，m；R—容器的最大回转半径，m；g—重力加速度，m/s²。

优选的，设置干燥处理的温度为120℃，干燥时间60min。

本发明还提供一种制备无裂纹高性能Ni基复合熔覆层的方法，包括采用所述Ni基复合粉末进行激光熔覆的过程，所述激光熔覆的参数为：激光功率为1000～1200W，扫描速度为5～8mm/s。

为了能够保证熔覆层无裂纹、高硬度和与基体具有良好的结合力，经过工艺参数优化，所述激光功率为1200W，扫描速度为6mm/s。

本发明中所述Ni基复合粉末特别适合光纤激光熔覆(激光波长950～1100nm)的加工工艺，实验发现，光纤激光熔覆能够使得复合粉末形成的熔覆层具有低裂纹敏感性，能够有效避免熔覆层裂纹的产生。

激光熔覆参数主要包括激光功率(P)、光斑尺寸(直径D或面积S)、激光扫描速度(v)，以及多道搭接的搭接率或多层叠加的停光时间等。但是采用本发明的复合粉末，可以主要控制工艺中的激光功率和扫描速度，降低了对其他工艺参数的特别要求，更加方便进行实际操作。

经过实验验证，采用本发明的Ni基复合粉末和同时按照以上激光熔覆参数得到的熔覆层能够保证其高硬度和无裂纹，硬度能够高达562HV_0.2，且还能保证接触角较大，对于激光熔覆技术接触角在120～150°范围内越大说明与基体材料的结合力越好。

上述技术方案具有如下有益效果：

以制备得到熔覆层具有低裂纹敏感性和高硬度为基本原则，在本发明的复合粉末中，Ni元素作为固溶体骨架与粉末材料中Cr、Fe、Co相互作用通过固溶强化机理使熔覆层具有较高的力学性能，抑制裂纹的生成与扩展；Ni与Fe作用形成因瓦效应，使熔覆层热膨胀系数减小，与钢材基体热膨胀系数差值减小，降低了裂纹萌发的概率；Cr与Ni相互作用提升材料的强度与冲击韧性；Co元素提升粉末材料在高温下的力学性能与稳定性，防止粉末制成的零件表面因局部摩擦产生高温而导致裂纹出现；WC熔化的部分形成W、C在熔池中扩散，在晶界处析出，强化晶界，使变形抗力增加，抑制裂纹产生，W元素使原子间结合更为紧密，阻碍位错滑移的产生，防止裂纹的扩展；Si消除熔池中的杂质，减少了裂纹的萌生根源。采用本发明的Ni基复合粉末制备得到的熔覆层不出现裂纹缺陷且具有较高的硬度以及良好的结合力；原料来源广泛，机械混粉设备简单，易操作，成本低廉。

附图说明

图1是采用实施例1中的Ni基粉末制备得到的熔覆层的表面形貌图。

图2是采用常用合金粉末Ni60A制备得到的熔覆层的表面形貌图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

实施例1

下面，选用现有常用的粉末材料与本发明粉末进行对比，用以对激光熔覆专用低裂纹敏感性高性能Ni基复合粉末进行具体说明。

本实施例的一种激光熔覆专用低裂纹敏感性高性能Ni基复合粉末，所用原料及质量百分比如下：Co 8.4％、Fe 10.5％、Cr 11.2％、Si 2.8％、WC 30.0％，Ni 37.1％。

采用上述原料组分生产激光熔覆专用低裂纹敏感性高性能Ni基复合粉末的方法为：将混合粉末加入XQM-1L行星式球磨机料缸中，称取粉末的体积不多于所用球磨机料缸的体积的1/3，然后放入8枚搅拌用的不锈钢球，设定混粉时间50min，球磨机转速175r/min。混粉结束后使用干燥箱进行干燥处理，设置温度为120℃，干燥时间60min。干燥完成后，得到激光熔覆专用低裂纹敏感性高性能Ni基复合粉末。

选取光纤激光熔覆(激光波长950～1100nm)中常用合金粉末

Ni60A(C:0.5～1％,B:3～4.5％,Si:3.5～5.5％,Cr:15～20％,Fe:≤5％,余量为Ni)、对比例1～5与激光熔覆专用低裂纹敏感性高性能Ni基复合粉末使用激光器在相同的工艺参数条件下制备熔覆层，各项数据如下表1：

表1性能数据

由表1的试验数据可知，激光熔覆专用低裂纹敏感性高性能Ni基复合粉末在保持相同良好润湿性的条件下裂纹率相比Ni60A粉末大大降低，降低率高达8.89％，熔覆层不出现开裂现象；熔覆层的宏观形貌均匀、连续、平整，接触角在120～150°范围内越大说明熔覆层与基体材料的润湿性和结合性越好。两者表面形貌的比较如图1和2所示。

以上结果表明不合适的原料，其相应的熔覆层的性能差别显著。

实施例2

一种激光熔覆专用低裂纹敏感性高硬度Ni基复合粉末，所用原料及质量百分比如下：Co粉10.0％、Fe粉12.0％、Cr粉13.0％、Si粉2.0％、WC粉30.0％，余量Ni粉。制备方法同实施例1。

制备熔覆层时，采用的工艺参数为：光纤激光熔覆(激光波长950～1100nm)，激光功率为1000W，扫描速度为5mm/s。制备得到的熔覆层宏观形貌均匀、连续、平整，无裂纹，硬度高于562HV_0.2，接触角在120～150°。

实施例3

一种激光熔覆专用低裂纹敏感性高硬度Ni基复合粉末，所用原料及质量百分比如下：Co粉8.0％、Fe粉8.5％、Cr粉10.0％、Si粉3.5％、WC粉28.0％，余量Ni粉。制备方法同实施例1。

制备熔覆层时，采用的工艺参数为：光纤激光熔覆(激光波长950～1100nm)，激光功率为1100W，扫描速度为7mm/s。制备得到的熔覆层宏观形貌均匀、连续、平整，无裂纹，硬度高于562HV_0.2，接触角在120～150°。

实施例4

一种激光熔覆专用低裂纹敏感性高硬度Ni基复合粉末，所用原料及质量百分比如下：Co粉9.0％、Fe粉11.5％、Cr粉12.5％、Si粉2.5％、WC粉29.0％，余量Ni粉。制备方法同实施例1。

制备熔覆层时，采用的工艺参数为：光纤激光熔覆(激光波长950～1100nm)，激光功率为1200W，扫描速度为8mm/s。制备得到的熔覆层宏观形貌均匀、连续、平整，无裂纹，硬度高于562HV_0.2，接触角在120～150°。

对比例1

Ni基复合粉末配方为：Co 12％、Fe 10.5％、Cr 11.2％、Si 2.8％、WC 30.0％，余量为Ni。制备方法同实施例1。

采用光纤激光器在激光功率为1200W、扫描速度为6mm/s的工艺参数条件下制备熔覆层，制备好的熔覆层出现严重裂纹，裂纹率较高，且硬度较低，无法达到562HV_0.2。

对比例2

Ni基复合粉末配方为：Co 8.4％、Fe 15％、Cr 11.2％、Si 2.8％、WC 30.0％，余量为Ni。制备方法同实施例1。

采用光纤激光器在激光功率为1200W、扫描速度为6mm/s的工艺参数条件下制备熔覆层，制备好的熔覆层虽然整体硬度较高，但是出现了严重裂纹，裂纹率较高。

对比例3

Ni基复合粉末配方为：Co 8.4％、Fe 10.5％、Cr 15％、Si 2.8％、WC 30.0％，余量为Ni。制备方法同实施例1。

采用光纤激光器在激光功率为1200W、扫描速度为6mm/s的工艺参数条件下制备熔覆层，制备好的熔覆层硬度较低并且出现了严重裂纹，裂纹率较高。

对比例4

Ni基复合粉末配方为：Co 8.4％、Fe 10.5％、Cr 11.2％、Si 2.8％、WC 35％，余量为Ni。制备方法同实施例1。

采用光纤激光器在激光功率为1200W、扫描速度为6mm/s的工艺参数条件下制备熔覆层，制备好的熔覆层宏观形貌不平整和不均匀，裂纹率较高。可见较高含量的碳化钨影响熔覆层的宏观形貌，并使熔覆层产生一定的裂纹。

对比例5

Ni基复合粉末配方为：Co 8.4％、Fe 10.5％、Cr 11.2％、Si 2.8％、WC 17.1％，Ni50％。制备方法同实施例1。

采用光纤激光器在激光功率为1200W、扫描速度为6mm/s的工艺参数条件下制备熔覆层，制备好的熔覆层虽与材料的润湿性较好，但硬度较小，无法达到540HV_0.2，并且裂纹率较高。

以上结果表明不合适的原料配比含量，其与实施例1中的熔覆层的性能(裂纹率或硬度以及润湿性和结合力)差别显著。对比例1～5中的熔覆层的性能明显低于本发明中的实施例1。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。