高硬度不開裂激光熔覆層馬氏體鐵基合金粉末及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于激光再制造技術領域，涉及一種高硬度不開裂激光熔覆層馬氏體鐵基 合金粉末，本發明還涉及該粉末的制備方法。
【背景技術】
[0002] 激光熔覆技術是近年來新興的表面改性方法，運用激光熔覆技術制備高硬度熔覆 層能大大提高零件的使用壽命，在工業應用中潛力巨大。相關研究已有近40年的歷史，有 關的理論和試驗性質的研究很多，然而這項技術并未在工業生產中得到廣泛的推廣和應 用，主要原因在于激光熔覆層容易開裂，激光熔覆成形件硬度高時尤為明顯。
[0003] 目前，常用的激光熔覆合金粉末主要為鐵基自熔合金粉末和鎳基自熔合金粉末， 此類粉末在設計時為了使熔點盡量靠近共晶點，通常B、Si的含量較高，而B、Si元素的增加 能生成硬質相，從而提高熔覆層硬度，導致塑性下降，加大熔覆層開裂性。激光熔覆的過程 中，在高能激光束照射下，自溶性合金粉末與基體快速溶化和冷卻過程中，由于溶覆層與基 體的熱膨脹系數的差異，因此冷卻速度不完全相同、收縮性也不一致，導致溶覆層中的殘余 應力得不到有效釋放，而自熔性合金粉末中成分如碳、硼、硅、鎳等元素會在熔池中形成低 熔點共晶物聚集于晶界上，在冷卻結晶過程中，熔覆層收縮而產生拉力，當作用于晶界的殘 余拉應力不斷積聚變大至大于熔覆層的屈服極限時產生裂紋。
[0004] 目前控制殘余應力的方法主要有減小溫度梯度、采用微鍛造、超聲波振動等，但 這些方法工藝復雜，也不能有效阻止裂紋的產生。解決開裂問題的途徑之一是調整Ni、 B、Si等合金元素的含量誘發馬氏體相變，由于不同的相具有不同的密度和不同的晶格類 型，因而具有不同的比體積，當奧氏體轉變為馬氏體時，其比體積將由〇. 123-0. 125增加到 0? 127-0. 131，導致其應力狀態發生改變，從而抵消殘余拉應力或將殘余拉應力轉變成殘余 壓應力。鐵基合金相對于鎳基合金有巨大的價格優勢，因此綜合考慮價格因素，當前解決高 硬度熔覆層開裂問題可行的方法是研制激光熔覆專用鐵基合金粉末。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種高硬度不開裂激光熔覆層馬氏體鐵基合金粉末，解決了 現有技術中存在的問題，能夠在激光熔覆工藝中防止開裂。
[0006] 本發明的另一目的是提供上述鐵基合金粉末的制備方法。
[0007] 本發明所采用的技術方案是，一種高硬度不開裂激光熔覆層馬氏體鐵基合金粉 末，按照質量百分比，由以下原料組成：Cr為16~17%，Ni為2.0~5.0%，B為0.05~ 0? 15%，Si 為 0? 1 ~0? 7%，C 為 0? 1 ~0? 3%，余量為 Fe。
[0008] 本發明所采用的另一技術方案是，一種高硬度不開裂激光熔覆層馬氏體鐵基合金 粉末的制備方法，具體按照以下步驟進行：按照質量百分比，選取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，余量為Fe，將上述成 分的合金真空熔煉、氣霧化即可。
[0009] 本發明的有益效果是以高硬度不開裂專用馬氏體鐵基合金粉末為原料，采用有機 物雙層包覆工藝，通過激光快速成型技術獲得熔覆層，平均洛氏硬度為58. 58HRC，表面和截 面無裂紋和氣孔等缺陷，并且利用馬氏體相變產生的體積膨脹效應使激光熔覆層殘余應力 為壓應力，有效抑制裂紋的萌生擴展，能夠滿足高硬度不開裂的使用要求。
【附圖說明】
[0010] 圖1專用鐵基合金復合粉末熔覆層的形貌切割前圖la與切割后圖lb的對比圖。
[0011] 圖2是熔覆層打磨后表面形貌，其中，圖2a為表面圖，圖2b為截面圖。
[0012]圖3是激光快速成型拉伸力學試樣圖。
【具體實施方式】
[0013] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0014] -種高硬度不開裂激光熔覆層鐵基合金粉末，按照質量百分比，合金由以下元素 組成：我們的實驗結果表明：當合金中鉻含量低于15%時，會導致在后續的包覆過程中產 生明顯的表面氧化，使激光熔覆層的質量明顯下降；當鎳含量超過7%時，激光熔覆層出現 較多的奧氏體相，表面殘余應力為拉應力，有開裂的趨向；當硼含量高于〇. 15%、碳含量高 于0. 3%時，激光熔覆層的脆性明顯增大，其綜合機械性能明顯下降。綜合考慮各方面的因 素，本方案采用低碳、高鉻、少量硼、低鎳馬氏體型鐵基不銹鋼。具體配方如下：
[0015] Cr 為 16 ~17%，Ni 為 2. 0 ~5. 0%，B 為 0? 05 ~0? 15%，Si 為 0? 1 ~0? 7%，C 為0? 1~0.3%，余量為Fe。
[0016] 原理：常規的自熔性鐵基合金粉末為使熔點靠近共晶點，含有較高含量的B、Si元 素，而B、Si元素的增加能生成硬質相，從而提高熔覆層硬度，導致塑性下降，加大熔覆層開 裂性。奧氏體向馬氏體轉變過程中體積會增大，可通過調整Ni、B、Si等合金元素的含量誘 發馬氏體相變，來抵消殘余拉應力或將殘余拉應力轉變成殘余壓應力，從而有效避免裂紋 的產生。
[0017] -種高硬度不開裂激光熔覆層鐵基合金粉末的制備方法，具體按照以下步驟進 行：
[0018] 按照質量百分比，選取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，余量為Fe。將上述成分的合金真空熔煉、氣霧化即可。
[0019] 本發明的高硬度不開裂激光熔覆層鐵基合金粉末，采用水冷式氣幕氣道保護激光 側向送粉噴嘴裝置：用5KW橫流C0 2激光器，將噴砂處理過的110mmX45mmX15mm的基材 Q235鋼板放到實驗工作臺上，調整好激光器的噴嘴與基材的距離，采用側向同步送粉法，基 材由數控工作臺驅動。將合金粉末恪覆在基材表面，形成層尺寸為長90mmX寬40mmX厚 3mm的熔覆層。激光處理工藝參數為：激光功率為2200W-2500W，光斑直徑為3-5mm，掃描速 度為5-7mm/s，送粉速度為5-7g/min，搭接系數為0. 5-0. 7,保護氣體為氬氣。即可以制得高 質量、高硬度的激光熔覆層。
[0020] 1.高硬度不開裂專用鐵基合金復合粉末熔覆層的形貌分析：
[0021] 利用線切割將激光成形件沿熔覆層與基材結合面切開，得到熔覆層的形貌如圖1 所示。從圖1中可以看出，熔覆層兩端下垂中間凸起，可以判定熔覆層所受的殘余應力為壓 應力，經測量熔覆層長度為92mm，翹曲度為0? 8mm，殘余壓應力為530MPa。
[0022] 從圖2中表面和截面可以看出專用合金粉末熔覆層表面沒有裂紋氣孔等缺陷，成 形件質量良好，滿足不開裂要求。
[0023] 2.高硬度不開裂激光熔覆層鐵基合金粉末熔覆層硬度測試：
[0024] 本實驗采用TH320全洛氏硬度計測量其表面洛氏顯微硬度，實驗在室溫下進行， 實驗力為150Kg，保壓時間為6s。取10個點進行測量，從表1可以看出，涂層的平均洛氏硬 度為58. 58HRC(硬度最大值為62. 5HRC，硬度最小值為54. 9HRC)，滿足高硬度要求。
[0025] 表1涂層洛氏硬度
[0026]
[0027] 3.高硬度不開裂激光熔覆層鐵基合金粉末熔覆層拉伸強度測試：
[0028] 將試樣加工成圖3形狀，圖中尺寸單位mm，采用PWS-E100型電液伺服動靜萬能試 驗機，設拉伸速度為0. lmm/min，對試樣進行靜態拉伸試驗。測量結果顯示，試樣退火前的平 均拉伸強度1847MPa (最大拉伸強度為1867MPa，最小拉伸強度為1828MPa)，試樣600°C退火 后的平均拉伸強度為1460MPa (最大拉伸強度為1488MPa，最小拉伸強度為1424MPa)，說明 成形件力學性能穩定。
[0029] 綜上所述，本發明的鐵基合金粉末激光熔覆層沒有氣孔和夾渣等缺陷，馬氏體相 變誘發的熔覆層殘余壓應力有效抑制裂紋的產生，成形件整體質量好，并且強度和硬度高， 綜合力學性能好。
[0030] 實施例1
[0031] 按照質量百分比，選取16 %的Cr，2. 0 %的Ni，0? 05 %的B，0? 1 %的Si，0? 1 %的C， 余量為Fe。將上述成分的合金真空熔煉、氣霧化即可。
[0032] 實施例2
[0033] 按照質量百分比，選取17 %的Cr，5. 0 %的Ni，0? 15 %的B，0? 7 %的Si，0? 3 %的C， 余量為Fe。將上述成分的合金真空熔煉、氣霧化即可。
[0034] 實施例3
[0035] 按照質量百分比，選取16. 5 %的Cr，3 %的Ni，0? 1 %的B，0? 5 %的Si，0? 2 %的C， 余量為Fe。將上述成分的合金真空熔煉、氣霧化即可。
[0036] 實施例4
[0037] 按照質量百分比，選取16. 7 %的Cr，4 %的Ni，0? 08 %的B，0? 4 %的Si，0? 15 %的 C，余量為Fe。將上述成分的合金真空熔煉、氣霧化即可。
【主權項】
1. 一種高硬度不開裂激光熔覆層馬氏體鐵基合金粉末，其特征在于，按照質量百分比， 由以下原料組成： Cr 為 16 ~17 %，Ni 為 2. O ~5. O %，B 為 0? 05 ~0? 15 %，Si 為 0? 1 ~0? 7 %，C 為 0? 1~0? 3%，余量為Fe。2. -種高硬度不開裂激光熔覆層鐵基合金粉末的制備方法，其特征在于，具體按照以 下步驟進行：按照質量百分比，選取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，余量為Fe，將上述成分的合金真空熔煉、氣霧化即 可。
【專利摘要】本發明公開了高硬度不開裂激光熔覆層馬氏體鐵基合金粉末及其制備方法，按照質量百分比，選取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，余量為Fe，將上述成分的合金真空熔煉、氣霧化即可。本發明的激光熔覆專用馬氏體鐵基合金粉末，通過激光快速成型技術獲得熔覆層，平均洛氏硬度為58.58HRC，表面和截面無裂紋和氣孔等缺陷，并且利用馬氏體相變產生的體積膨脹效應使激光熔覆層殘余應力為壓應力，有效抑制裂紋的萌生擴展，能夠滿足激光熔覆層高硬度不開裂的使用要求。
【IPC分類】C22C38/54, C23C24/10, B22F1/00, B22F9/08
【公開號】CN105132824
【申請號】CN201510581192
【發明人】邱長軍, 張凈宜, 賀沅瑋, 陳勇
【申請人】南華大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年9月14日