CN103966599A

CN103966599A - 用于激光熔覆的合金粉末及其制备方法

Info

Publication number: CN103966599A
Application number: CN201410224827.0A
Authority: CN
Inventors: 杨庆东; 董春春; 杨帆; 马文平; 杜学芸; 宋其伟
Original assignee: Dazu Remanufacturing Co of Shandong Energy Machinery Group
Current assignee: Dazu Remanufacturing Co of Shandong Energy Machinery Group
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2034-05-26
Also published as: CN103966599B

Abstract

本发明公开了一种用于激光熔覆的合金粉末，包括异种金属粉末及高粘性液体助熔剂，所述异种金属粉末包括如下质量百分数的成分：C0.01～0.05％、Si0.3～0.8％、Cr0.7％～1.2％、Ni0.5％～1％、Mo0.5％～0.9％、Nb0.08％～0.6％、Al3％～7％、Zr0.1％～0.3％、Ti0.05～0.15％、V0.03～0.10％，其余为Fe。本发明还公开了一种用于激光熔覆的合金粉末的制备方法。本发明的用于激光熔覆的合金粉末具有较好可焊性差并且粘度较高。

Description

用于激光熔覆的合金粉末及其制备方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，具体地，涉及一种用于激光熔覆的合金粉末及其制备方法。

背景技术

激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的合金涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。在该工艺过程中，添加的合金粉末在基材的界面上熔融，并与部分熔融的基材材料混合成混合粘贴层，因此基材与合金涂层材料之间的粘贴性，直接影响涂层效果。

由于激光熔覆可以得到具有多种特性的金属材料，而且还可以代替不容易买的高价金属。另外激光熔覆比起现有的等离子金属喷涂(plasmametallizing)工艺及电弧焊(arc welding)工艺，需要的热量少，可以进行局部加热处理，因此能最大限度的减少基材的变形。尤其是因为非接触工艺，所以不发生异物的介入，并且可以实现自动化。

在激光熔覆工艺中，合金粉末是通过粉末供给装置按照预设的供给速度注入到基材上。

常见的用于激光熔覆的合金粉末有，钨铬钴合金(stellite)、因科镍合金(inconel)、Fe-Cr-Ni-B合金、Fe-Cr-C-X合金以及铜合金等。

然而，现有的用于激光熔覆的合金粉末的可焊性差，粘度较低，如果控制不好激光熔覆工艺中注入合金粉末时配合使用的防止氧化的气体喷嘴的喷气速度，则合金粉末容易分散，很难进行精细涂敷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的用于激光熔覆的合金粉末的可焊性差，粘度较低。

本发明的技术方案如下：

一种用于激光熔覆的合金粉末，包括异种金属粉末及高粘性液体助熔剂，所述异种金属粉末包括如下质量百分数的成分：C0.01～0.05％、Si0.3～0.8％、Cr0.7％～1.2％、Ni0.5％～1％、Mo0.5％～0.9％、Nb0.08％～0.6％、Al3％～7％、Zr0.1％～0.3％、Ti0.05～0.15％、V0.03～0.10％，其余为Fe。

进一步：所述异种金属粉末的质量百分含量为50～60％，所述高粘性液体助熔剂的质量百分含量为40％～50％。

进一步：所述异种金属粉末包括如下质量百分数的成分：C0.01％、Si0.80％、Cr0.70％、Ni1.00％、Mo0.50％、Nb0.08％、Al7.0％、Zr0.10％、Ti0.15％、V0.10％，其余为Fe；或者，C0.05％、Si0.30％、Cr1.20％、Ni0.50％、Mo0.90％、Nb0.60％、Al3.0％、Zr0.30％、Ti0.05％、V0.03％，其余为Fe；或者，C0.027％、Si0.70％、Cr0.75％、Ni0.84％、Mo0.71％、Nb0.12％、Al5.9％、Zr0.14％、Ti0.12％、V0.09％，其余为Fe；或者，C0.034％、Si0.57％、Cr0.85％、Ni0.67％、Mo0.69％、Nb0.37％、Al4.6％、Zr0.19％、Ti0.09％、V0.05％，其余为Fe；或者，C0.045％、Si0.42％、Cr0.98％、Ni0.55％、Mo0.57％、Nb0.51％、Al4.1％、Zr0.26％、Ti0.06％、V0.04％，其余为Fe。

进一步：所述为高粘性液体助熔剂为AMCO446助熔剂。

进一步：所述用于激光熔覆的合金粉末的粘性系数为0.0001～0.0003m²/sec。

本发明所要解决得另一技术问题是现有的用于激光熔覆的合金粉末的制备方法得到的合金粉末的可焊性差，粘度较低。

本发明的另一技术方案如下：

一种用于激光熔覆的合金粉末的制备方法，包括：按照如下质量百分数的成分制备异种金属粉末：C0.01～0.05％、Si0.3～0.8％、Cr0.7％～1.2％、Ni0.5％～1％、Mo0.5％～0.9％、Nb0.08％～0.6％、Al3％～7％、Zr0.1％～0.3％、Ti0.05～0.15％、V0.03～0.10％，其余为Fe；将所述异种金属粉末和高粘性液体助熔剂混合得到所述用于激光熔覆的合金粉末。

进一步，所述异种金属粉末的制备方法为熔炼-惰性气体雾化法，包括：将混合好的所述异种金属粉末在氩气保护下在1300～1500℃熔炼并保温12～18小时得到所述异种金属粉末的熔液；将所述异种金属粉末的熔液雾化，所述雾化的介质为氩气，所述雾化的压力为4.5MPa；将所述雾化后的所述异种金属粉末磨细得到粒度≤100μm的所述异种金属粉末。

进一步，所述熔炼的装置为中频感应熔炼炉，所述雾化的装置为中间包。

进一步：按照所述异种金属粉末的质量百分含量为50～60％，所述高粘性液体助熔剂的质量百分含量为40％～50％的比例混合，所述高粘性液体助熔剂为AMCO446助熔剂。

进一步：所述混合的温度为17～20℃，所述混合的时间为15～20分钟。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的用于激光熔覆的合金粉末具有较好可焊性差并且粘度较高。

2、本发明的用于激光熔覆的合金粉末的制备方法可以制备具有较好可焊性差并且粘度较高的合金粉末。

具体实施方式

下面为了更好地理解本发明，结合实施例详细说明技术方案。

实施例1

异种金属粉末的制备方法为熔炼-惰性气体雾化法，具体步骤如下：按照如下质量比很合异种金属粉末：C0.01％、Si0.80％、Cr0.70％、Ni1.00％、Mo0.50％、Nb0.08％、Al7.0％、Zr0.10％、Ti0.15％、V0.10％，其余为Fe。将混合好的异种金属粉末在氩气保护下在1300℃熔炼并保温18小时得到所述异种金属粉末的熔液。将异种金属粉末的熔液雾化，雾化的介质为氩气，雾化的压力为4.5MP。将雾化后的异种金属粉末磨细得到粒度≤100μm的异种金属粉末。

将异种金属粉末和高粘性液体助熔剂AMCO446助熔剂(美国焊材与焊剂公司American Solder&amp；Flux Co.，InC.)混合得到用于激光熔覆的合金粉末。其中，异种金属粉末的质量百分含量为57％，高粘性液体助熔剂的含量为43％。混合的温度为18℃，混合的时间为19分钟。

通过Hagen-poiseille方程测定制备得到的用于激光熔覆的合金粉末的粘性系数为0.00015m²/sec。

实施例2

异种金属粉末的制备方法为熔炼-惰性气体雾化法，具体步骤如下：按照如下质量比很合异种金属粉末：C0.05％、Si0.30％、Cr1.20％、Ni0.50％、Mo0.90％、Nb0.60％、Al3.0％、Zr0.30％、Ti0.05％、V0.03％，其余为Fe。将混合好的异种金属粉末在氩气保护下在1370℃熔炼并保温16小时得到所述异种金属粉末的熔液。将异种金属粉末的熔液雾化，雾化的介质为氩气，雾化的压力为4.5MP。将雾化后的异种金属粉末磨细得到粒度≤100μm的异种金属粉末。

将异种金属粉末和高粘性液体助熔剂AMCO446助熔剂混合得到用于激光熔覆的合金粉末。其中，异种金属粉末的质量百分含量为60％，高粘性液体助熔剂的含量为40％。混合的温度为17℃，混合的时间为20分钟。

通过Hagen-poiseille方程测定制备得到的用于激光熔覆的合金粉末的粘性系数为0.0001m²/sec。

实施例3

异种金属粉末的制备方法为熔炼-惰性气体雾化法，具体步骤如下：按照如下质量比很合异种金属粉末：C0.027％、Si0.70％、Cr0.75％、Ni0.84％、Mo0.71％、Nb0.12％、Al5.9％、Zr0.14％、Ti0.12％、V0.09％，其余为Fe。将混合好的异种金属粉末在氩气保护下在1500℃熔炼并保温12小时得到所述异种金属粉末的熔液。将异种金属粉末的熔液雾化，雾化的介质为氩气，雾化的压力为4.5MP。将雾化后的异种金属粉末磨细得到粒度≤100μm的异种金属粉末。

将异种金属粉末和高粘性液体助熔剂AMCO446助熔剂混合得到用于激光熔覆的合金粉末。其中，异种金属粉末的质量百分含量为53％，高粘性液体助熔剂的含量为47％。混合的温度为20℃，混合的时间为15分钟。

通过Hagen-poiseille方程测定制备得到的用于激光熔覆的合金粉末的粘性系数为0.00026m²/sec。

实施例4

异种金属粉末的制备方法为熔炼-惰性气体雾化法，具体步骤如下：按照如下质量比很合异种金属粉末：C0.034％、Si0.57％、Cr0.85％、Ni0.67％、Mo0.69％、Nb0.37％、Al4.6％、Zr0.19％、Ti0.09％、V0.05％，其余为Fe。将混合好的异种金属粉末在氩气保护下在1400℃熔炼并保温15小时得到所述异种金属粉末的熔液。将异种金属粉末的熔液雾化，雾化的介质为氩气，雾化的压力为4.5MP。将雾化后的异种金属粉末磨细得到粒度≤100μm的异种金属粉末。

将异种金属粉末和高粘性液体助熔剂AMCO446助熔剂混合得到用于激光熔覆的合金粉末。其中，异种金属粉末的质量百分含量为50％，高粘性液体助熔剂的含量为50％。混合的温度为18℃，混合的时间为17分钟。

通过Hagen-poiseille方程测定制备得到的用于激光熔覆的合金粉末的粘性系数为0.0003m²/sec。

实施例5

异种金属粉末的制备方法为熔炼-惰性气体雾化法，具体步骤如下：按照如下质量比很合异种金属粉末：C0.045％、Si0.42％、Cr0.98％、Ni0.55％、Mo0.57％、Nb0.51％、Al4.1％、Zr0.26％、Ti0.06％、V0.04％，其余为Fe。。将混合好的异种金属粉末在氩气保护下在1450℃熔炼并保温16小时得到所述异种金属粉末的熔液。将异种金属粉末的熔液雾化，雾化的介质为氩气，雾化的压力为4.5MP。将雾化后的异种金属粉末磨细得到粒度≤100μm的异种金属粉末。

将异种金属粉末和高粘性液体助熔剂AMCO446助熔剂混合得到用于激光熔覆的合金粉末。其中，异种金属粉末的质量百分含量为55％，高粘性液体助熔剂的含量为45％。混合的温度为18℃，混合的时间为19分钟。

通过Hagen-poiseille方程测定制备得到的用于激光熔覆的合金粉末的粘性系数为0.00021m²/sec。

实施例1～5中选用的高粘性液体助熔剂在激光熔覆过程中既能防止合金粉末和基材的氧化，提高粘贴效果，并且防止基材及液体助熔剂的过热，使其能维持良好的粘贴效果。该高粘性液体助熔剂需要满足低温工作条件，因此需要选择低温焊接用液体助熔剂AMCO446助熔剂。

实施例1～5中制备的粘性系数为0.0001～0.0003m²/sec。如果粘度系数超过上述范围，则粘度过大，使输送合金粉末不容易；如果低于上述范围则不容易涂敷具有倾斜面的基材下部。

将实施例1～5制备得到的用于激光熔覆的合金粉末对矿用液压支架立柱进行激光熔覆后，对得到的立柱进行试验测试，其结果如表1所示。其中可焊性采用碳当量经验公式得到：

w＝w(C)+1/6[w(Mn)]+1/5[w(Cr)+w(Mo)+w(V)]+1/15[w(Ni)+w(Cu)]，其中w表示每种成分的质量百分含量。其中，当w<0.4％～0.6％时，焊接性良好。

表1矿用液压支架立柱激光熔覆合金粉末后的性能

实施例	熔覆层强度/MPa	HRC硬度	耐盐雾时间/h	可焊性	延伸率
						1	349	44	96	0.56％	12％
2	374	47	104	0.51％	15％
						3	385	52	103	0.39％	14％
4	411	58	115	0.36％	19％
						5	381	53	105	0.40％	18％

从上表可以看出，使用上述用于激光熔覆的合金粉末，使其以均匀的速度喷洒于基材上，能够更好地与基材表层物质粘贴混合，提高激光熔覆的熔覆层效果，该熔覆层具有高强、耐磨、耐腐蚀、可焊性好以及延伸率高的效果。

C含量的提高使得可焊性变差，因此，将C的质量百分含量控制在0.01～0.05％。Si含量的提高使得熔覆层强度、HRC硬度提高以及耐盐雾时间增长，但会使可焊性变差，因此，将Si的质量百分含量控制在0.3～0.8％。Cr含量的提高使得熔覆层强度、HRC硬度提高以及耐盐雾时间增长，但是Cr含量高会降低冲击韧性，因此，将Cr的质量百分含量控制在0.7％～1.2％。Ni含量的提高使得熔覆层强度提高以及耐盐雾时间增长，但是，Ni含量高容易使熔覆层出现裂缝，因此，将Ni的质量百分含量控制在0.5％～1％。Mo含量的提高使得熔覆层强度、HRC硬度提高，耐盐雾时间增长以及延伸率变大，但是，Mo含量高会降低抗氧化性，因此，将Mo的质量百分含量控制在0.5％～0.9％。Nb可以细化晶粒，提高耐磨性(即HRC硬度)以及抗浓硝酸侵蚀性能，但是，Nb含量高使可焊性变差，因此，将Nb的含量控制在0.08％～0.6％。Al含量的提高耐盐雾时间增长，但是Al含量高会降低强度，因此，将Al的含量控制在3％～7％。Zr可以抑制合金的再结晶和晶粒长大，提高耐磨性(即HRC硬度)，以及改善焊接性能，但是Zr价格较高，因此，将Zr的含量控制在0.1％～0.3％。Ti含量的提高使得熔覆层强度提高，可焊性提高，但Ti含量高会降低韧性，因此，将Ti的含量控制在0.05～0.15％。V含量的提高使得HRC硬度提高，可焊性提高，但Ti含量高会降低熔覆层强度，因此，将V的含量控制在0.03～0.10％。

通过实施例1～5还发现，当C的含量增加时，Si的含量减少，C和Si的总含量在0.35％～0.81之间时，该用于激光熔覆的合金粉末的与激光熔覆相关各项性能均较好。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种用于激光熔覆的合金粉末，其特征在于，包括异种金属粉末及高粘性液体助熔剂，所述异种金属粉末包括如下质量百分数的成分：C0.01～0.05％、Si0.3～0.8％、Cr0.7％～1.2％、Ni0.5％～1％、Mo0.5％～0.9％、Nb0.08％～0.6％、Al3％～7％、Zr0.1％～0.3％、Ti0.05～0.15％、V0.03～0.10％，其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的用于激光熔覆的合金粉末，其特征在于：所述异种金属粉末的质量百分含量为50～60％，所述高粘性液体助熔剂的质量百分含量为40％～50％。

3.根据权利要求1或2所述的用于激光熔覆的合金粉末，其特征在于：所述异种金属粉末包括如下质量百分数的成分：

C0.01％、Si0.80％、Cr0.70％、Ni1.00％、Mo0.50％、Nb0.08％、Al7.0％、Zr0.10％、Ti0.15％、V0.10％，其余为Fe；或者，

C0.05％、Si0.30％、Cr1.20％、Ni0.50％、Mo0.90％、Nb0.60％、Al3.0％、Zr0.30％、Ti0.05％、V0.03％，其余为Fe；或者，

C0.027％、Si0.70％、Cr0.75％、Ni0.84％、Mo0.71％、Nb0.12％、Al5.9％、Zr0.14％、Ti0.12％、V0.09％，其余为Fe；或者，

C0.034％、Si0.57％、Cr0.85％、Ni0.67％、Mo0.69％、Nb0.37％、Al4.6％、Zr0.19％、Ti0.09％、V0.05％，其余为Fe；或者，

C0.045％、Si0.42％、Cr0.98％、Ni0.55％、Mo0.57％、Nb0.51％、Al4.1％、Zr0.26％、Ti0.06％、V0.04％，其余为Fe。

4.根据权利要求3所述的用于激光熔覆的合金粉末，其特征在于：所述为高粘性液体助熔剂为AMCO446助熔剂。

5.根据权利要求4所述的用于激光熔覆的合金粉末，其特征在于：所述用于激光熔覆的合金粉末的粘性系数为0.0001～0.0003m²/sec。

6.一种用于激光熔覆的合金粉末的制备方法，其特征在于，包括：

按照如下质量百分数的成分制备异种金属粉末：C0.01～0.05％、Si0.3～0.8％、Cr0.7％～1.2％、Ni0.5％～1％、Mo0.5％～0.9％、Nb0.08％～0.6％、Al3％～7％、Zr0.1％～0.3％、Ti0.05～0.15％、V0.03～0.10％，其余为Fe；

将所述异种金属粉末和高粘性液体助熔剂混合得到所述用于激光熔覆的合金粉末。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述异种金属粉末的制备方法为熔炼-惰性气体雾化法，包括：

将混合好的所述异种金属粉末在氩气保护下在1300～1500℃熔炼并保温12～18小时得到所述异种金属粉末的熔液；

将所述异种金属粉末的熔液雾化，所述雾化的介质为氩气，所述雾化的压力为4.5MPa；

将所述雾化后的所述异种金属粉末磨细得到粒度≤100μm的所述异种金属粉末。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的装置为中频感应熔炼炉，所述雾化的装置为中间包。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：按照所述异种金属粉末的质量百分含量为50～60％，所述高粘性液体助熔剂的质量百分含量为40％～50％的比例混合，所述高粘性液体助熔剂为AMCO446助熔剂。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述混合的温度为17～20℃，所述混合的时间为15～20分钟。