CN105039869B

CN105039869B - 一种马氏体不锈钢零件激光再制造用合金粉末及制备方法

Info

Publication number: CN105039869B
Application number: CN201510491016.1A
Authority: CN
Inventors: 董世运; 方金祥; 闫世兴; 宋超群; 徐滨士; 冯祥奕; 刚肖
Original assignee: Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Current assignee: Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2017-10-27
Anticipated expiration: 2035-08-11
Also published as: CN105039869A

Abstract

本发明提供了一种FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末及制备方法，所述的合金粉末的化学成分按质量百分比为：C：0.01～0.3％；Cr：12～17％；Ni：3～7％；Mo：0.4～2％；Mn：0.1～2％；Nb：0.15～0.55％；Cu：0～3％；Si：0.05～2％；B：0～1.6％；Fe：余量。所述的合金粉末的制备方法为真空熔炼‑高压气雾化法。本发明通过添加沉淀硬化元素、脱氧造渣元素、降低马氏体相变点元素，并调整各元素的质量百分比含量，使合金粉末具有与FV520B材料相近的密度和热膨胀系数，并利用马氏体相变伴随效应，降低残余应力水平，大大缓解了裂纹及变形等问题，解决并提高了合金粉末在激光再制造FV520B零件时的成形性、抗裂性和工艺稳定性。

Description

一种马氏体不锈钢零件激光再制造用合金粉末及制备方法

技术领域

本发明属于合金粉末材料科学技术领域，具体是涉及FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末及制备方法。

背景技术

FV520B是一种低碳马氏体沉淀硬化不锈钢，具有强度高、韧性好、耐磨损、耐腐蚀和易于加工等优点，主要用于大型压缩机、鼓风机和航空发动机的叶轮、叶片、转子等核心零部件。该类零部件通常较为昂贵，生产成本极高，由于使用其的工作环境十分恶劣，造成其寿命较短、容易失效，例如目前在西气东输工程中使用的大型离心式压缩机叶片，受热应力和气体腐蚀的影响，叶片容易萌生裂纹并扩展产生断裂，造成整体失效，甚至对整个机组造成重大损失。

此零件失效后如直接报废，将造成巨大的经济损失和资源浪费，对其进行再制造修复是目前最为经济、环保的可行方法。常用的再制造修复方法中，热喷涂法制备的涂层与基体结合强度不高，涂层易发生脱落；固溶渗氮法只能对表面微损伤进行修复，无法修复体积损伤；堆焊热输入过大，成形精度较低。激光再制造技术采用激光作为热源，凭借对准和成形精度高、热影响区和形变量小、加工柔性好、可自由移动等的优点，能较好地实现上述零件的再制造修复，有效延长零件的使用寿命。

目前，国内外市场上激光再制造专用的合金粉末并不多见，尤其是适用于FV520B零件激光再制造的粉末尚未见报道。该类零件的修复基本上采用热喷涂专用合金粉末，或在此类粉末基础上微调合金元素比例，并用机械混合的方法配制所需的合金粉末。上述粉末在激光再制造过程中会产生过大的残余应力，可能会引起工件变形，甚至诱发裂纹；另外，此类粉末往往韧性较差，且同再制造基体热膨胀系数及密度相差较大，而叶轮服役过程中将受到应力和热的周期性载荷，这就容易在结合部位造成应力集中，影响服役安全和使用寿命。因此，亟需开发一种专用于FV520B零件激光再制造的合金粉末，其适用于高物性匹配、高韧性、低应力、无裂纹修复层的制备，该类粉末将具有重大的社会、经济效益。

目前，大多数已开发的激光再制造专用合金粉末并未明确所适用的损伤类型。但合金粉末用于修复体积损伤时，应侧重提高材料的强度和塑性，而用于修复表面损伤时，则应侧重于强度和表面硬度的提高。为满足上述要求，可对粉末中合金元素的比例进行微调，使合金粉末针对性更强，修复效果更好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与FV520B材料热膨胀系数和密度相近、并利用马氏体相变伴随效应提高抗裂性的FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末，制备其的方法，及其在激光再制造修复FV520B零件中的应用。

在第一方面中，本发明提供了一种FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末，其是在FV520B材料的基础上，通过调整C、Cr、Ni、Mo、Mn、Nb、Cu、Si和Fe元素的质量百分比和/或添加B元素，进行合金粉末的设计。

在本发明的FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末中，所述的合金粉末由C、Cr、Ni、Mo、Mn、Nb、Cu、Si、B和Fe元素组成；各组分的质量百分比如下：C：0.01～0.3％；Cr：12～17％；Ni：3～7％；Mo：0.4～2％；Mn：0.1～2％；Nb：0.15～0.55％；Cu：0～3％；Si：0.05～2％；B：0～1.6％；Fe：余量。

在一种优选的实施方式中，本发明的合金粉末用于FV520B不锈钢零件的体积损伤修复，所述的合金粉末的化学成份按质量百分比为：C：0.03％；Cr：14％；Ni：5％；Mo：1.4％；Mn：0.6％；Nb：0.3％；Cu：2％；Si：0.35％；Fe：余量。

在另一种优选的实施方式中，本发明的合金粉末用于FV520B不锈钢零件的表面损伤修复，所述的合金粉末的化学成份按质量百分比为：C：0.15％；Cr：16％；Ni：5.5％；Mo：1.4％；Mn：0.6％；Nb：0.3％；Cu：1％；Si：1.2％；B：0.8％；Fe：余量。

在第二方面中，本发明提供了FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末的制备方法，其通过配料、真空熔炼、高压气雾化、筛分等工序制备而成，粒度为120～350目。

在一种优选的实施方式中，本发明的FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末的制备方法包括以下步骤：

步骤一：按如上所述化学成份的质量百分比准备好原材料，放入真空感应气雾化炉中，在0.6～10Pa真空度条件下加热至1500～1550℃，使粉末完全熔化；

步骤二：以惰性气体作为雾化介质，在4.5～5MPa高压下将步骤一得到的熔融金属雾化5～10分钟，经冷凝后形成粉末，用筛粉机选出粒度为120～350目的合金粉末，得到所述的FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末。

在第三方面中，本发明提供了所述的合金粉末在FV520B不锈钢零件激光再制造中的应用，其中，在实际熔覆操作中可以采用功率为1000～4000W的光纤激光器，工艺参数为：功率1000～3000W，离焦量10～15mm，光斑直径2～4mm，扫描速度3～10mm/s，送粉量0.1～0.32g/s。

本发明的FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末是在FV520B材料基础上，根据体积损伤和表面损伤的不同特点，调整C、Cr、Ni、Mo、Mn、Nb、Cu、Si和Fe元素的质量百分比和/或添加B元素。

本发明的FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末中所包含的各元素的作用如下：

碳(C)元素：能够平衡铁素体，扩大奥氏体区，保证室温下形成马氏体组织；能够形成各种碳化物，提高材料的强度和硬度。C含量的增加能提高材料的强度和硬度，同时使塑性和耐腐性变差。对于体积损伤修复，C含量应控制在0.05％以内；而表面损伤修复时，碳含量可微调到高至0.3％。

铬(Cr)元素：提高材料的耐蚀性，减低材料的马氏体相变点，是强烈的铁素体形成元素，能形成碳化物提高材料的强度。对于体积损伤修复，Cr含量应降至14％左右，避免晶界铁素体的形成；对于表面损伤修复，应该适当提高Cr含量到高至17％，以便形成Cr的碳化物，提高材料的强度和硬度。

镍(Ni)元素：具有平衡铁素体和降低马氏体相变点的作用，Ni含量应控制在合理范围内，以控制修复过程中残余应力的大小；Ni含量过高将增加残余奥氏体，过低则产生铁素体。

钼(Mo)元素：强碳化物形成元素，能产生沉淀硬化效应，提高材料耐蚀性，并降低P的有害作用；同时Mo含量的增加会导致奥氏体区域扩大。

锰(Mn)元素：可扩大奥氏体区域，能脱氧脱硫，降低S的有害作用，并配合B、Si脱氧造渣，Mn可先形核，为NbC沉淀创造条件。

铌(Nb)元素：强碳化物形成元素，Nb可优先于Cr同C结合，避免形成大量Cr的碳化物，防止晶界弱化和晶界腐蚀，并起到沉淀强化的作用。

铜(Cu)元素：具有增强沉淀强化效应，对于体积损伤修复，适当提高Cu含量，可产生强烈的沉淀硬化效应；但Cu是易偏析元素，应严格控制其添加量；应当注意，对于可以后续热处理的情况下，粉末可以加入Cu元素，对于不能进行热处理的情况下，不需要加入Cu元素。

硼(B)和硅(Si)元素：增加熔池流动性，提高材料的成形性能，脱氧造渣，保护熔池；同时B、Si会增加材料的硬度和强度，降低其塑性，且B为易偏聚元素，容易在晶界偏聚；对于体积损伤修复，应不添加B并例如添加约0.35％的Si，以确保材料的塑韧性；对于表面损伤修复，例如可添加0.8％的B和1.2％的Si，以增加材料的强度、硬度和耐磨性。

本发明的优点在于：所述FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末，修复后结构力学性能同基体类似，且具有与FV520B材料相近的密度和热膨胀系数，并且利用马氏体相变体积效应，可缓解残余应力和裂纹的产生，解决并提高合金粉末在激光再制造FV520B零件时的成形性、抗裂性和工艺稳定性；此外，本发明还针对FV520B零件体积损伤和表面损伤修复的不同特点，开发了不同配方的合金粉末，使合金粉末针对性更强，修复效果更好。

附图说明

图1为根据本发明的FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末的SEM图；

图2为根据本发明方法制备的FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末试样的应力-应变图；

图3为根据本发明方法制备的FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末和FV520B不锈钢零件的膨胀系数-温度对比图。

具体实施方式

在本文中，所描述的具体实施方式仅为示例性的，并不意图对本发明的范围构成任何限定。本发明的保护范围仅通过权利要求所要求保护的范围来限定。

实施例一

在本实施例中，提供了一种FV520B不锈钢零件体积损伤激光熔覆再制造用合金粉末，用于FV520B不锈钢零件的体积损伤修复，所述合金粉末的化学成份按质量百分比为：C：0.03％；Cr：14％；Ni：5％；Mo：1.4％；Mn：0.6％；Nb：0.3％；Cu：2％；Si：0.35％；Fe：余量。

上述合金粉末的制备方法，包括以下过程：

1、将Fe、Cr、Si、Ni、C、Mo、Nb、Mn、Cu按上述重量百分比配比，准备好制作金属粉末的原材料；

2、按熔炼工艺的要求开始熔炼，熔化温度约为1500-1550℃；

3、当金属在炉内完全熔化后，进行造渣，去除金属液中的杂质；

4、进行精炼，浇注前加入本领域常规脱氧剂进行脱氧；

5、浇注钢锭，脱模冷却后，分析化学成份，合格后转入下道工序；

6、将合金料重新装入制粉设备的熔炼炉中，经过熔炼-除渣-脱氧-精炼，随后进行金属粉末的雾化，雾化时间为10～30分钟；

7、使用高压气体作为气刀，对熔化后经漏嘴约束后成一细流的熔融金属液流进行切割，雾化成极微小的金属液滴，最后凝固成合金粉末；

8、凝固后的金属粉末，在高温时还是相当容易氧化的，所以须在无氧或低氧的环境下让其冷却到室温，才能减少粉末的含氧量；

9、干燥后的金属粉末，先取样进行化学成份的化验，如果合格，再按用户的要求进行筛分，包装入库。

在图1中示出根据上述方法制备的粉末的SEM图。使用所述合金粉末，采用的激光再制造工艺参数为：功率1000～3000W，离焦量10～15mm，光斑直径2～4mm，扫描速度3～10mm/s，送粉量0.1～0.32g/s。采用所述合金粉末制得的试样的拉伸性能如图2所示，该试样的膨胀系数同FV520B锻件的比较结果如图3所示。

实施例二

在本实施例中，提供了一种FV520B不锈钢零件体积损伤激光熔覆再制造用合金粉末，用于FV520B不锈钢零件的表面损伤修复，所述合金粉末的化学成份按重量百分比为：C：0.15％；Cr：16％；Ni：5.5％；Mo：1.4％；Mn：0.6％；Nb：0.3％；Cu：1％；Si：1.2％；B：0.8％；Fe：余量。

所述合金粉末的制备方法与实施例一中所涉及的制备方法相同，不同之处仅在于各元素组成的质量百分比。

实施例三-九

在下文的表1中，示出本发明实施例三至实施例九的FV520B不锈钢零件体积损伤激光熔覆再制造用合金粉末中各元素组成及其质量百分含量，所述合金粉末的制备方法均与实施例一中所涉及的制备方法相同，不同之处仅在于各元素组成的质量百分比(未示出百分号％)。

表1

	C	Cr	Ni	Mo	Mn	Nb	Cu	Si	B	Fe
											实施例三	0.01	13	7	1.2	1.3	0.20	1.2	0.38	0	余量
实施例四	0.05	12	4	2	1	0.36	0	0.33	0	余量
											实施例五	0.04	12.5	3.8	1	1.5	0.15	2.6	0.36	0	余量
实施例六	0.30	15	6	0.8	2	0.26	0.8	1.1	0.9	余量
											实施例七	0.20	17	4.5	0.4	1.1	0.28	0	1.3	0.7	余量
实施例八	0.10	16.5	3	1.8	0.1	0.55	0	2	1.2	余量
											实施例九	0.25	14.5	6.5	1.6	0.9	0.45	3	1.5	1.6	余量

Claims

1.一种FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末，其特征在于：所述合金粉末用于FV520B不锈钢零件的体积损伤修复，各组分按质量百分比为：C：0.03％；Cr：14％；Ni：5％；Mo：1.4％；Mn：0.6％；Nb：0.3％；Cu：2％；Si：0.35％；Fe：余量。

2.一种FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末，其特征在于：所述合金粉末用于FV520B不锈钢零件的表面损伤修复，各组分按质量百分比为：C：0.15％；Cr：16％；Ni：5.5％；Mo：1.4％；Mn：0.6％；Nb：0.3％；Cu：1％；Si：1.2％；B：0.8％；Fe：余量。

3.根据权利要求1或2所述的FV520B不锈钢零件激光再制造用合金粉末的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：按权利要求1或2所述的各组分质量百分比准备好原材料，放入真空感应气雾化炉中，在0.6～10Pa真空度条件下加热至1500～1550℃，使粉末完全熔化；

4.根据权利要求1或2所述的合金粉末或者根据权利要求3所述的制备方法制备得到的合金粉末在FV520B不锈钢零件激光再制造中的应用，其特征在于：所述合金粉末用于FV520B不锈钢零件的体积损伤修复和/或表面损伤修复。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：在熔覆操作中采用功率为1000～4000W的光纤激光器。

6.根据权利要求4或5所述的应用，其特征在于：所述熔覆操作所涉及的工艺参数为：功率1000～3000W，离焦量10～15mm，光斑直径2～4mm，扫描速度3～10mm/s，送粉量0.1～0.32g/s。