CN106480363B - 30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末及制备方法 - Google Patents

30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末及制备方法，所述激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为Cr0.8％‑1.0％，Mn0.75％‑1.10％，Si0.65％‑1.10％，Ni2.0％‑3.2％，C0.16％‑0.22％，Cu0.15％‑0.20％，P0.015％‑0.020％，S0.01％‑0.015％，稀土0.001％‑0.015％，余量为铁。本发明进一步提出熔覆粉末的制备方法，激光熔覆粉末专用于30CrMnSiNi2A钢的激光熔覆技术中，保证熔覆界面优异的结合强度、较低的冶金缺陷和降低的稀释率，且提高了熔覆层的韧性，改了熔覆粉的润湿性，抑制熔覆层开裂并延缓裂纹扩展速率。

Description

30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末及制备方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术，具体涉及30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末及制备方法。
背景技术
30CrMnSiNi2A超强钢因其具有较高的强度，好的塑性、韧性和淬透性，以及良好的抗疲劳和抗磨损性等，被广泛应用于航空重要锻件、钣金件和焊接件，如机翼大梁、连接螺栓、起落架等受力构件。30CrMnSiNi2A超强钢的抗拉强度(σb)可达1600～1800MPa，断裂韧度(KIc)可达105MPa/m，在油中冷却，淬透性截面直径可达到50mm以上。然而飞机在服役条件下的高频震动容易使零部件产生疲劳失效，其大多数裂纹起源于工件表面，其危害性是相当大的；此外，30CrMnSiNi2A对缺口较为敏感，关键部位出现腐蚀是非常危险的，采用传统的修复工艺容易出现裂纹，最重要的是会使工件产生超出公差要求的变形。近年来，激光熔覆技术发展迅速，广泛用于航空零件等的修复。
激光熔覆技术是一种采用激光束加热熔覆材料和基体表面，使所需特殊材料熔焊于零件表面的新型表面改性技术。激光熔覆的原理是指以不同的添料方式将熔覆材料添加到被熔覆基体的表面上，利用高能密度的激光辐射到基体表面，使基体表面薄层与熔覆材料快速熔化并凝固发生冶金结合，显著改善基体表面的耐磨耐蚀性。激光熔覆与传统表面工程相比，热输入量较低，材料的热变形小，耗能小，应用灵活，理论上可以在各种材料表层采用激光熔覆技术，且后续加工很小或不需要加工等。此外，激光熔覆过程中的急冷可以使熔覆层的组织更加致密，晶粒更加细化，从而使力学性能得到显著提高。
激光熔覆材料主要指形成熔凝层所用的材料，要获得性能理想的激光熔覆层，其熔覆材料的选择至关重要，必须应当满足零件工况和激光熔覆通用工艺要求。熔覆材料不但要具有良好的激光熔覆性能，而且熔覆材料应与基材有好的冶金相容性，能够形成均匀的结合界面。通常情况下，一是熔覆材料与基体金属热膨胀系数要尽可能相近，如果两者的热膨胀系数相差太大，则熔覆层易产生裂纹甚至剥落；二是熔覆材料与基体金属的熔点要相近；三是熔覆材料与基体金属之间应该具有良好的润湿性。
目前，专用的激光熔覆粉末材料短缺是制约激光熔覆技术工程应用与推广的关键因素之一。现有的诸多熔覆工艺的实施多以热喷涂粉末为原料，其存在的主要问题是因激光能量密度更大，导致熔覆过程中成分烧损严重，且粉末流动性不足。针对30CrMnSiNi2A超强钢基体的激光熔覆粉末相关研究报道较少，因其抗拉强度高达1600～1800MPa，断后伸长率保持在10％左右，采用激光熔覆难度较大，其困难在于难以保证激光熔覆层达到与母体一致或接近的强度和韧性匹配。现有技术中采用了Co50、Ni60、GH4169、AF1410、Fe90等多种现有的热喷涂粉末对30CrMnSiNi2A超强钢基体进行了熔覆修复，很难达到较好的效果。主要的质量缺陷为熔覆层稀释率高、熔覆层孔隙率高、熔覆层界面存在较多熔融不良、氧化夹杂和微裂纹、熔覆层氧化严重等。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末及制备方法。本发明的激光熔覆粉末的主要成分与30CrMnSiNi2A钢的组成接近，且本发明进一步提出了激光熔覆粉末的制备方法，本发明中的激光熔覆粉末专用于30CrMnSiNi2A超强钢的激光熔覆技术中，保证熔覆界面优异的结合强度、较低的冶金缺陷和降低的稀释率，且提高了熔覆层的韧性，改善了熔覆粉的润湿性，抑制熔覆层开裂并延缓裂纹扩展速率。
为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为：
30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉中各组分的量按重量百分比为：Cr 0.8％-1.0％，Mn 0.75％-1.10％，Si 0.65％-1.10％，Ni 2.0％-3.2％，C 0.16％-0.22％，Cu 0.15％-0.20％，P 0.015％-0.020％，S 0.01％-0.015％，稀土0.001％-0.015％，余量为铁。
本发明提出的30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末的进一步优选方案为：
其中，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉中各组分的量按重量百分比为：Cr0.85％-0.95％，Mn 0.85％-1.0％，Si 0.80％-1.0％，Ni 2.3％-3.0％，C 0.18％-0.20％，Cu 0.15％-0.18％，P 0.015％-0.018％，S 0.01％-0.013％，稀土0.005％-0.013％，余量为铁。
进一步优选为，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉中各组分的量按重量百分比为：Cr 0.90％-0.95％，Mn 0.90％-1.0％，Si 0.85％-0.90％，Ni 2.5％-2.7％，C 0.18％-0.19％，Cu 0.15％-0.17％，P 0.015％-0.016％，S 0.01％-0.013％，稀土0.008％-0.010％，余量为铁。
最优选为，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉中的各组分的量按重量百分比为：Cr 0.9％，Mn 1.0％，Si 0.85％，Ni 2.6％，C 0.19％，Cu 0.15％，P 0.015％，S 0.012％，稀土0.009％，余量为铁。
其中，稀土为La、Ce、Y中的至少一种，优选为La。
其中，本发明提出的30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级和纳米级的激光熔覆粉末的重量比为10-20:1。其中，微米级的激光熔覆粉末的平均粒径为40-200μm；纳米级的激光熔覆粉末的平均粒径为80-350nm。其中，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末的微观形貌为球形。
本发明提出的30CrMnSiNi2A超强钢专用激光熔覆粉的制备方法，本发明直接以30CrMnSiNi2A母材为激光熔覆粉末的主体原料，在所述主体原料的基础上通过添加Fe/Ni/稀土合金制备得到；制备方法包括将原料30CrMnSiNi2A棒材和Fe/Ni/稀土合金粉末混合熔融，再通过雾化造粒制备得到。其中，所述Fe/Ni/稀土合金粉末经过熔融、中间包精炼、高真空除氧精炼制成。
其中，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末的制备方法包括以下步骤：
步骤一：配料：按照权利要求1所述的激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料30CrMnSiNi2A棒材和Fe/Ni/稀土合金粉末；
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料进行熔炼，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-15℃--5℃的氩气气氛，雾化的压力为3-6MPa；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
其中，步骤三所述的雾化介质优选为-11℃--9℃的氩气气氛，雾化压力优选为4-5MPa。
其中，步骤二中所述的熔炼温度为1400－1500℃，保温时间为12-18小时。
其中，惰性气氛优选为氩气气氛。
本发明提出的30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末的制备方法中，优选在步骤三的雾化过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为20-30:1；使得在雾化过程中进一步降低熔覆粉末中的杂质。其中，步骤三的具体过程为：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-15℃--5℃的氩气气氛，雾化的压力为3-6MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为20-30:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
其中，步骤三所述的雾化步骤中，氩气和氢气的体积比优选为25-30:1。其中，氢气可以采用常温的气体。
本发明提出的一种30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末及制备方法的有益效果为：
(1)本发明得到的激光熔覆粉用于30CrMnSiNi2A超强钢中，使得熔覆层的主要组分与30CrMnSiNi2A超强钢基体保持一致，使其具有良好的润湿性、理化相容性及相近的熔点，使得熔覆界面具有优异的结合强度、较低的冶金缺陷和较低的稀释率。
(2)本发明对激光熔覆粉末中的碳当量进行了调控，并调控出合适的碳当量值，提高了熔覆层的韧性，达到强度和韧性的良好匹配。
(3)本发明的激光熔覆粉末中适当增加了Ni元素的含量，将Ni元素的含量调控在适当的范围内，有利于进一步提高熔覆粉末的润湿性及熔覆层的韧性及止裂能力，抑制熔覆层开裂并延缓裂纹扩展速率；同时激光熔覆粉末中含有微量稀土，能够细化晶粒，净化熔体，强化晶界，提高熔覆层的强韧性。
(4)本发明得到的激光熔覆粉末的尺寸包括微米级和纳米级粉末，其中进一步调控了微米级粉末与纳米级粉末的重量比，同时对微米级粉末尺寸和纳米级粉末尺寸进行了调控，使得激光熔覆粉末用于激光熔覆技术中形成的熔覆层的致密性大大提高，提高了熔覆层的质量。
(5)本发明提出的激光熔覆粉末的制备方法中，雾化步骤中首次采用了-15℃--5℃的氩气，进一步调控了熔覆粉末的尺寸，调控了熔覆粉末中微米级粉末与纳米级粉末的含量；并在雾化的同时通入少量的氢气进一步降低熔覆粉末的杂质含量。
(6)本发明提出的激光熔覆粉末形成的熔覆层的冲击韧性为428-475kJ/m2，抗拉强度为1570-1820MPa，延伸率为9％-13％。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细描述。
实施例1
30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末，其中，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：Cr 0.8％，Mn 0.75％，Si 0.65％，Ni 2.0％，C 0.16％，Cu0.15％，P 0.015％，S 0.01％，La 0.001％，余量为铁。
具体制备方法为：
步骤一：配料：按照上述激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料30CrMnSiNi2A棒材和Fe/Ni/La合金粉末。
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料置于高真空保护电炉中在氩气的保护下进行熔炼，熔炼温度为1400℃，保温时间12小时，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-15℃的氩气气氛，雾化的压力为3MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为25:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
得到的激光熔覆粉末中的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级的熔覆粉末和纳米级的熔覆粉末的重量比为10:1。
实施例2
一种30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末，其中，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：Cr 0.85％、Mn 0.85％、Si 0.80％、Ni 2.3％、C 0.18％、Cu 0.15％、P 0.015％、S 0.01％、La 0.005％，余量为铁。
具体制备方法为：
步骤一：配料：按照上述激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料30CrMnSiNi2A棒材和Fe/Ni/La合金粉末。
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料置于高真空保护电炉中在氩气的保护下进行熔炼，熔炼温度为1400℃，保温时间为15小时，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-14℃的氩气气氛，雾化的压力为3.5MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为25:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
得到的激光熔覆粉末中的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级的熔覆粉末和纳米级的熔覆粉末的重量比为12:1。
实施例3
一种30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末，其中，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：Cr 0.90％、Mn 0.90％、Si 0.85％、Ni 2.50％、C0.18％、Cu 0.15％、P 0.015％、S 0.01％、La 0.005％、Ce 0.003％，余量为铁。
具体制备方法为：
步骤一：配料：按照上述激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料30CrMnSiNi2A棒材和Fe/Ni/La/Ce合金粉末。
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料置于高真空保护电炉中在氩气的保护下进行熔炼，熔炼温度为1400℃，保温时间为15小时，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-13℃的氩气气氛，雾化的压力为3.5MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为25:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
得到的激光熔覆粉末中的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级的熔覆粉末和纳米级的熔覆粉末的重量比为13:1。
实施例4
一种30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末，其中，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：Cr 0.95％、Mn 1.0％、Si 0.90％、Ni 2.70％、C 0.19％、Cu 0.17％、P 0.016％、S 0.013％、La 0.010％，余量为铁。
具体制备方法为：
步骤一：配料：按照上述激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料30CrMnSiNi2A棒材和Fe/Ni/La合金粉末。
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料置于高真空保护电炉中在氩气的保护下进行熔炼，熔炼温度为1500℃，保温时间为12小时，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-11℃的氩气气氛，雾化的压力为3.5MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为23:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
得到的激光熔覆粉末中的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级的熔覆粉末和纳米级的熔覆粉末的重量比为14:1。
实施例5
一种30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末，其中，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：Cr 0.90％、Mn 1.0％、Si 0.85％、Ni 2.60％、C 0.19％、Cu 0.15％、P 0.015％、S 0.012％、La 0.009％，余量为铁。
具体制备方法为：
步骤一：配料：按照上述激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料30CrMnSiNi2A棒材和Fe/Ni/La/Ce合金粉末。
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料置于高真空保护电炉中在氩气的保护下进行熔炼，熔炼温度为1450℃，保温时间为15小时，得到合金熔液；
步骤三：雾化将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-10℃的氩气气氛，雾化的压力为4.5MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为23:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
得到的激光熔覆粉末中的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级的熔覆粉末和纳米级的熔覆粉末的重量比为16:1。
实施例6
一种30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末，其中，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：Cr 0.95％、Mn 1.0％、Si 1.0％、Ni 3.0％、C 0.20％、Cu0.18％、P 0.018％、S 0.013％、La 0.009％，Ce 0.004％余量为铁。
具体制备方法为：
步骤一：配料：按照上述激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料30CrMnSiNi2A棒材和Fe/Ni/La合金粉末。
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料置于高真空保护电炉中在氩气的保护下进行熔炼，熔炼温度为1400℃，保温时间为15小时，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-8℃的氩气气氛，雾化的压力为4MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为20:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
得到的激光熔覆粉末中的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级的熔覆粉末和纳米级的熔覆粉末的重量比为18:1。
实施例7
一种30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末，其中，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：Cr 1.0％、Mn 1.10％、Si 1.10％、Ni 3.2％、C 0.22％、Cu 0.20％、P 0.020％、S 0.015％、La 0.015％，余量为铁。
具体制备方法为：
步骤一：配料：按照上述激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料30CrMnSiNi2A棒材和Fe/Ni/La合金粉末。
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料置于高真空保护电炉中在氩气的保护下进行熔炼，熔炼温度为1400℃，保温时间为15小时，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-5℃的氩气气氛，雾化的压力为5MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为20:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
得到的激光熔覆粉末中的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级的熔覆粉末和纳米级的熔覆粉末的重量比为20:1。
性能测试：
采用大功率激光器在30CrMnSiNi2A超强钢上分别熔覆实施例1-实施例7的熔覆粉末，在30CrMnSiNi2A超强钢上形成熔覆层。
具体为：熔覆前分别对实施例1-实施例7的熔覆粉末进行烘干处理，对30CrMnSiNi2A超强钢带熔覆区进行清理，确保基体材料表面光亮并用丙酮清洗，以减少表面缺陷对激光工艺造成影响。粉末由送粉器送出，经过同轴送粉喷嘴送进激光熔池，熔覆过程中，采用氩气保护气体，良好的气体保护可以降低熔覆层缺陷的形成。最后在基体表面形成一层致密的熔覆层。激光熔覆参数采用同种基体材料激光熔覆优化参数。具体参数如下表所示。采用的是多道搭接熔覆技术，搭接率为40～50％，单道熔覆层高度不大于0.5mm。其中，激光熔覆参数为：激光功率1200W，扫描速度0.01m/s，送粉速率为Low挡，保护气速率400L/h。
采用优化的激光熔覆参数在30CrMnSiNi2A超强钢上制备一层熔覆层。宏观上熔覆层表面无明显缺陷。熔覆层形成均匀，色泽光亮一致。对熔覆层性能测试结果参见下表：
本发明的具体实施方式中凡未涉及到的说明属于本领域的公知技术，可供参考公知技术加以实施。
上述具体实施方式是对本发明提出的30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末及制备方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡事按照本发明提出的技术思想，在本技术方案的基础上所做出的任何同等变化或等效改变，均属于本发明技术方案保护范围。

Claims (9)

1.30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末，其特征在于，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：Cr 0.8％-1.0％，Mn 0.75％-1.10％，Si 0.65％-1.10％，Ni 2.0％-3.2％，C 0.16％-0.22％，Cu 0.15％-0.20％，P 0.015％-0.020％，S0.01％-0.015％，稀土0.001％-0.015％，余量为铁；所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级和纳米级的激光熔覆粉末的重量比为10-20:1。
2.根据权利要求1所述的30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末，其特征在于，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：Cr 0.85％-0.95％，Mn0.85％-1.0％，Si 0.80％-1.0％，Ni 2.3％-3.0％，C 0.18％-0.20％，Cu 0.15％-0.18％，P 0.015％-0.018％，S 0.01％-0.013％，稀土0.005％-0.013％，余量为铁。
3.根据权利要求1所述的30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末，其特征在于，所述30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：Cr 0.9％，Mn 1.0％，Si0.85％，Ni 2.6％，C 0.19％，Cu 0.15％，P 0.015％，S 0.012％，稀土0.009％，余量为铁。
4.根据权利要求1-3任一所述的30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末，其特征在于，所述稀土为La、Ce、Y中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末，其特征在于，所述微米级的激光熔覆粉末的粒径为40-200μm；所述纳米级的激光熔覆粉末的粒径为80-350nm。
6.30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：配料：按照权利要求1所述的激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料30CrMnSiNi2A棒材和Fe/Ni/稀土合金粉末；
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料进行熔炼，得到合金熔 液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金熔 液进一步雾化，雾化介质为-15℃--5℃的氩气气氛，雾化的压力为3-6MPa；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
7.根据权利要求6所述的30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末的制备方法，其特征在于，步骤三所述的雾化介质为-11℃--9℃的氩气气氛，雾化压力为4-5MPa。
8.根据权利要求6所述的30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末的制备方法，其特征在于，步骤三所述的雾化过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为20-30:1。
9.根据权利要求6所述的30CrMnSiNi2A钢用激光熔覆粉末的制备方法，其特征在于，步骤二中所述的熔炼温度为1400－1500℃，保温时间为12-18小时。
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