CN109128204B - 一种FeCrNiB系高强高耐磨合金及其激光熔覆层的制备方法 - Google Patents

一种FeCrNiB系高强高耐磨合金及其激光熔覆层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于表面工程领域，为了解决现有的轨道表面硬度低及不耐腐蚀的缺点，本发明公开了一种FeCrNiB系高强高耐磨合金及其激光熔覆层的制备方法，其中，合金包括如下组分：10.0wt％～15.0wt％的Cr；1.20wt％～1.50wt％的Ni；1.10wt％～1.40wr％的B；0.70wt％～1.20wt％的Mo；0.80wt％～1.20wt％的Si；0.10wt％～0.20wt％的C；余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的激光熔覆层具有高强度、高耐磨性、耐蚀性强和较高表面硬度的有点。

Description

一种FeCrNiB系高强高耐磨合金及其激光熔覆层的制备方法
技术领域
本发明涉及表面工程领域，具体涉及一种一种FeCrNiB系高强高耐磨合金及其激光熔覆层的制备方法。
背景技术
随着高速轨道交通向着高运载能力、高运行速度以及高服役寿命方向的飞速发展，高速交通轨道表面高磨性、表面硬度以及耐腐蚀能力的提升越来越受到行业领域的重视。为适应可持续再制造以及绿色再制造的发展需要，激光熔覆技术作为表面工程的核心技术之一，已成功运用于高速轨道交通表面的制备及研发。高强高耐磨表面提升高速轨道表面力学性能，提升轨道服役寿命。因此，研发和应用高强高耐磨材料具有重要的国民经济意义。制备高强度、高耐磨性、耐蚀性强和较高表面硬度的轨道表面已经成为轨道交通领域的重要研究课题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种FeCrNiB系高强高耐磨合金及其激光熔覆层的制备方法，本发明实施例提供的合金涂层具有强度高、耐磨性高和耐腐蚀性强的优点。
本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
本发明第一方面的实施例提供了一种FeCrNiB系高强高耐磨合金，包括如下组分：
10.0wt％～15.0wt％的Cr；
1.20wt％～1.50wt％的Ni；
1.10wt％～1.40wr％的B；
0.70wt％～1.20wt％的Mo；
0.80wt％～1.20wt％的Si；
0.10wt％～0.20wt％的C；
余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步的，所述的合金的粒度为-50-150。
本发明第二方面的实施例提供了一种激光熔覆层的制备方法，包括如下步骤：
(1)配置冶炼合金，所述的合金为权利要求1或2所述的合金；
(2)采用高功率脉冲激光优化工艺制备打底层，激光工艺参数为：激光功率2.5～3kW，扫描速度7～10mm/s，载气流量180～200L/min，送粉速率为90～100rad/min，脉宽8～10ms，占空比5:1～10:1，制备的打底层厚度为0.4～1.2mm；
(3)调制脉冲激光输出波形如下：
脉冲激光波形为近梯形，激光熔覆功率为1.5～3.5kW，扫描速度为6～10mm/s，送粉速率为80～100rad/min，载气流量120～200L/min，光束为圆形光斑，光斑直径为3mm，离焦量为3mm，激光熔覆保护气体为氮气，脉宽为5～15ms，占空比为1:1～10:1；
(4)采用激光重熔技术，对涂层表面进行激光重熔处理，参数为：激光功率1.2～1.5kW，扫描速度为3～5mm/s，载气流量80～120L/min，脉宽8～10ms，占空比7:1～10:1，离焦量为12～15mm，光斑直径为8～10mm。
进一步的，所述的步骤(3)中参数为：采用激光功率1.5～2.0kW，扫描速度6～8mm/s，载气流量120～160L/min，送粉速率为40～60rad/min，脉宽6～10ms，占空比6:1～10:1，成形高度为3～5mm。
进一步的，所述的步骤(4)中所述的激光重熔参数设定为：激光功率0.6～1.0kW，扫描速度为2～4mm/s，光斑直径为5～7mm，离焦量为8～10mm。
借由上述方案，本发明一种一种FeCrNiB系高强高耐磨合金及其激光熔覆层的制备方法至少具备如下有益效果：
所述的激光熔覆用FeCrNiB系合金修复后，力学性能及耐腐蚀性能优于高速轨道交通用材料基体，实现一定程度内的过强匹配；
具有与常用的轨道交通用基体材料相近的密度和热膨胀系数，并通过对添加元素含量的激光工艺的控制，实现熔覆层残余应力和裂纹的控制，提升激光再制造高速轨道交通表面的成形性、表面强度以及耐腐蚀性，延长了轨道的服役寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明一实施例中FeCrNiB合金激光熔覆层显微组织。激光功率1500W，圆形光斑3mm，扫描速度6mm/s，送粉速率1.4r/min，气体流量3L/min。
图2是该FeCrNiB合金激光熔覆层显微硬度分布。激光功率2500W，圆形光斑3mm，扫描速度7mm/s，送粉速率1.4r/min，气体流量3L/min。
图3是该FeCrNiB合金激光熔覆层显微组织图。激光功率3500W，圆形光斑3mm，扫描速度12mm/s，送粉速率1.5r/min，气体流量3L/min。
图4是该FeCrNiB合金激光熔覆层显微组织图。激光功率1500W，圆形光斑3mm，扫描速度6mm/s，送粉速率1.4r/min，气体流量3L/min。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
以下结合附图以及示例性实施例，对本发明提供的激光熔覆制备FeCrNiB合金熔覆层方法进行详细说明。
本发明第一方面的实施例提供了一种FeCrNiB系高强高耐磨合金，包括如下组分：
10.0wt％～15.0wt％的Cr；
1.20wt％～1.50wt％的Ni；
1.10wt％～1.40wr％的B；
0.70wt％～1.20wt％的Mo；
0.80wt％～1.20wt％的Si；
0.10wt％～0.20wt％的C；
余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步的，所述的合金的粒度为-50-150。
本发明第二方面的实施例提供了一种激光熔覆层的制备方法，包括如下步骤：
(1)配置冶炼合金，所述的合金为权利要求1或2所述的合金；
(2)采用高功率脉冲激光优化工艺制备打底层，激光工艺参数为：激光功率2.5～3kW，扫描速度7～10mm/s，载气流量180～200L/min，送粉速率为90～100rad/min，脉宽8～10ms，占空比5:1～10:1，制备的打底层厚度为0.4～1.2mm；
(3)调制脉冲激光输出波形如下：
脉冲激光波形为近梯形，激光熔覆功率为1.5～3.5kW，扫描速度为6～10mm/s，送粉速率为80～100rad/min，载气流量120～200L/min，光束为圆形光斑，光斑直径为3mm，离焦量为3mm，激光熔覆保护气体为氮气，脉宽为5～15ms，占空比为1:1～10:1；
(4)采用激光重熔技术，对涂层表面进行激光重熔处理，参数为：激光功率1.2～1.5kW，扫描速度为3～5mm/s，载气流量80～120L/min，脉宽8～10ms，占空比7:1～10:1，离焦量为12～15mm，光斑直径为8～10mm。
进一步的，所述的步骤(3)中参数为：采用激光功率1.5～2.0kW，扫描速度6～8mm/s，载气流量120～160L/min，送粉速率为40～60rad/min，脉宽6～10ms，占空比6:1～10:1，成形高度为3～5mm。
进一步的，所述的步骤(4)中所述的激光重熔参数设定为：激光功率0.6～1.0kW，扫描速度为2～4mm/s，光斑直径为5～7mm，离焦量为8～10mm。
本发明中首先通过气雾化法冶炼该材料熔覆材料，在此过程中，应充分考虑不同元素的烧损规律，按照一定的顺序将原料真空熔炼，随后以氩气为雾化介质，雾化熔融合金，对雾化获得的球形合金化学成分进行测定，符合设计要求时，筛选出-50-150合金封存。
本发明提出一种FeCrNiB系高强高耐磨多组员合金，与同类铁基合金相比，该材料的表面硬度、耐磨性以及耐腐蚀性具有较大的提升。这是由于Ni、Cr、Mo等元素的填加，在晶内及晶间形成强化析出相，抑制晶间腐蚀作用，对晶界起到良好的钉扎效果，硬质相的生成进一步的提升了材料的硬度和强度。在激光高能量密度光束的辐照和重熔作用下，形成具有良好表面力学性能和耐腐蚀能力的合金熔覆层。
所述的激光熔覆用FeCrNiB系合金修复后，力学性能及耐腐蚀性能优于高速轨道交通用材料基体，实现一定程度内的过强匹配；
具有与常用的轨道交通用基体材料相近的密度和热膨胀系数，并通过对添加元素含量的激光工艺的控制，实现熔覆层残余应力和裂纹的控制，提升激光再制造高速轨道交通表面的成形性、表面强度以及耐腐蚀性，延长了轨道的服役寿命。
本发明提出一种FeCrNiB系合金激光熔覆层的制备方法，在冷焊条件实现制备过程，具体包括以下几个步骤：
步骤一：FeCrNiB系合金的冶炼。
(1)按如上所述化学成分的质量百分比准备好原材料，放入真空感应汽化炉中，在0.8～8Pa真空度条件下加热至1400～1850℃，使材料完全熔化；
(2)以惰性气体作为雾化介质，在4～6MPa高压下将步骤得到的熔融金属雾化5～10分钟，经冷凝后形成材料，采用筛选机优选粒度-50-150的合金，得到所述的FeCrNiB系激光再制造用合金。
步骤二：FeCrNiB合金激光熔覆层激光再制造。
(1)配置冶炼合金，控制材料组分在权利要求中各元素组分范围内且粒度为-50-150的合金；
(2)采用高功率脉冲激光优化工艺制备打底层，激光工艺参数为：激光功率2.5～3kW，扫描速度7～10mm/s，载气流量180～200L/min，送粉速率为90～100rad/min，脉宽8～10ms，占空比5:1～10:1，制备的打底层厚度为0.4～1.2mm；
(3)调制脉冲激光输出波形如权利3所述梯形，采用激光熔覆优化工艺参数：采用激光功率1.5～2.0kW，扫描速度6～8mm/s，载气流量120～160L/min，送粉速率为40～60rad/min，脉宽6～10ms，占空比6:1～10:1，成形高度为3～5mm；
(4)采用激光重熔技术，对涂层表面进行激光重熔处理。工艺参数为：激光功率1.2～1.5kW，扫描速度为3～5mm/s，载气流量80～120L/min，脉宽8～10ms，占空比7:1～10:1，离焦量为12～15mm，光斑直径为8～10mm。
本发明的激光再制造用FeCrNiB合金是根据高速轨道表面以及叶片类高转速部件体积及表面损伤特点，调整优化整Fe、Cr、Ni、B、C、Mo、Ni元素的质量百分比，实现材料表面力学性能和组织形态的优化。
本发明中的FeCrNiB合金中所包含的各元素的作用如下：
碳(C)元素：扩大奥氏体形成区，促使室温下马氏体组织的生成；形成各种碳化物，提升材料的强度和表面硬度。但考虑合金激光熔覆层的制备工艺和质量，应严格控制C含量在0.03％以下。
铬(Cr)元素：提高材料的表面耐腐蚀性，降低材料马氏体转变相变点，促进碳化物生成，提升材料的强度。在进行体积成形过程中，应适当降低该元素含量，一般应控制在12％以下，以避免新生成晶间相。
镍(Ni)元素：具有降低激光熔覆层残余应力的作用，但同时也促进了残余奥氏体的生成，应控制在含量范围内相对较低的水平。
硼(B)和硅(Si)元素：增强激光熔覆的熔池流动性，加强熔池的对流和搅拌能力，提高材料的成形性能，具有较好的脱氧造渣作用，对熔池具有较好的保护作用；并提高材料的强度和表面硬度，且硼元素容易在晶界偏聚，起到良好的钉扎作用。
一种FeCrNiB系合金及其激光熔覆层的制备方法，属于表面工程领域。先将10.0wt％～15.0wt％的Cr、1.20wt％～1.50wt％的Ni、1.10wt％～1.40wr％的B、0.70wt％～1.20wt％的Mo、0.80wt％～1.20wt％的Si和0.10wt％～0.20wt％的C以及余量Fe元素真空雾化冶炼为熔覆合金，粒度约为-50-150。
采用激光熔覆及激光重熔的方式制备具有高强高耐磨特性的激光熔覆层，打底层激光工艺参数：激光功率2.5～3kW，扫描速度7～10mm/s，载气流量180～200L/min，送粉速率为90～100rad/min，脉宽8～10ms，占空比5:1～10:1，光斑直径2.5mm，离焦量3mm，制备的打底层厚度为0.4～1.2mm，使熔覆层与基体间形成较高的结合强度；熔覆层立体成形制备的激光工艺：激光功率1.5～2.0kW，扫描速度6～8mm/s，载气流量120～160L/min，送粉速率为40～60rad/min，脉宽6～10ms，占空比6:1～10:1，光斑直径3mm，离焦量3mm，成形高度为3～5mm，实现该合金熔覆层三维体积成形；低功率重熔工艺：激光功率1.2～1.5kW，扫描速度为3～5mm/s，载气流量80～120L/min，脉宽8～10ms，占空比7:1～10:1，离焦量为12～15mm，光斑直径为8～10mm，实现熔覆层表面粗糙度的提升和残余应力的降低。
图2-4显示了本发明实施例中合金涂层的显微组织及其硬度分布，从图中可以看出，本发明合金涂层具有硬度高的有点。
实施例1
将表面受高速冲击交变载荷作用而产生减薄磨损的42CrMo钢进行预处理，以去除附着在其表面的油污及杂质，将损伤部位进行机械打磨，实现损伤缺损部位的去除和待熔覆表面的平整。将FeCrNiB合金送入干燥箱中，在150℃条件下，保温2小时。采用同轴送粉的方式，将干燥的FeCrNiB合金采用氩气气流输送至基体表面。激光熔覆所采用的激光功率为1500W，圆形光斑直径3mm，扫描速度6mm/s，送粉速率1.4r/min。激光熔覆保护气体为氩气，气体流量3L/min，激光熔覆所获得的FeCrNiB合金熔覆层厚度约为1mm，涂层平均硬度为750HV0.1，显微组织如图1所示，原位自生的铁基碳化物的硬化相，所述铁基碳化物呈网状或颗粒状分布在熔覆层晶内及晶间，起到良好的晶界钉扎和晶内强化作用。
根据轨道表面损伤结构和机理，可适当调整合金各主要组元含量，开发了不同配方的合金；结合修复特点下的不同激光工艺，实现针对性更强、效果更佳的高速交通轨道的修复和表面强化。
尽管本发明已对其优选方案进行了详细说明，但本领域技术人员仍可采取改变激光器类型、适当调整工艺参数、对FeCrNiB合金各成分进行微调等方案进行改进，在不脱离本发明设计思想的范围内，可以进行适当修改，这些变化均属本发明保护范围。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种激光熔覆层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)配制冶炼合金，所述的合金包括如下组分：
10.0wt％～15.0wt％的Cr；
1.20wt％～1.50wt％的Ni；
1.10wt％～1.40wr％的B；
0.70wt％～1.20wt％的Mo；
0.80wt％～1.20wt％的Si；
0.10wt％～0.20wt％的C；
余量为Fe和不可避免的杂质；
所述的合金的粒度为-50-150；
(2)采用高功率脉冲激光优化工艺制备打底层，激光工艺参数为：激光功率2.5～3kW，扫描速度7～10mm/s，载气流量180～200L/min，送粉速率为90～100rad/min，脉宽8～10ms，占空比5:1～10:1，制备的打底层厚度为0.4～1.2mm；
(3)调制脉冲激光输出波形如下：
脉冲激光波形为近梯形，激光熔覆功率为1.5～3.5kW，扫描速度为6～10mm/s，送粉速率为80～100rad/min，载气流量120～200L/min，光束为圆形光斑，光斑直径为3mm，离焦量为3mm，激光熔覆保护气体为氮气，脉宽为5～15ms，占空比为1:1～10:1；
(4)采用激光重熔技术，对涂层表面进行激光重熔处理，参数为：激光功率1.2～1.5kW，扫描速度为3～5mm/s，载气流量80～120L/min，脉宽8～10ms，占空比7:1～10:1，离焦量为12～15mm，光斑直径为8～10mm。
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