CN112626515B - 一种提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法，包括下列步骤：(1)称取Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼，作为配置强化粉末的原料；(2)对Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼进行球磨混合，得到所述强化粉末；(3)对所述强化粉末进行筛选；(4)将筛选后的所述强化粉末干燥；并对待熔覆工件表面进行预处理；(5)对所述对待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，完成后进行精加工。本发明的提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法得到激光熔覆工件，硬度高、磨损性能优异，提高了使用性能、延长了使用寿命。

Description

一种提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法
技术领域
本发明涉及镍基高温合金强化技术领域，具体涉及一种提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法。
背景技术
镍基高温合金Inconel625是一种合金的牌号，密度为8.4g/cm3，熔点达到1290-1350℃，优秀的耐无机酸腐蚀能力，对氧化和还原环境的各种腐蚀介质都具有非常出色的抗腐蚀能力。625合金在很多介质中都表现出极好的耐腐蚀性。在氯化物介质中具有出色的抗点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和侵蚀的性能。
镍基高温合金Inconel625粉末具有着较好的熔覆性能，实际生产中应用领域较为广阔，其高温下的耐磨性能极佳。
但是这种合金存在着硬度不足的缺陷，通常来说硬度都在250维氏硬度以下，这对于开拓该粉末的应用领域有着很大的阻碍作用，所以需要找到一种有效的方法对这种粉末进行强化，使得激光熔覆层能达到硬度提升50％以上。
基于上述情况，本发明提出了一种提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法，可有效解决以上问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法。本发明的提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法通过添加纳米碳化硼颗粒，对熔覆层中晶界的生长起到促进作用，晶界粗大后使得晶粒细化而提升整体硬度(硬度从纯Inconel625熔覆层的217HV0.2提升至386HV0.2以上，提高了77％以上)，纳米颗粒在熔覆的漂浮分解会使得在表面出现一层耐磨层(表面高温耐磨性提高86％以上)；此外，采用行星球磨机对粉末进行机械合金化有助于提高纳米颗粒的实际利用率；在平面上单道激光熔覆平均厚度为0.8mm左右，熔覆后PT探伤未发现裂纹；总之，得到激光熔覆工件，硬度高、磨损性能优异，提高了使用性能、延长了使用寿命。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法，包括下列步骤：
(1)称取Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼，作为配置强化粉末的原料；
(2)采用行星球磨机，对Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼进行球磨混合，得到所述强化粉末；
(3)对所述强化粉末进行筛选，使之适用于所用的送粉设备；
(4)将筛选后的所述强化粉末干燥；并对待熔覆工件表面进行预处理；
(5)对经步骤(4)处理后的所述对待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，在所述对待熔覆工件的待熔覆面形成熔覆层，熔覆完成后进行精加工，得到激光熔覆工件。
优选的，步骤(1)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼的粒径分别为40～90μm和50～90nm。
其中Inconel625粉末粒径范围根据送粉器进行调整，在本专利中所用的粒度范围内粉末具有较好的流动性能可以减少熔覆过程中堵粉现象的发生。纳米碳化硼所选择的粒度范围必须在纳米级别，小尺寸效应才能使熔覆层中出现预先设计的强化效果。
优选的，步骤(1)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼的质量之比为98：2。
严格按照纳米2％的重量比进行配粉。加入的纳米碳化硼受热部分分解，会产生由几种强化相所组成的共晶体，在2％添加量的时候涂层在保证具有较好的力学性能下，能够减少缺陷产生。而当超过2％的添加量的时候，涂层由于缺陷增加，裂纹敏感性提升，容易在熔覆过程中发生开裂。
优选的，步骤(2)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼在所述行星球磨机的球磨罐中处于真空状态，球磨参数为350转/分钟，球磨时间12h，球料比6：1。
在特定参数下对粉末进行机械合金化。由于纳米粉末与基础粉末Inconel625粒径相差过大，在实际送粉过程中会出现纳米粉末漂浮流失现象，导致实际进入熔池中参与反应的纳米颗粒减少，这会降低强化效果。而机械合金化使得纳米颗粒预先嵌入Inconel625颗粒表面，不仅保证了进入熔池中的纳米颗粒数量，也保证了纳米颗粒强化相在熔覆层中的分布均匀性。
优选的，步骤(3)中，对所述强化粉末进行筛选时采用的筛网为100目筛网。
本发明采用100目筛网对所述强化粉末进行筛选，有效保证了所述强化粉末在送粉过程中的流畅性，有效防止了堵塞。
优选的，步骤(4)中，将筛选后的所述强化粉末干燥的参数为100℃条件下干燥1h；
本发明将筛选后的所述强化粉末干燥的参数为100℃条件下干燥1h，干燥效果好，干燥效率较高，对所述强化粉末无破坏性，有效防止了后续熔覆过程中出现较大的气孔等缺陷，保证了最终产品的质量。
所述对待熔覆工件表面进行预处理为所述对待熔覆工件的待熔覆区域进行打磨氧化皮层处理，然后依次进行清洗、干燥。
优选的，步骤(5)中，所述进行精加工为采用铣床对激光熔覆部位进行精加工，以得到满足工件设计尺寸及精度要求的激光熔覆工件。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明的提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法通过添加纳米碳化硼颗粒，对熔覆层中晶界的生长起到促进作用，晶界粗大后使得晶粒细化而提升整体硬度(硬度从纯Inconel625熔覆层的217HV0.2提升至386HV0.2以上，提高了77％以上)，纳米颗粒在熔覆的漂浮分解会使得在表面出现一层耐磨层(表面高温耐磨性提高86％以上)；此外，采用行星球磨机对粉末进行机械合金化有助于提高纳米颗粒的实际利用率；在平面上单道激光熔覆平均厚度为0.8mm左右，熔覆后PT探伤未发现裂纹；总之，得到激光熔覆工件，硬度高、磨损性能优异，提高了使用性能、延长了使用寿命。
本发明的提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法，针对Inconel625镍基合金粉末性能提升，
首先在Inconel625镍基合金粉末中加入2％的纳米碳化硼颗粒，放入行星球磨机中，球磨罐内为真空气体，在350转/每分钟的球磨速度下进行12h的球磨混合分散均匀，这个过程中纳米(碳化硼)颗粒会以机械合金化的形式嵌入镍基颗粒表面；
然后随着送粉器一起进入熔池中。粉末制备结束后取出后进行筛选，保证整体粒径符合设备使用要求。放入干燥炉中在100摄氏度环境下干燥1小时。待熔覆工件表面预处理后，在2200W的激光功率下将本强化粉末熔覆于待修复工件上。熔覆过程中一部分纳米颗粒受热会快速分布于基材熔覆层交界处，然后随着纳米颗粒漂浮分解，硼元素进入晶界内生成硬质相提高硬度并且阻碍枝晶的生长，达到细晶强化作用。
本发明为了有效提高Inconel625镍基合金激光熔覆的性能，采用纳米碳化硼颗粒添加的方式对Inconel625(镍基粉末)进行强化，针对硬度提升问题，采用具有高硬度的碳化硼颗粒作为强化相，同时利用纳米颗粒的小尺寸效应，对熔覆层的性能进行更进一步的提高。同时为了解决纳米颗粒容易漂浮，熔覆过程中实际进入熔覆层内颗粒数量较少的问题，采用高能球磨方法使纳米粉末和Inconel625粉末机械合金化结合。
附图说明
图1为Inconel625镍基粉末形貌图(扫描电镜图)；
图2中a为本发明所述强化粉末形貌图(扫描电镜图，左)，b为纳米碳化硼颗
粒嵌入Inconel625镍基粉末的镍基颗粒中的形貌图(扫描电镜图，右)；
图3为激光共聚焦显微镜显示的本发明实施例4中的熔覆层(上，或b)和激光共聚焦显微镜显示的Inconel625打底层(下，或d)高温摩擦磨损后表面形貌的对比。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是不能理解为对本专利的限制。
下述实施例中所述试验方法或测试方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均从常规商业途径获得，或以常规方法制备。
实施例1：
一种提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法，包括下列步骤：
(1)称取Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼，作为配置强化粉末的原料；
(2)采用行星球磨机，对Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼进行球磨混合，得到所述强化粉末；
(3)对所述强化粉末进行筛选，使之适用于所用的送粉设备；
(4)将筛选后的所述强化粉末干燥；并对待熔覆工件表面进行预处理；
(5)对经步骤(4)处理后的所述对待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，在所述对待熔覆工件的待熔覆面形成熔覆层，熔覆完成后进行精加工，得到激光熔覆工件。
在本实施例中，步骤(1)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼的粒径分别为40～90μm和50～90nm。
在本实施例中，步骤(1)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼的质量之比为98：2。
在本实施例中，步骤(2)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼在所述行星球磨机的球磨罐中处于真空状态，球磨参数为350转/分钟，球磨时间12h，球料比6：1。
在本实施例中，步骤(3)中，对所述强化粉末进行筛选时采用的筛网为100目筛网。
在本实施例中，步骤(4)中，将筛选后的所述强化粉末干燥的参数为100℃条件下干燥1h；
在本实施例中，所述对待熔覆工件表面进行预处理为所述对待熔覆工件的待熔覆区域进行打磨氧化皮层处理，然后依次进行清洗、干燥。
在本实施例中，所述对待熔覆工件为直径27mm的2Cr13轴，2Cr13对应标准牌号：GB/T1220-2007。
在本实施例中，步骤(5)中，所述进行精加工为采用铣床对激光熔覆部位进行精加工，以得到满足工件设计尺寸及精度要求的激光熔覆工件。
在本实施例中，步骤(5)中，对经步骤(4)处理后的所述对待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，激光熔覆两层，厚度2.1mm，并通过工艺窗口抑制熔覆裂纹的产生；
通过调整工艺窗口对熔覆裂纹进行抑制。所使用的工艺参数为：激光功率为2000W，采用氩气保护，保护气氩气流量为15L/min，激光扫描速度为10mm/s，送粉速度为15g/min，搭接率为50％。
本实施例采用上述工艺窗口，成功的抑制了熔覆层裂纹的产生，使得工件修复区域性能提升，并且未出现较为严重的变形，符合生产需求，若工艺窗口控制不好，可能出现较为严重的变形，不符合生产需求。
经测试发现：本实施例中得到的激光熔覆工件的熔覆层平均厚度为0.8mm；激光熔覆工件表面(即熔覆层)PT探伤未发现裂纹；激光熔覆工件表面(即熔覆层)硬度从纯Inconel625熔覆层(对比例1，使用纯Inconel625镍基粉末，其他与实施例2相同)的217HV0.2提升至392HV0.2，提高了77％以上；表面高温耐磨性提高86.6％。
实施例2：
一种提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法，包括下列步骤：
(1)称取Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼，作为配置强化粉末的原料；
(2)采用行星球磨机，对Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼进行球磨混合，得到所述强化粉末；
(3)对所述强化粉末进行筛选，使之适用于所用的送粉设备；
(4)将筛选后的所述强化粉末干燥；并对待熔覆工件表面进行预处理；
(5)对经步骤(4)处理后的所述对待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，在所述对待熔覆工件的待熔覆面形成熔覆层，熔覆完成后进行精加工，得到激光熔覆工件。
在本实施例中，步骤(1)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼的粒径分别为40～90μm和50～90nm。
在本实施例中，步骤(1)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼的质量之比为98：2。
在本实施例中，步骤(2)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼在所述行星球磨机的球磨罐中处于真空状态，球磨参数为350转/分钟，球磨时间12h，球料比6：1。
在本实施例中，步骤(3)中，对所述强化粉末进行筛选时采用的筛网为100目筛网。
在本实施例中，步骤(4)中，将筛选后的所述强化粉末干燥的参数为100℃条件下干燥1h；
在本实施例中，所述对待熔覆工件表面进行预处理为所述对待熔覆工件的待熔覆区域进行打磨氧化皮层处理，然后依次进行清洗、干燥。
在本实施例中，所述对待熔覆工件为直径30mm的2205双相不锈钢轴，2205对应标准牌号：00Cr22Ni5Mo3N。
在本实施例中，步骤(5)中，所述进行精加工为采用铣床对激光熔覆部位进行精加工，以得到满足工件设计尺寸及精度要求的激光熔覆工件。
(5)对经步骤(4)处理后的所述对待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，在所述对待熔覆工件的待熔覆面形成熔覆层，熔覆完成后进行精加工，得到激光熔覆工件。
在本实施例中，步骤(5)中，对经步骤(4)处理后的所述对待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆具体为：
先在所述对待熔覆工件的待熔覆面熔覆一层纯Inconel625镍基粉末进行打底，形成Inconel625打底层；
所述Inconel625打底层的工艺参数为：激光功率为2400W，采用氩气保护，保护气氩气流量为15L/min，激光扫描速度为10mm/s，送粉速度为10g/min，搭接率为50％；
然后在所述对待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆2层，并通过工艺窗口抑制熔覆裂纹的产生；
通过调整工艺窗口对熔覆裂纹进行抑制。所使用的工艺参数为：激光功率为2200W，采用氩气保护，保护气氩气流量为15L/min，激光扫描速度为10mm/s，送粉速度为15g/min，搭接率为50％。
本实施例采用上述工艺窗口，成功的抑制了熔覆层裂纹的产生，使得工件修复区域性能提升，并且未出现较为严重的变形，符合生产需求，若工艺窗口控制不好，可能出现较为严重的变形，不符合生产需求。
经测试发现：本实施例中得到的激光熔覆工件的熔覆层平均厚度为0.82mm；激光熔覆工件表面(即熔覆层)PT探伤未发现裂纹；激光熔覆工件表面(即熔覆层)硬度从纯Inconel625熔覆层(对比例2，使用纯Inconel625镍基粉末，其他与实施例3相同)的217HV0.2提升至386HV0.2，提高了77％；表面高温耐磨性提高86％。
实施例3：
一种提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法，包括下列步骤：
(1)称取Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼，作为配置强化粉末的原料；
(2)采用行星球磨机，对Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼进行球磨混合，得到所述强化粉末；
(3)对所述强化粉末进行筛选，使之适用于所用的送粉设备；
(4)将筛选后的所述强化粉末干燥；并对待熔覆工件表面进行预处理；
(5)对经步骤(4)处理后的所述对待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，在所述对待熔覆工件的待熔覆面形成熔覆层，熔覆完成后进行精加工，得到激光熔覆工件。
步骤(1)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼的粒径分别为40～90μm和50～90nm。
在本实施例中，步骤(1)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼的质量之比为98：2。
在本实施例中，步骤(2)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼在所述行星球磨机的球磨罐中处于真空状态，球磨参数为350转/分钟，球磨时间12h，球料比6：1。
在本实施例中，步骤(3)中，对所述强化粉末进行筛选时采用的筛网为100目筛网。
在本实施例中，步骤(4)中，将筛选后的所述强化粉末干燥的参数为100℃条件下干燥1h；
在本实施例中，所述对待熔覆工件表面进行预处理为所述对待熔覆工件的待熔覆区域进行打磨氧化皮层处理，然后依次进行清洗、干燥。
在本实施例中，所述对待熔覆工件为双面待熔覆面积为200×50mm，厚度10mm的2205双相不锈钢板，2205对应标准牌号：00Cr22Ni5Mo3N。
在本实施例中，步骤(5)中，所述进行精加工为采用铣床对激光熔覆部位进行精加工，以得到满足工件设计尺寸及精度要求的激光熔覆工件。
在本实施例中，步骤(5)中，对经步骤(4)处理后的所述对待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，激光熔覆两层，厚度2.1mm，并通过工艺窗口抑制熔覆裂纹的产生；
在本实施例中，步骤(5)中，所述进行激光熔覆，每道走200mm，一共熔覆24道(光斑4mm)，每过12道就对钢板进行翻面再熔覆，并通过工艺窗口抑制熔覆裂纹的产生，并且通过翻面熔覆来减轻热形变造成钢板严重单向弯曲；
在本实施例中，步骤(5)中，通过调整工艺窗口对熔覆裂纹进行抑制。所使用的工艺参数为：激光功率为2200W，采用氩气保护，保护气氩气流量为15L/min，激光扫描速度为10mm/s，送粉速度为15g/min，搭接率为50％。
本实施例采用上述工艺窗口，成功的抑制了熔覆层裂纹的产生，使得工件修复区域性能提升，并且未出现较为严重的变形，符合生产需求，若工艺窗口控制不好，可能出现较为严重的变形，不符合生产需求。
经测试发现：本实施例中得到的激光熔覆工件的熔覆层平均厚度为0.8mm；激光熔覆工件表面(即熔覆层)PT探伤未发现裂纹；激光熔覆工件表面(即熔覆层)硬度从纯Inconel625熔覆层(对比例3，使用纯Inconel625镍基粉末，其他与实施例4相同)的217HV0.2提升至395HV0.2，提高了77以上％；表面高温耐磨性提高87.2％。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。+对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)称取Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼，作为配置强化粉末的原料；
(2)采用行星球磨机，对Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼进行球磨混合，得到所述强化粉末；
(3)对所述强化粉末进行筛选，使之适用于所用的送粉设备；
(4)将筛选后的所述强化粉末干燥；并对待熔覆工件表面进行预处理；
(5)对经步骤(4)处理后的所述对待熔覆工件的待熔覆面进行激光熔覆，在所述对待熔覆工件的待熔覆面形成熔覆层，熔覆完成后进行精加工，得到激光熔覆工件；
步骤(1)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼的粒径分别为40～90μm和50～90nm；
步骤(1)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼的质量之比为98：2；
步骤(2)中，所述Inconel625镍基粉末和纳米碳化硼在所述行星球磨机的球磨罐中处于真空状态，球磨参数为350转/分钟，球磨时间12h，球料比6：1。
2.根据权利要求1所述的提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法，其特征在于，步骤(3)中，对所述强化粉末进行筛选时采用的筛网为100目筛网。
3.根据权利要求1所述的提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法，其特征在于，步骤(4)中，将筛选后的所述强化粉末干燥的参数为100℃条件下干燥1h；
所述对待熔覆工件表面进行预处理为所述对待熔覆工件的待熔覆区域进行打磨氧化皮层处理，然后依次进行清洗、干燥。
4.根据权利要求1所述的提高Inconel625镍基粉末激光熔覆层性能的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述进行精加工为采用铣床对激光熔覆部位进行精加工，以得到满足工件设计尺寸及精度要求的激光熔覆工件。
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