CN115029603B - 一种激光熔覆合金材料及其工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光熔覆合金材料，其为合金粉末，包括按质量分数计的如下成分：Ni 15‑25wt％；Cu 0.5‑2wt％；Mn 1‑2.5wt％；Mo 5‑8wt％；Cr 15‑25wt％；C 7‑10wt％；CeO2 1‑2wt％；Ti 2‑3wt％，余量为微碳铬铁粉。在该激光熔覆合金材料种，人为地添加了较多的C元素，该元素可以与其他金属元素，原位合成为多种碳化金属化合物。其中，有若干种碳化金属化合物易在熔覆层组织中形成树枝状的晶相，交错在一起，从而形成均匀、致密的组织，有利于不同的碳化金属化合物之间边界的模糊化，以及相互扩散到彼此的金相中，从而形成均一的微观金相组织，进一步地提升了熔覆层的各方面物理性能。

Description

一种激光熔覆合金材料及其工艺方法
技术领域
本发明涉及激光材料加工领域，特别是涉及一种激光熔覆合金材料及其工艺方法。
背景技术
激光熔覆技术是上世纪70年代随着激光器这一设备发展而进入大众视野的表面改性技术。其作用主要是提升钢材零件表面的耐磨、耐腐蚀、耐高温等特性，其优势主要在于结合强度高、不易变形、组织致密且适用范围广等。其主要应用领域在于航空航天、汽车、生物器械、化工设备等，其目的在于提供钢材的使用寿命，很大程度上降低了基于钢材设备的生产和运行成本。
涉及激光熔覆的设备主要是激光熔覆***，其包括激光器、送粉器、水冷***等。主要地，激光器发射出指定波长、高功率的连续激光，在基材上形成光斑，按照指定路径完成光斑行走轨迹；送粉***将激光熔覆合金材料持续、稳定地，经过送粉喷嘴输出至基材上，在光斑下完成熔覆过程；而水冷***则是激光熔覆***安全运行的保障。
目前所用的激光熔覆合金材料，主要是基于铁粉的合金材料，其中掺杂了少量的其他各种过渡金属，物理状态为粉末状。随着钢材应用场景的精细化和严苛化，人们对附着于钢材表面的熔覆层的质量要求也日益提升。然而，传统的熔覆层经常会遇到共混的金相不均匀、容易开裂、力学性能不理想等情况，特别是在高负荷的环境下，更容易导致熔覆处出现上述现象。
综上，如何找到一种克服上述缺陷的激光熔覆合金材料，实现大规模的工业化应用，是亟需解决的问题。
发明内容
本发明公开了一种激光熔覆合金材料，其中人为地添加了较多的C元素，该元素可以与其他金属元素，原位合成为多种碳化金属化合物。其中，有若干种碳化金属化合物易在熔覆层组织中形成树枝状的晶相，交错在一起，从而形成均匀、致密的组织，有利于不同的碳化金属化合物之间边界的模糊化，以及相互扩散到彼此的金相中，从而形成均一的微观金相组织，进一步地提升了熔覆层的各方面物理性能。
本发明的一个目的在于提供一种激光熔覆合金材料，其为合金粉末，包括按质量分数计的如下成分：Ni 15-25wt％；Cu 0.5-2wt％；Mn 1-2.5wt％；Mo 5-8wt％；Cr 15-25wt％；C 7-10wt％；CeO2 1-2wt％；Ti 2-3wt％，余量为微碳铬铁粉，其中微碳铬铁粉作为基材。
上述金属单质，在高功率的激光加工下，可以和材料中的C元素发生原位反应，生成相应的碳化金属化合物。该碳化金属化合物呈树枝状，可以扩散到整个熔覆层中。
值得一提的是，上述不同金属单质所形成的多种碳化金属化合物之间，具有协同作用，最终所形成的树枝状金相结构，要远比单一的碳化金属化合物所形成的树枝状金相结构更为显著。例如，同时含有TiC、NiC和MoC的熔覆层，其树枝状金相结构，远比仅含有同浓度的、成分为单一的碳化金属化合物的熔覆层的树枝状金相结构更为致密。
进一步地，所述CeO2的纯度大于97wt％。
加入CeO2的目的在于使得上述所有不同的金属颗粒分布更为均匀，从而它们分别与C元素进行原位反应所形成的碳化金属化合物尺寸也趋于一致，并且不会因为某一种或多种碳化金属化合物过于聚集，形成大块的“群岛结构”。微观上“群岛结构”的形成，对于熔覆层而言是不利的，因为其内部金属密度以及相态是不均衡的，容易造成受力不均后，从相对脆弱的部分发生断裂、形变、错位等现象。
本发明的另一个目的在于提供上述激光熔覆合金材料的加工方法，包括如下步骤：
S1.对待处理的金属基底表面进行预处理；
S2.将所述激光熔覆合金材料装入激光熔覆***中，根据参数设定在所述待处理的金属基底表面完成光斑行走轨迹；
S3.对完成步骤S2的金属基底进行检测。
进一步地，步骤S2中，所述光斑大小为5mm×5mm-9mm×9mm。
进一步地，步骤S2中，所述激光熔覆合金材料的颗粒尺寸为150-200目。
进一步地，步骤S2中，所述参数设定为：激光功率为1500-2500W；扫描速度为6-10mm/S；送粉率为10-20g/min。
进一步地，步骤S1中，所述预处理包括防腐、除油、除锈的一种或多种。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的激光熔覆合金材料，经激光熔覆***加工后，其合金粉末中的若干金属元素，与C元素在激光加工的高温下发生原位反应，生成多种碳化金属化合物，如TiC、NiC、MoC等。令人意外地发现，上述碳化金属化合物极易在熔覆层的组织中形成树枝状的晶相，这些树枝状的晶相交错在一起，从而形成均匀、致密的组织，有利于不同的碳化金属化合物之间边界的模糊化，以及相互扩散到彼此的金相中，从而形成均一的微观金相组织，极大地提升了熔覆层的一系列物理性能，如耐磨性、拉伸强度、冲击功等。
另外，本发明中还加入了稀土氧化物CeO2，其作用在于，使得熔覆层中树枝状的晶相尺寸更为一致，分散更为均匀，更易在熔覆层中形成树枝状的连续相态，从而杜绝形成微观上的“群岛结构”这一不理想的相态。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，列举如下实施例。实施例中所出现的原料、反应和后处理手段，除非特别声明，均为市面上常见原料，以及本领域技术人员所熟知的技术手段。
本发明所采用的激光熔覆***，主要包括YLS-6000型光纤激光器、送粉器和水冷***；
本发明采用的金属基底为市售的材质为304钢的管道，其外径尺寸为DN50，壁厚约为4.5mm；
采用的微碳铬铁粉为FeCr65C0.03；
采用的CeO2的纯度为98wt％。
实施例1
一种激光熔覆合金材料，其为合金粉末，包括按质量分数计的如下成分：Ni15wt％；Cu 0.5wt％；Mn 1wt％；Mo 5wt％；Cr 15wt％；C 7wt％；CeO2 1wt％；Ti 2wt％，余量为微碳铬铁粉。
上述激光熔覆合金材料，在金属基底上加工成为熔覆层的加工方法，包括如下步骤：
S1.对待处理的金属基底表面进行预处理，所述预处理的方法为，依次对金属基底表面进行磨削加工的除锈处理，以及用有机溶剂丙酮对金属基底的表面油垢的除油处理；
S2.将所述激光熔覆合金材料(平均粒径约为150目)装入激光熔覆***中，根据参数设定在所述待处理的金属基底表面完成光斑行走轨迹；
其中，设置激光器发出的光斑大小为5mm×5mm；
激光熔覆***的功率设定为1500W；扫描速度为6mm/S；送粉率为10g/min。
S3.对完成步骤S2的金属基底进行检测，经测得，熔覆层最终的熔深约为0.77mm。
实施例2
一种激光熔覆合金材料，其为合金粉末，包括按质量分数计的如下成分：Ni25wt％；Cu 2wt％；Mn 2.5wt％；Mo 8wt％；Cr 25wt％；C 10wt％；CeO2 2wt％；Ti 3wt％，余量为微碳铬铁粉。
上述激光熔覆合金材料，在金属基底上加工成为熔覆层的加工方法，包括如下步骤：
S1.对待处理的金属基底表面进行预处理，所述预处理的方法为，依次对金属基底表面进行磨削加工的除锈处理，以及用有机溶剂丙酮对金属基底的表面油垢的除油处理；
S2.将所述激光熔覆合金材料(平均粒径约为200目)装入激光熔覆***中，根据参数设定在所述待处理的金属基底表面完成光斑行走轨迹；
其中，设置激光器发出的光斑大小为6mm×6mm；
激光熔覆***的功率设定为2500W；扫描速度为10mm/S；送粉率为20g/min。
S3.对完成步骤S2的金属基底进行检测，经测得，熔覆层最终的熔深约为0.82mm。
实施例3
一种激光熔覆合金材料，其为合金粉末，包括按质量分数计的如下成分：Ni20wt％；Cu 1wt％；Mn 2.5wt％；Mo 6wt％；Cr 20wt％；C 8wt％；CeO2 1.5wt％；Ti2.3wt％，余量为微碳铬铁粉。
上述激光熔覆合金材料，在金属基底上加工成为熔覆层的加工方法，包括如下步骤：
S1.对待处理的金属基底表面进行预处理，所述预处理的方法为，依次对金属基底表面进行磨削加工的除锈处理，以及用有机溶剂丙酮对金属基底的表面油垢的除油处理；
S2.将所述激光熔覆合金材料(平均粒径约为180目)装入激光熔覆***中，根据参数设定在所述待处理的金属基底表面完成光斑行走轨迹；
其中，设置激光器发出的光斑大小为7mm×7mm；
激光熔覆***的功率设定为2000W；扫描速度为8mm/S；送粉率为15g/min。
S3.对完成步骤S2的金属基底进行检测，经测得，熔覆层最终的熔深约为0.94mm。
实施例4
一种激光熔覆合金材料，其为合金粉末，包括按质量分数计的如下成分：Ni22wt％；Cu 1.3wt％；Mn 2.3wt％；Mo 7wt％；Cr 21wt％；C 8.5wt％；CeO2 1.8wt％；Ti2.4wt％，余量为微碳铬铁粉。
上述激光熔覆合金材料，在金属基底上加工成为熔覆层的加工方法，包括如下步骤：
S1.对待处理的金属基底表面进行预处理，所述预处理的方法为，依次对金属基底表面进行磨削加工的除锈处理，以及用有机溶剂丙酮对金属基底的表面油垢的除油处理；
S2.将所述激光熔覆合金材料(平均粒径约为180目)装入激光熔覆***中，根据参数设定在所述待处理的金属基底表面完成光斑行走轨迹；
其中，设置激光器发出的光斑大小为7.5mm×7.5mm；
激光熔覆***的功率设定为2200W；扫描速度为8.5mm/S；送粉率为16g/min。
S3.对完成步骤S2的金属基底进行检测，经测得，熔覆层最终的熔深约为0.79mm。
实施例5
一种激光熔覆合金材料，其为合金粉末，包括按质量分数计的如下成分：Ni23wt％；Cu 1.5wt％；Mn 2.8wt％；Mo 7.5wt％；Cr 23wt％；C 8.9wt％；CeO2 1.9wt％；Ti2.7wt％，余量为微碳铬铁粉。
上述激光熔覆合金材料，在金属基底上加工成为熔覆层的加工方法，包括如下步骤：
S1.对待处理的金属基底表面进行预处理，所述预处理的方法为，依次对金属基底表面进行磨削加工的除锈处理，以及用有机溶剂丙酮对金属基底的表面油垢的除油处理；
S2.将所述激光熔覆合金材料(平均粒径约为180目)装入激光熔覆***中，根据参数设定在所述待处理的金属基底表面完成光斑行走轨迹；
其中，设置激光器发出的光斑大小为8mm×8mm；
激光熔覆***的功率设定为2300W；扫描速度为9mm/S；送粉率为18g/min。
S3.对完成步骤S2的金属基底进行检测，经测得，熔覆层最终的熔深约为0.88mm。
对比例1
对比例1采用的成分、加工方法均与实施例1相同，唯一不同在于，对比例1中的激光熔覆合金材料中，不含有CeO2。
对比例2
对比例2采用的成分、加工方法均与实施例1相同，唯一不同在于，对比例2中的激光熔覆合金材料中，未人为地添加C元素，经测得，该激光熔覆合金材料中的C元素含量约为0.4wt％左右。
对比例3
对比例3采用的成分、加工方法均与实施例1相同，唯一不同在于，对比例3中的激光熔覆合金材料中，不含有Mo。
对比例4
对比例4采用的成分、加工方法均与实施例1相同，唯一不同在于，对比例4中的激光熔覆合金材料中，CeO2的纯度约为95wt％。
测试例
对实施例1-3、对比例1-4所得到的带有熔覆层的管道，进行如下测试：
1.耐腐蚀性能测试：将上述带有熔覆层的管道放置于盐雾腐蚀的环境中，其中氯化钠溶液的浓度为7wt％，pH为中性，喷雾压力为140kPa，温度为30℃，持续时间为24h。计算失重率。失重率越小，耐腐蚀性能越好。
2.耐磨性能测试：用磨损机进行磨损实验，摩擦载荷为220N，转速为120rpm，温度为25℃，持续时间为1h。所得到的摩擦系数越小，耐磨性能越好。
3.韧性测试：根据GB/T 229-2007测试带有熔覆层的管道的冲击功。冲击功越大，韧性越好。
4.拉伸强度测试：将带有熔覆层的管道，放置于-20℃的低温下，保温48h，然后根据公式：拉伸强度下降率＝(测试前拉伸强度-测试后拉伸强度)/测试前拉伸强度×100％，测试其力学性能。拉伸强度下降率越低，说明力学性能越好。
所得结果如表1所示。
表1实施例1-3、对比例1-4所得到的带有熔覆层的管道的相关测试结果
Figure BDA0003712346560000061
从表1可以看出，实施例1-3的各项指标，相比于对比例1-4，均具有明显的优势。这说明本发明的技术方案相比于对比例，具有更为优异的技术效果。这主要是因为，本发明技术方案中在熔覆层中形成了多种碳化金属化合物，互相之间具有协同效应，并且在高纯度的CeO2的掺杂下，形成了均匀分散且致密的树枝状金相，有利于不同的碳化金属化合物之间边界的模糊化，以及相互扩散到彼此的金相中，从而形成均一的微观金相组织，极大地提升了熔覆层的一系列物理性能，如耐磨性、拉伸强度、冲击功等。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种激光熔覆合金材料，其特征在于，所述激光熔覆合金材料为合金粉末，包括按质量分数计的如下成分：Ni 15-25 wt%；Cu 0.5-2 wt%；Mn 1-2.5 wt%；Mo 5-8 wt%；Cr 15-25wt%；C 7-10 wt%；CeO2 1-2 wt%；Ti 2-3 wt%；余量为微碳铬铁粉，所述微碳铬铁粉为FeCr65C0.03；
其中，所述CeO2的纯度大于97 wt%；
所述激光熔覆合金材料，在金属基底上加工成为熔覆层的加工方法，包括如下步骤：
S1. 对待处理的金属基底表面进行预处理，所述预处理包括防腐、除油、除锈的一种或多种；
S2. 将所述激光熔覆合金材料装入激光熔覆***中，根据参数设定在所述待处理的金属基底表面完成光斑行走轨迹，所述光斑大小为5 mm×5 mm-9 mm×9 mm，所述激光熔覆合金材料的颗粒尺寸为150-200目；所述参数设定为：激光功率为1500-2500 W；扫描速度为6-10 mm/S；送粉率为10-20 g/min；
S3. 对完成步骤S2的金属基底进行检测。
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