CN102465294B - 一种大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料表面工程领域，特别是涉及一种应用激光熔覆技术在金属基体E大面积熔覆高硬度耐磨耐蚀镍基合金材料的方法，解决了高硬度耐磨镍基合金激光熔覆的开裂问题，特别是在大面积熔覆、厚度在1mm以上时的裂纹、气孔等熔覆缺欠问题。本发明应用激光熔覆技术，采用科学合理的工艺方法，将高硬度镍基合金粉末材料大面积熔覆于金属基体表面，形成高硬度耐磨耐蚀镍基合金涂层。本发明能从根本上保证激光熔覆的稳定性、一致性，避免裂纹、气孔及夹杂等缺陷的产生，减少基体热影响区，降低稀释率，获得牢固冶金结合的晶粒细化致密的高耐磨、耐蚀镍基合金涂层，硬度达到58-63HRC，工件经处理后使用寿命可以提高1-2倍以上。

Description

一种大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法

技术领域：

本发明属于材料表面工程领域，特别是涉及一种应用激光熔覆技术在金属基体上大面积熔覆高硬度耐磨耐蚀镍基合金材料的方法。

背景技术：

材料表面处理是材料表面改性和新材料制备的重要手段，世界各国对此都十分重视。现代工业的发展对材料表面改性和优化的要求日益提高。国家863高技术计划从一开始就把发展材料表面处理新技术作为未来发展的一个重要领域。在众多的表面处理技术中，激光熔覆技术是一门新兴的先进的材料表面处理技术，并且随着该技术的不断完善发展，已愈加广泛地应用于现代加工制造业中，尤其在航天、冶金、电力、石化、汽车、军工等重要领域的应用愈加宽广，在产品的制造及再制造过程中发挥了重要作用。与传统表面处理技术如火焰(等离子)喷涂、堆焊、电镀等相比，激光熔覆技术具有涂层组织细化致密、基体热影响区和变形小，涂层与基体能够实现牢固的冶金结合，易于实现自动化控制，涂层成形美观可控等优点。激光熔覆技术涉及激光加工工艺、金属材料科学、程序编制模拟、机械加工及加工控制方法(如加工顺序、热处理等)等方面的内容，所涉及的各个方面必须科学合理、有序协调地统一在一起才能达到理想的熔覆效果，不然便会导致熔覆层开裂、气孔、夹杂、咬边等质量缺陷的产生，甚至使工件报废，发生停产、安全事故等严重后果。

为了保证核电设施的连续、安全、稳定运行，对各部件在加工制造过程中所涉及的材料性能、加工方法及处理工艺提出了更加严格苛刻的要求。如对于核电水泵轴套，其材质为1Cr18Ni9Ti，尺寸为￠240×200mm，壁厚25mm，虽然基体具有一定的耐蚀性能，但硬度很低，耐磨性差，不能直接应用。陈强、尤清照等人对增强高比重合金表面的硬度及耐磨性进行了研究{见《钢铁研究学报》2000Vol.12 No.2 P.33-35}，其选用Ni60A及WC、WC-Co超硬粉末，采用等离子喷涂及真空烧结的两种处理方法，在金属基体表面获得了高硬度的耐磨涂层。但是上述两种方法制备的涂层都存在很大的缺陷，如孔隙率高、非冶金结合、涂层易剥落、存在裂纹等。任爱国等人对激光熔覆止裂技术进行了研究{见《表面技术》第35卷第二期}，试验选用1Cr18Ni9Ti、45钢、40Cr等七种基体材质及不同的熔覆粉末材料，结果表明，当熔覆材料为Ni60、Ni45、Ni35时，熔覆层裂纹很难控制，特别是Ni60熔覆粉末裂纹无法控制。时至今日，高硬度耐磨镍基合金激光熔覆的开裂问题仍是一个棘手的问题，尤其在大面积熔覆、厚度在1mm以上时而不产生裂纹、气孔等缺陷问题的至今还未见报道。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种大面积激光熔覆高硬度耐磨镍基合金材料的方法，用以解决传统表面处理技术所存在的一系列问题以及现有激光熔覆高硬度镍基合金的开裂问题，尤其在大面积熔覆、厚度在1mm以上时，极易产生裂纹、气孔等缺陷问题。

本发明的技术方案是：

一种大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，应用激光熔覆技术，采用送粉系统将高硬度粉末材料熔覆于金属基体表面，形成高硬度耐磨耐蚀无缺欠的镍基合金材料涂层。其中：

(1)激光加工工艺参数为：激光功率2.5-6.0KW、扫描速度180-800mm/min、光斑直径3.0-5.0mm、搭接率30-40％、熔覆厚度1.0-2.0mm；

(2)热处理方法为：工件前期预热温度200-300℃，加热时间1-2小时；激光熔覆过程中加热保温温度300℃±20℃；加工结束后续200℃±20℃保温3-5小时并随炉缓冷至室温。

所述的大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，加工流程如下：

(1)工件表面清理：在熔覆之前，用砂纸或抛光机将工件表面的污物、氧化膜去除，再用丙酮将工件表面油污清除干净；

(2)工件预热处理：在工件表面清理完后，采用加热保温装置对工件进行预热处理，预热温度200-300℃，加热时间1-2小时；

(3)熔覆加工：在工件基体温度达到预热温度后，对其进行激光熔覆加工；

(4)加热保温处理：在熔覆加工过程中，始终采用加热保温装置对工件进行加热保温处理，将温度控制在300℃±20℃；

(5)后续保温缓冷处理：在工件熔覆结束后，立即将其放入200℃±20℃炉温的电阻炉中保温3-5小时，并随炉缓冷至室温。

所述的大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，高硬度粉末材料是镍基、铁基或钴基合金粉末，粒度在80-500目，并且该粉末材料经激光熔覆后涂层硬度高达58-63HRC，且熔覆层无熔覆缺欠。

所述的大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，高硬度粉末材料为Ni60A镍基自熔性合金粉末，合金粉末粒度：140-320目，熔点960-1040℃。

所述的大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，按重量百分比计，Ni60A镍基自熔性合金成分及含量为：C1.0％，Si4.0％，B3.5％，Cr17.0％，Fe＜5％，Ni余量。

所述的大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，采用熔池温度检测装置对激光熔池温度进行实时检测、调节；采用加热保温装置对工件进行预热及熔覆过程加热保温处理。

所述的大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，送粉系统采用气载式送粉器或刮板重力式送粉器，送粉方式为侧向同步、预置送粉或同轴送粉，送粉系统采用氩气输送粉末并保护熔池。

所述的大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，激光设备是CO₂气体激光器、YAG激光器、半导体激光器、或者是光纤激光器。

本发明的设计思想是：

本发明在应用先进的激光熔覆技术的基础上，并配以科学合理的工艺、材料及方法，在反复试验、分析的基础上，发明了一种大面积激光无裂熔覆高硬度镍基合金材料的方法。本发明激光加工工艺参数为：激光功率2.5-6.0KW，扫描速度180-800mm/min，光斑直径3.0-5.0mm左右，搭接率30-40％左右，熔覆厚度1.0-2.0mm；本发明热处理方法为：预热、保温及后续的保温缓冷措施，即先对工件进行200-300℃的预热处理，然后进行熔覆加工，在熔覆过程中通过加热保温装置将工件温度始终控制在设定的300℃±20℃内，在加工过程结束后，立即将工件送入炉温为200℃±20℃的电阻炉中保温3-5小时并随炉缓冷至室温。优化的激光工艺参数以及对熔池温度的调控，可以保证熔覆质量的稳定、一致，避免裂纹、气孔等熔覆缺陷的产生，并最大程度地减少基体材料对涂层材料的稀释作用，从而保证涂层材料成分及其高硬度和耐磨耐蚀的性能。从工件预热、熔覆加工到最后的后续保温缓冷处理，对工件基体温度的监测及调控至关重要，而且温度要在工艺允许的范围内，这样也能从根本上防止工件在熔覆过程中或熔覆过程结束冷却过程中产生裂纹。采用本发明，可以大面积熔覆具有极高硬度，耐磨、耐蚀性能优良的镍基合金粉末材料，获得低稀释率(10％以下)牢固冶金结合的熔覆层，而且值得关注的是，熔覆层及基体无裂纹、气孔、夹杂、咬边等质量缺陷。这些都是传统表面处理技术以及通常的激光熔覆技术所不能达到或全部达到的。

本发明可以带来以下有益效果：

1)本发明制备的熔覆层硬度能达到58-63HRC，耐磨耐蚀性能优良；

2)本发明可以获得大面积的熔覆厚度在1-2mm的无裂纹、气孔、夹杂、咬边等质量缺陷的熔覆层，熔覆层的面积达到1500cm²左右，且熔覆层组织致密，晶粒细化，耐蚀等性能进步增强；

3)本发明能实现涂层与基体牢固的冶金结合，涂层不会剥落，且能有效降低基体的稀释率，一般在10％以下；

4)本发明能显著提高工件的使用寿命，社会、经济效益显著。在采用本发明对核电轴套处理使用后，寿命已提高2倍以上，且至今仍在良好运转；

5)本发明各设备、装置操作简单易行，工艺及方法适应性强，可实现自动控制；

6)本发明的方法具有广泛的外延性和扩展性，对激光熔覆技术在其它领域的拓展、应用具有一定的指导借鉴意义。

附图说明：

图1为本发明激光熔覆加工流程图。

图2为本发明激光熔覆加工装置示意图。图中，1激光设备；2熔池温度检测装置；3送粉系统；4卡盘；5加热保温装置；6工件；7熔覆层；8电阻炉；9侧向送粉头。

图3为实施例1的金相图。

图4为实施例2的金相图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明应用激光熔覆技术，采用送粉系统将高硬度粉末材料大面积熔覆于金属基体表面，形成高硬度耐磨耐蚀镍基合金涂层材料，实现熔覆层与基体牢固的、低稀释率的冶金结合，并且能够保证熔覆层无裂纹、气孔、夹杂等质量缺陷。工件激光熔覆加工流程，具体步骤如下：

1、工件表面清理：在熔覆之前，用砂纸或抛光机将工件表面的污物、氧化膜等去除，再用丙酮将工件表面油污等清除干净；

2、工件预热处理：在工件表面清理完后，采用加热保温装置对工件进行预热处理，预热温度200-300℃，加热时间1-2小时，减少基体与熔覆层间的温差，防止开裂；

3、熔覆加工：在工件基体温度达到预热温度后，对其进行激光熔覆加工：

(1)激光熔覆加工的工艺参数为：激光功率2.5-6.0KW，扫描速度180-800mm/min，光斑直径3.0-5.0mm，搭接率30-40％，熔覆厚度1.0-2.0mm。

(2)高硬度熔覆粉末材料采用镍基、铁基或钴基合金粉末，粒度在80-500目，并且该粉末材料经激光熔覆后涂层硬度高达58-63HRC，且涂层无熔覆缺欠。

(3)送粉系统采用气载式送粉器或刮板重力式送粉器，送粉方式为侧向同步、预置送粉或同轴送粉，送粉系统采用氩气输送粉末并保护熔池。

(4)激光设备是CO₂气体激光器、YAG激光器、半导体激光器、或者是光纤激光器。

4、加热保温处理：在熔覆过程中，始终采用加热保温装置对工件进行加热保温处理，将温度控制在300℃±20℃。

5、后续保温缓冷处理：熔覆结束后，立即将工件放入200℃±20℃炉温的电阻炉中保温3-5小时，并随炉缓冷至室温，消除应力，防止变形及开裂。

如图2所示，激光熔覆加工装置主要包括：激光设备1、熔池温度检测装置2、送粉系统3、卡盘4、加热保温装置5、工件6、侧向送粉头9等。送粉系统3的侧向送粉头9与工件6对应，激光设备1的激光输出端和熔池温度检测装置2分别与工件6对应，工件6安装于卡盘4上，加热保温装置5设置于工件6底部。

本发明加工过程具体步骤说明如下：

(1)启用加热保温装置5对工件6进行预热处理；

(2)启用激光设备1及送粉系统3，高硬度粉末材料从送粉系统3的侧向送粉头9处输出并送入工件6表面的激光熔池，完成对卡盘4上工件6的大面积熔覆加工，形成熔覆层7；

(3)启用熔池温度检测装置2对熔池温度进行检测、调节；采用加热保温装置5对工件6进行加热保温处理，将温度控制在规定范围内；

(4)在熔覆加工结束后，利用箱式电阻炉8对工件6立即进行后续保温缓冷处理。

本发明中，加热保温装置5具有如下特点：

1)可以对工件进行加热，且加热温度可达600℃；

2)装置带有耐火砖、石棉等绝热保温层，对工件具有保温功能；

3)该加热装置带有温控调节功能，可对温度进行设定、检测、调节。

实施例1：

为解决某核电站泵轴套(材质1Cr18Ni9Ti，尺寸为￠240×200mm，壁厚25mm)的磨损腐蚀问题，决定采用本发明在轴套外圆周表面进行高硬度耐磨耐蚀镍基合金涂层的加工处理，具体如下：

1)激光加工工艺为：激光功率2.5KW，扫描速度180mm/min，光斑直径3.0mm，搭接率40％，熔覆厚度2.0mm，熔覆粉末材料为Ni60A。

2)热处理方法为：工件预热温度300℃，加热时间2小时，熔覆过程中加热保温温度300℃±20℃、加工结束即刻放入炉温200℃±20℃的电阻炉中进行5小时保温并随炉缓冷至室温。

本实施例中，采用气载式同步侧向自动送粉系统输送粉末，以氩气为载气，将粉末连续、稳定、均匀地送入激光熔池，所用氩气对熔池也起到一定的保护作用；

本实施例中，采用6KW大功率横流CO₂激光设备作为熔覆热源，输出激光光束模式为多模，熔覆过程中对激光熔池温度进行实时监测，并通过调节激光功率来保持熔池温度的稳定性；

本实施例中，采用镍基高硬度耐磨耐蚀合金粉末Ni60A作为激光熔覆材料，如图3所示，熔覆层是先共晶组织(强化相)以树枝晶形态生长，组织主要由FeNi3、Ni2Si和γ(Fe-Ni)等相组成，涂层中还含有Cr6.5Ni2.5Si、Cr2Ni3B6Cr3Ni2等金属间化合物和Ni3Si2CrB2、Cr3C2CrB等化合物，这些化合物硬度很高弥散分布在涂层上，这种组织特点使得涂层具有优良的耐磨耐蚀性能，能够很好地满足轴套的工况要求；

本实施例中，激光熔覆材料为Ni60A镍基自熔性合金粉末，其具有如下特点：

1)该自熔性合金耐磨耐蚀性能优良，硬度极高，可达HRC58-63；

2)该合金粉末粒度：140-320目；熔点960-1040℃；

3)合金成分及含量(重量百分比)为：

成分

C

Si

B

Cr

Fe

Ni

含量

1.0％

4.0％

3.5％

17.0％

＜5％

Bal

如图3所示，本实施例的核电站泵轴套，获得了优良的熔覆效果，无裂纹、气孔等缺陷，轴套使用性能及寿命大幅提高，硬度达到59-63HRC，使用寿命提高2倍且仍在良好运转。

实施例2：

与实施例1不同之处在于：

某冲头材料为H13钢，为提高冲头的抗高温磨损及冷热疲劳性能，采用本发明对其表面进行激光熔覆强化处理：

1)激光功率6.0KW，扫描速度800mm/min，光斑直径5.0mm，搭接率30％，熔覆厚度1.0mm，熔覆粉末材料为Ni60A；

2)工件预热温度200℃，加热时间1小时；熔覆过程中加热保温300℃±20℃；加工结束立刻将工件放入200℃±20℃炉温中进行3小时保温并随炉缓冷至室温。

如图4所示，涂层组织为典型的快速凝固组织，晶粒细小致密，熔覆层与基体形成了良好的冶金结合，熔覆层的组织主要由FeNi3、Ni2Si和γ(Fe-Ni)等相组成，树枝晶间存在着大量的共晶化合物，黑色区域内含有大量的合金渗碳体等金属间化合物，通过固溶强化、硬质相强化、弥散强化及细晶强化的共同作用，使得涂层组织得到很好的强化效果。本实施例的冲头经激光熔覆强化处理后效果很好，涂层及基体无裂纹、气孔等熔覆缺欠，硬度达到58-62HRC，上机使用寿命提高1倍以上。

结果表明，采用本发明所述方法，能从根本上保证激光熔覆的稳定性、一致性，避免裂纹、气孔及夹杂等缺陷的产生，减少基体热影响区，降低稀释率，获得牢固冶金结合的晶粒细化致密的高耐磨、耐蚀镍基合金涂层组织，硬度达到58-63HRC，工件经处理后使用寿命可以提高1-2倍以上。

Claims (7)

1.一种大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，其特征在于：应用激光熔覆技术，采用送粉系统将高硬度粉末材料熔覆于金属基体表面，形成高硬度耐磨耐蚀无缺欠的镍基合金材料涂层；加工流程如下：

（1）工件表面清理：在熔覆之前，用砂纸或抛光机将工件表面的污物、氧化膜去除，再用丙酮将工件表面油污清除干净；

（2）工件预热处理：在工件表面清理完后，采用加热保温装置对工件进行预热处理，预热温度200-300℃，加热时间1-2小时；

（3）熔覆加工：在工件基体温度达到预热温度后，对其进行激光熔覆加工；激光加工工艺参数为：激光功率2.5-6.0KW、扫描速度180-800mm/min、光斑直径3.0-5.0mm、搭接率30-40%、熔覆厚度1.0-2.0mm；

（4）加热保温处理：在熔覆加工过程中，始终采用加热保温装置对工件进行加热保温处理，将温度控制在300℃±20℃；

（5）后续保温缓冷处理：在工件熔覆结束后，立即将其放入200℃±20℃炉温的电阻炉中保温3-5小时，并随炉缓冷至室温。

2.按照权利要求1所述的大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，其特征在于，高硬度粉末材料是镍基、铁基或钴基合金粉末，粒度在80-500目，并且该粉末材料经激光熔覆后涂层硬度高达58-63HRC，且涂层无熔覆缺欠。

3.按照权利要求1所述的大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，其特征在于，高硬度粉末材料为Ni60A镍基自熔性合金粉末，合金粉末粒度：140-320目，熔点960-1040℃。

4.按照权利要求3所述的大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，其特征在于，按重量百分比计，Ni60A镍基自熔性合金成分及含量为：C1.0%，Si4.0%，B3.5%，Cr17.0%，Fe＜5%，Ni余量。

5.按照权利要求1所述的大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，其特征在于，采用熔池温度检测装置对激光熔池温度进行实时检测、调节；采用加热保温装置对工件进行预热及熔覆过程加热保温处理。

6.按照权利要求1所述的大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，其特征在于，送粉系统采用气载式送粉器或刮板重力式送粉器，送粉方式为侧向同步、预置送粉或同轴送粉，送粉系统采用氩气输送粉末并保护熔池。

7.按照权利要求1所述的大面积激光熔覆高硬度镍基合金材料的方法，其特征在于，激光设备是CO₂气体激光器、YAG激光器、半导体激光器、或者是光纤激光器。

Images