本發(fā)明屬于合金材料領(lǐng)域，尤其涉及一種用于激光熔敷的粉末成分、激光熔敷涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、激光熔敷技術(shù)最早出現(xiàn)在1976年美國(guó)科學(xué)家gnanamuth提出的專利上，之后在國(guó)內(nèi)引起了很多專家的關(guān)注。這種技術(shù)涉及機(jī)械、材料、冶金、自動(dòng)化等多門學(xué)科，是一種新的表面改性技術(shù)與材料成型技術(shù)。該技術(shù)是增材制造技術(shù)的一種，廣泛應(yīng)用于激光熔敷成形金屬零件或者局部零件結(jié)構(gòu)的成形，同時(shí)，也廣泛應(yīng)用于零部件再制造，并用于修復(fù)一些經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的廢舊零件，該種技術(shù)不同于傳統(tǒng)的制造技術(shù)，并結(jié)合了材料成形與自動(dòng)化技術(shù)，具有傳統(tǒng)成形制造所不具有的能夠隨時(shí)控制金屬材料在不同位置進(jìn)行成型的能力，因此表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)。激光熔敷技術(shù)用于廢舊零件的再制造，可以對(duì)一些大型的、價(jià)值昂貴的大型零件進(jìn)行再制造修復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)巨大的經(jīng)濟(jì)利益。激光熔敷技術(shù)用于成形制造，可以成形一些使用傳統(tǒng)制造方法難以制造的零件或者成形零件的局部難成形的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而減小傳統(tǒng)成形的難度和機(jī)加工難度，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2、目前用于成形的合金粉末有鎳基合金粉末、鐵基合金粉末、鈷基合金粉末。由于鋼鐵零件在工業(yè)上的大量應(yīng)用，因而對(duì)于鐵基合金粉末激光熔敷成形研宄具有重要的應(yīng)用與科學(xué)價(jià)值。鐵基合金粉末是一種自熔性粉末，合金粉末中包含有b與si元素，因此具有脫氧與造渣能力，種類多、性能好、成本低。鐵基合金粉末能夠適應(yīng)多種不同材料的基體，比如：碳鋼、不銹鋼、鑄鋼等材料。此外，可以通過(guò)在合金粉末中加入其他微量元素以改善熔敷層質(zhì)量，提高性能，減少缺陷。中國(guó)專利申請(qǐng)cn202380018543提出了一種用于增材制造的工具鋼粉末，這種粉末高度適合于經(jīng)由增材制造加工，并可以制備出具有低變形率的不含裂紋的三維物體。中國(guó)專利申請(qǐng)cn202410647171提出了一種用于機(jī)車車軸激光在制造的熔敷材料及試驗(yàn)方法，這種熔敷材料具有較高的自熔性和奧氏體的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化效應(yīng)和熔敷層力學(xué)性能提升，解決了現(xiàn)有熔敷層成形質(zhì)量差、力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)的問題?，F(xiàn)有的鐵基粉末熔敷鍍層，由于熔敷層組織內(nèi)部硬質(zhì)強(qiáng)化相對(duì)較少，導(dǎo)致熔敷層硬度普遍較低，而單純提高碳含量又會(huì)導(dǎo)致大量碳化鉻在晶界處的析出，一方面降低了組織中的鉻含量，降低了熔敷層的耐蝕性能和抗晶間腐蝕性能，另一方面析出相在晶界處的堆積也增加了晶間開裂的概率，進(jìn)一步降低熔敷層的強(qiáng)度。隨著對(duì)于熔敷質(zhì)量的要求越來(lái)越高，以及降低原料成本的迫切需要，急需開發(fā)一種用于激光熔敷的粉末成分以及高強(qiáng)度耐磨損的激光熔敷涂層。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于此，本發(fā)明提出了一種用于激光熔敷的粉末成分，以該金屬粉末作為原料制備的熔敷涂層具有良好的耐磨損性能，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度，焊接性能表現(xiàn)優(yōu)異，熔敷涂層內(nèi)組織結(jié)構(gòu)良好。

2、本發(fā)明提供了一種用于激光熔敷的粉末成分，由鐵基合金粉末和強(qiáng)化材料粉末組成。

3、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述鐵基合金粉末，以質(zhì)量百分比含量計(jì)，由以下化學(xué)成分組成：c：3.5％-5.5％、cr：18％-21％、si：1.4％-1.6％、mn：0.5％-1％、b：0.4％-1％、mo：4.5％-6.6％、nb：1.2％-1.8％、w：4.5％-6.5％、v：1.2％-1.8％、ni：4.7％-5.2％、ti：1.9％-2.5％、al：2.2％-2.8％，余量為fe和不可避免的雜質(zhì)；其中，w、ti質(zhì)量百分含量不少于7％，nb、v質(zhì)量百分比含量不少于2.5％。

4、上述方案中，優(yōu)選的，所述c元素的含量為3.5％-5.5％，處于共晶成分范圍內(nèi)的c可以抑制熔敷層中鐵素體的形成，避免了由于生成鐵素體而導(dǎo)致cr、v、ti等合金元素的損失，保證了熔敷層在冷卻過(guò)程中能夠有盡可能多的奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體。同時(shí)，合金中的碳化鉻、碳化釩、碳化鈦能夠細(xì)化晶粒，有效提高熔敷層的強(qiáng)度和硬度。c含量與v、w、nb、ti元素的含量相配合，能夠確保盡量多的c與v、w、nb、ti結(jié)合，避免與碳化鉻晶間析出相降低熔敷層的耐蝕性能和強(qiáng)度。足夠含量較的碳，在熔敷過(guò)程中，可進(jìn)行擴(kuò)散并與鈮、釩、鈦、鎢等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成微米級(jí)碳化物，碳化鈮、碳化釩、碳化鈦、碳化鎢等碳化物的硬度高，與鐵基基體結(jié)合強(qiáng)度高，從而提高耐磨性能。如果碳含量低于3.5％，將無(wú)法在熔敷過(guò)程中充分發(fā)揮自增強(qiáng)作用，從而導(dǎo)致耐磨性下降?，F(xiàn)有技術(shù)中雖然也有通過(guò)加入碳化鈦、碳化鎢等硬質(zhì)材料顆粒以提高耐磨性的方法，但是直接添加的硬質(zhì)材料顆粒與鐵基基體的潤(rùn)濕性以及在鐵基基材中的分布均勻性都較差，且易脫落。而本發(fā)明中通過(guò)在激光熔敷過(guò)程中生成微米級(jí)碳化物，可以確保碳化物在涂層中的均勻分散，與基體晶界相結(jié)合，不易脫落，強(qiáng)度更高。

5、上述方案中，優(yōu)選的，所述cr元素的含量為18％-21％。提高cr含量能夠提高熔敷層的腐蝕電極電位，阻止腐蝕的發(fā)生，提高耐蝕性能。同時(shí)，較高的cr含量能夠降低c的稀釋作用，避免腐蝕性能的下降。此外，cr還能提高熔敷層的抗氧化性，進(jìn)一步提高耐腐蝕性能。但cr作為鐵素體形成元素，過(guò)高的cr含量會(huì)促進(jìn)熔敷層中鐵素體的形成，進(jìn)而造成cr、v、ti合金元素的損失。此外，cr含量過(guò)高，還會(huì)導(dǎo)致熔融體粘度增大，不利于激光熔敷操作。優(yōu)選的，所述b元素的含量為0.4％-1％，b與其他元素形成硼化物，從而提高涂層的硬度和耐磨性，其還能抑制熔敷層中氧化物的形成，通過(guò)減少氧化損傷從而避免熔敷層產(chǎn)生裂紋。cr和b的添加通過(guò)改善涂層的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而減少熔敷層在制備過(guò)程中產(chǎn)生氣孔和裂紋。

6、上述方案中，優(yōu)選的，所述ni元素的含量為4.7％-5.2％。ni元素的存在一方面能夠提高熔敷層的潤(rùn)濕性和延展性，另一方面能夠提高熔敷層的耐蝕性能。優(yōu)選的，所述mo元素的含量為4.5％-6.6％，鉬主要是提高熔敷層表面氧化鉻的穩(wěn)定性，提高熔敷層的耐腐蝕性能。優(yōu)選的，所述si元素的含量為1.4％-1.6％，si可提高熔融體的流動(dòng)性，便于熔敷過(guò)程中熔池的流動(dòng)性。

7、上述方案中，優(yōu)選的，所述v的含量為1.2％-1.8％，nb的含量為1.2％-1.8％，nb和v的質(zhì)量百分比含量不少于2.5％。v和nb是易與c形成碳化物的元素，與cr相比，v和nb優(yōu)先與c結(jié)合生成碳化釩、碳化鈮，一方面細(xì)化晶粒，提高熔敷層強(qiáng)度和硬度，另一方面減少晶界處碳化鉻的析出，從而提高熔敷層抗蝕能力和晶間強(qiáng)度。在優(yōu)選的c和v、nb含量范圍內(nèi)，共晶成分的碳化釩和碳化鈮能夠均勻分布在熔敷層組織中，提高熔敷層整體的強(qiáng)度和硬度。

8、上述方案中，優(yōu)選的，所述ti的含量為1.9％-2.5％，w的含量為4.5％-6.5％，w和ti的質(zhì)量百分含量不少于7％。ti和w同樣是易與c形成碳化物的元素，與v、nb、cr元素相比，ti和w優(yōu)先與c結(jié)合生成碳化鈦和碳化鎢，減少或避免有害的碳化鉻晶間析出，從而提高熔敷層的強(qiáng)度和耐蝕性能。但是，過(guò)量的ti會(huì)與ni結(jié)合生成ni3ti，并沿晶界析出，導(dǎo)致熔敷層韌性急劇下降。

9、上述方案中，優(yōu)選的，所述al的含量為2.2％-2.8％，通過(guò)添加ti和al可以與基材表面的氮原子形成tin和aln強(qiáng)化相，從而進(jìn)一步提高熔敷層的耐磨性。當(dāng)al含量過(guò)高時(shí)，會(huì)降低熔敷層中馬氏體的強(qiáng)度和硬度，從而降低熔敷層的耐磨性。

10、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述強(qiáng)化材料粉末為b4c粉末和nb粉末，鐵基合金粉末、b4c粉末、nb粉末的質(zhì)量比為4～9:1.5～2:1.5～2。碳化硼中的碳含量極為豐富，且自身硬度較高，作為添加相，未熔化的碳化硼能夠提高鐵基合金粉末熔敷層的耐磨性能。此外，碳化硼作為碳源，可在熔融過(guò)程中與nb合成碳化鈮，碳化鈮顆粒因其高硬度、高熔點(diǎn)和適中的熱膨脹系數(shù)而廣泛應(yīng)用于耐高溫噴涂材料、難熔高溫材料和硬質(zhì)合金的添加劑，且能夠有效改善復(fù)合材料層的性能。傳統(tǒng)工藝直接添加碳化鈮粉末，由于碳化鈮的高熔點(diǎn)，很難直接起到增強(qiáng)效果。但是，通過(guò)熔敷過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)生成的碳化鈮不僅可以在熔敷層中均勻分布，而且作為增強(qiáng)組分可以更進(jìn)一步提高熔敷層的耐磨性和強(qiáng)度。

11、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述鐵基合金粉末的球形度大于92％，平均顆粒尺寸為75微米～150微米，霍爾流速為22秒～28秒，松裝密度為4.45g/cm3～6.57g/cm3；所述b4c粉末和nb粉末的平均顆粒尺寸為100微米～150微米。良好的流動(dòng)性以及合適的粉末顆粒度能夠保證熔敷層質(zhì)量和熔敷穩(wěn)定性。一方面，粉末顆粒度過(guò)小的細(xì)粉容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，而粉末球形度越小，細(xì)粉越容易團(tuán)聚，兩者共同作用，導(dǎo)致流動(dòng)性變差，在熔敷過(guò)程中容易出現(xiàn)堵粉現(xiàn)象，影響工藝穩(wěn)定性。另一方面，在高熔敷速率下，激光作用時(shí)間短，熔池凝固速度快，單位時(shí)間內(nèi)傳遞到粉末上的能量相對(duì)較少，因此，顆粒度過(guò)大的粉末無(wú)法獲得足夠的能量來(lái)完全熔化，進(jìn)而保留到熔敷層，形成裂紋、氣孔等未熔合缺陷。

12、本發(fā)明第二方面，提供一種耐磨損高強(qiáng)度合金涂層的制備方法，所述合金涂層由上述粉末成分制備得到。在惰性氛圍下，將上述粉末成分作為激光熔敷粉末，對(duì)基體表面進(jìn)行激光熔敷，冷卻得到熔敷涂層。考慮到本發(fā)明金屬粉末中含有較多難熔合金，在基體表面利用激光熔敷技術(shù)制備涂層時(shí)，由于金屬顆粒熔化充分需要高能量密度輸入，在高能量密度輸入下，熔池變深，熔池?cái)嚢枳饔眉訌?qiáng)，難熔金屬粉末比重大，基材鐵元素輕，基材元素上浮，導(dǎo)致基材元素混入更多。同時(shí)，高能量密度也會(huì)給基體造成更深的熱影響區(qū)，導(dǎo)致基體發(fā)生再結(jié)晶退火，導(dǎo)致基體材料原本性能發(fā)生變化。為了避免以上情況發(fā)生，本發(fā)明優(yōu)選的采用低能量密度的激光功率進(jìn)行激光熔敷，所述激光熔敷的激光功率為600～1kw。優(yōu)選的，所述激光熔敷的光斑直徑為1.5～3mm。優(yōu)選的，所述激光熔敷的激光掃描速度為6～8mm/s。優(yōu)選的，所述激光熔敷的送粉速度為1～1.5r/min。優(yōu)選的，所述激光熔敷的搭接率為60％～70％。優(yōu)選的，所述激光熔敷涂層厚度為2～3mm。通過(guò)低能量密度的激光熔敷，可以有效降低熔池深度和熔池?cái)嚢鑿?qiáng)度，減小熱影響區(qū)，從而獲得低鐵含量的熔敷層。

13、本發(fā)明優(yōu)選同步送粉的方式進(jìn)行激光熔敷，同步送粉的方式不僅送粉效率高、能耗低、可控性良好，而且易于自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)。為了確保能夠通過(guò)同步送粉的方式實(shí)現(xiàn)高效可控的激光熔敷，本發(fā)明優(yōu)選將金屬粉末干燥后裝入送粉器，由送粉器經(jīng)送粉管直接送到送粉口與激光一同送出，在激光熔敷的同時(shí)將粉末直接送入激光作用區(qū)，粉末經(jīng)激光熔化，在基體上熔敷，形成熔敷層。在激光熔敷的過(guò)程中，可采用氮?dú)庾鳛槎栊詺夥铡?/p>

14、本發(fā)明第三方面，提供一種激光熔敷涂層，該熔敷涂層由上述合金涂層的制備方法制備得到。

15、本發(fā)明第四方面，提供一種粉末成分在制備激光熔敷涂層中的應(yīng)用，在基體表面將粉末成分通過(guò)激光熔敷制備涂層，所述基體優(yōu)選為45#鋼、球墨鑄鐵、24crnimo鑄鋼或不銹鋼。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

17、(1)本發(fā)明的粉末成分所形成的激光熔敷層具有良好的耐磨和耐蝕性能，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度和韌性，焊接性能優(yōu)異。

18、(2)本發(fā)明金屬粉末中的鐵基合金粉末包含配比適當(dāng)?shù)腸、nb、w、v、ti元素，由此通過(guò)激光熔敷形成的合金涂層中均勻彌散分布碳化鉻、碳化鎢、碳化釩、碳化鈦，不僅細(xì)化了晶粒，提高了涂層強(qiáng)度和硬度，更有效抑制了碳化鉻的析出，進(jìn)一步提高合金涂層的抗蝕性和強(qiáng)度。

19、(3)本發(fā)明金屬粉末中添加強(qiáng)化材料碳化硼和鈮粉末，在熔敷過(guò)程中通過(guò)化學(xué)反應(yīng)直接生成均勻分布在熔敷層中的碳化硼，從而提高了熔敷層的耐磨性和強(qiáng)度，而未熔化的碳化硼也進(jìn)一步提高了熔敷層的耐磨性能。