一种激光熔覆原位生成用合金粉末及使用该粉末制备熔覆层

1.本发明属于激光熔覆表面强化领域，具体为一种用于原位生成tic增强相的合金粉末及使用该粉末制备的熔覆层。

背景技术：

2.渣浆泵是一种性能强、效率高的离心泵，目前广泛应用于矿山、煤炭及电力等领域。渣浆泵所处工作环境恶劣，过流部件损耗严重且主要失效形式为表面磨损和腐蚀。作为渣浆泵主要过流部件的泵壳、叶轮及衬板，要求其材料需要具有较高耐磨及耐腐蚀性能。高铬铸铁以良好的耐磨性、强韧性与耐腐蚀性，被公认为最优良的耐磨材料之一，广泛应用于渣浆泵过流部件的制作。高铬铸铁具有优良性能的主要原因是组织中高硬度的m7c3型碳化物在基体中呈板条状或六角形杆状分别，连续程度较低，所以对基体的破坏作用大大减小。过流部件的磨损与腐蚀将导致工况恶化、效率下降和使用年限缩短，因此，高铬铸铁部件表面制备高性能涂层、修复再制造具有重要的经济价值与现实意义。
3.激光熔覆是利用高能密度的激光束将熔覆材料与基体表面一起融化，并快速凝固，使熔覆层与基体表面达到冶金结合的效果，显著改善基材表面的耐磨、耐蚀、耐热及抗氧化等性能。采用激光熔覆技术可以在普通材料表面获得具有特殊性能的熔覆层，同时节约大量贵重金属，是一种高效经济的表面处理技术。从上世纪70年代开始，激光熔覆技术一直受到广泛关注，我国工作人员也做了大量研究，在选择熔覆材料配制、优化激光熔覆工艺体系、开发计算机辅助编程等方面取得很大进步。激光熔覆技术与传统的热喷涂、堆焊、渗碳渗氮等工艺相比，加热冷却速度极快，产生细晶组织，提高综合性能；适用材料广泛，能够根据使用性能要求配备粉末体系；熔覆层稀释率低，成冶金结合状态；熔覆层的厚度可控，工艺灵活性高；原材料利用率高，节能环保。目前激光熔覆被广泛应用于模具、燃气轮机叶片、轧辊、航天零部件等的表面改性及修复。
4.激光熔覆金属陶瓷复合涂层由于兼有金属基体(高韧性)和陶瓷相(高强度、高耐磨、良好的耐高温等性能)的双重优点该领域的研究近年来发展迅速。但由于脆性大且与基体润湿性差的问题限制了它们的应用。而且近年来发展的原位自生技术令增强相同基体的界面问题得到了很好的解决，采用此方法制备的复合材料，陶瓷相同基体之间具有直接原子结合的界面结构，界面平直无反应物或析出相的出现，所得材料的性能明显优于外加陶瓷颗粒法。原位生成的增强相具有热力学稳定、分布均匀、界面洁净、与基体结合良好等优点是制备复合涂层的优选方法。

技术实现要素：

5.本发明提供一种激光熔覆用合金粉末，采用如下技术方案：
6.一种激光熔覆用合金粉末，包括ⅰ号粉末、ⅱ号粉末和ⅲ号粉末，粉末ⅰ、粉末ⅱ和粉末ⅲ在惰性气体保护下混合均匀，其特征在于：所述粉末ⅰ为99.99％纯ti粉；所述粉末ⅱ为sic粉末；所述粉末ⅲ的化学成分及用量按质量百分比计为：c 0.5％～1.0％，si 3.5％
～5.0％，cr 15.0％～19.0％，b 3.0％～4.5％，fe 3.0％～5.0％，cu 1.0％～4.0％，mo1.0％～4.0％，la 1.0％～1.5％，余量为ni。
7.所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为4.6％，粉末ⅱ的质量百分比为5.4％，余量为粉末ⅲ。
8.所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为9.2％，粉末ⅱ的质量百分比为10.8％，余量为粉末ⅲ。
9.所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为13.8％，粉末ⅱ的质量百分比为16.2％，余量为粉末ⅲ。
10.所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为18.4％，粉末ⅱ的质量百分比为21.6％，余量为粉末ⅲ。
11.所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为14.8％，粉末ⅱ的质量百分比为25.2％，余量为粉末ⅲ。
12.所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为28.0％，粉末ⅱ的质量百分比为12.0％，余量为粉末ⅲ。
13.所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于：所述激光熔覆的ti粉末粒径为62μm～85μm，优选62μm～75μm。
14.所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于：所述激光熔覆的sic粉末的粒度范围为48μm～58μm，优选48μm～50μm。
15.所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于：所述激光熔覆的粉末ⅲ的粒径为45μm～106μm，优选45μm～60μm。
16.所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于：用于制备过流部件表面强化保护层。
17.所述的激光熔覆的保护层，其特征在于：所述保护层熔覆长度为，熔覆层厚度为1.0mm～1.5mm，熔池深度为0.5mm～1.5mm。
18.本发明提供了一种激光熔覆原位生成制备工艺。通过同步送粉法经由激光熔覆使合金粉末和基体表面同时熔化，并快速凝固成稀释率低，与基体成冶金结合且高硬度涂层，具体包括以下步骤：
19.(1)将高铬铸铁基材进行打磨去除氧化层，然后用酒精、丙酮超声清洗干净。
20.(2)将ⅰ号粉末、ⅱ号粉末和ⅲ号粉末按照比例配置，在氩气保护中进行机械混合。
21.(3)将步骤(2)的粉末进行干燥处理，再经激光熔覆后得到熔覆层。
22.优选的，本发明步骤(1)预处理的基体为高铬铸铁制得的渣浆泵过流部件。
23.优选的，本发明步骤(3)中干燥的条件为：在温度为300℃下真空恒温处理4～8h。
24.优选的，本发明步骤(3)所述激光熔覆由高功率co2激光器完成，激光熔覆过程设置参数为：激光功率为1000w、扫描速度为7mm/s、送粉率为15g/min、光斑直径为3mm，保护气体为氩气，气体流量为0～8l/min。
25.优选的，本发明步骤(3)熔覆层厚度为1.0mm～1.5mm，熔池深度为0.5mm～1.5mm。
26.本发明具有以下技术效果：
27.1.熔覆层硬度高，耐磨性能优秀。通过原位生成技术，在熔覆层凝固过程中生成了众多细小弥散的tic增强相颗粒，由于原位生成技术相较于外加增强相法的优点，避免了熔覆过程中裂纹开裂的倾向。在固溶强化、细晶强化以及第二相强化的综合作用下，熔覆层显
微硬度提高明显，摩擦磨损机制发生改变，耐磨性提升。
28.2.熔覆层电化学性能优秀，耐蚀性好。通过对熔覆层钝化区参数进行对比分析，添加的cr、ni元素电极电位较高，cu、mo元素的加入可以有效提升合金的腐蚀电位，并固溶于ni基合金γ相中，提高钝化能力，提高对酸和盐类的腐蚀抗性。
29.3.实验表明：利用本发明的合金粉末在高铬铸铁表面进行激光熔覆，显微硬度最高为982.5hv，达到了基体的2.09倍；熔覆层的显微组织从底部至顶部呈现由逐渐细化的趋势；因其较高的硬度和韧性，熔覆层的冲蚀磨损形貌主要表现为较浅的犁沟；理论计算其使用周期约为普通渣浆泵的4倍以上。
30.本发明的核心在于给出了一种激光熔覆原位生成tic增强相的合金粉末配比，并优化各组分用量的合理范围及加工的工艺参数，通过多种元素协同作用、相互结合、相互支撑，共同起到了固溶强化作用、第二相强化作用以及细晶强化作用，各元素的综合作用才是本发明的核心创造。
具体实施方式
31.以下结合实施例和对比例对本发明的原理和特征进行描述，所列举实施例和对比例只用于解释本发明，并非限定本发明的范围。
32.实施例1：
33.一种激光熔覆用合金粉末，包括粉末ⅰ、粉末ⅱ和粉末ⅲ，粉末ⅰ为99.99％纯ti粉，所述激光熔覆的ti粉末粒径优选为62μm～75μm。
34.粉末ⅱ为sic粉末，所述激光熔覆的ti粉末粒径优选为48μm～50μm。
35.所述粉末ⅲ的化学成分及用量按质量百分比计为：c0.5％～1.0％，si 3.5％～5.0％，cr 15.0％～19.0％，b 3.0％～4.5％，fe3.0％～5.0％，cu 1.0％～4.0％，mo 1.0％～4.0％，la 1.0％～1.5％，余量为ni。
36.粉末ⅲ的粒径为1μm～5μm。
37.所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为4.6％，粉末ⅱ的质量百分比为5.4％，余量为粉末ⅲ。
38.粉末ⅰ、粉末ⅱ和粉末ⅲ在氩气保护下机械混合均匀构成激光熔覆用合金粉末。
39.利用激光熔覆技术在高铬铸铁基体表面制备熔覆层。激光熔覆过程设置参数为：激光功率为1000w、扫描速度为7mm/s、送粉率为15g/min、光斑直径为3mm，保护气体为氩气，气体流量为0～8l/min。熔覆层厚度为1.0mm～1.5mm。
40.实施例2：
41.一种激光熔覆用合金粉末，包括粉末ⅰ、粉末ⅱ和粉末ⅲ，粉末ⅰ为99.99％纯ti粉，所述激光熔覆的ti粉末粒径优选为62μm～75μm。
42.粉末ⅱ为sic粉末，所述激光熔覆的ti粉末粒径优选为48μm～50μm。
43.所述粉末ⅲ的化学成分及用量按质量百分比计为：c0.5％～1.0％，si 3.5％～5.0％，cr 15.0％～19.0％，b 3.0％～4.5％，fe3.0％～5.0％，cu 1.0％～4.0％，mo 1.0％～4.0％，la 1.0％～1.5％，余量为ni。
44.粉末ⅲ的粒径为1μm～5μm。
45.所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为9.2％，粉末ⅱ的质量百分比为
10.8％，余量为粉末ⅲ。
46.粉末ⅰ、粉末ⅱ和粉末ⅲ在氩气保护下机械混合均匀构成激光熔覆用合金粉末。
47.如上所述的激光熔覆用合金粉末的制备带熔覆的钢轨，其制备方法如实施例1所述。
48.实施例3：
49.一种激光熔覆用合金粉末，包括粉末ⅰ、粉末ⅱ和粉末ⅲ，粉末ⅰ为99.99％纯ti粉，所述激光熔覆的ti粉末粒径优选为62μm～75μm。
50.粉末ⅱ为sic粉末，所述激光熔覆的ti粉末粒径优选为48μm～50μm。
51.所述粉末ⅲ的化学成分及用量按质量百分比计为：c0.5％～1.0％，si 3.5％～5.0％，cr 15.0％～19.0％，b 3.0％～4.5％，fe3.0％～5.0％，cu 1.0％～4.0％，mo 1.0％～4.0％，la 1.0％～1.5％，余量为ni。
52.粉末ⅲ的粒径为1μm～5μm。
53.所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为13.8％，粉末ⅱ的质量百分比为16.2％，余量为粉末ⅲ。
54.粉末ⅰ、粉末ⅱ和粉末ⅲ在氩气保护下机械混合均匀构成激光熔覆用合金粉末。
55.如上所述的激光熔覆用合金粉末的制备带熔覆的钢轨，其制备方法如实施例1所述。
56.实施例4：
57.一种激光熔覆用合金粉末，包括粉末ⅰ、粉末ⅱ和粉末ⅲ，粉末ⅰ为99.99％纯ti粉，所述激光熔覆的ti粉末粒径优选为62μm～75μm。
58.粉末ⅱ为sic粉末，所述激光熔覆的ti粉末粒径优选为48μm～50μm。
59.所述粉末ⅲ的化学成分及用量按质量百分比计为：c0.5％～1.0％，si 3.5％～5.0％，cr 15.0％～19.0％，b 3.0％～4.5％，fe3.0％～5.0％，cu 1.0％～4.0％，mo 1.0％～4.0％，la 1.0％～1.5％，余量为ni。
60.粉末ⅲ的粒径为1μm～5μm。
61.所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为18.4％，粉末ⅱ的质量百分比为21.6％，余量为粉末ⅲ。
62.粉末ⅰ、粉末ⅱ和粉末ⅲ在氩气保护下机械混合均匀构成激光熔覆用合金粉末。
63.如上所述的激光熔覆用合金粉末的制备带熔覆的钢轨，其制备方法如实施例1所述。
64.实施例5：
65.一种激光熔覆用合金粉末，包括粉末ⅰ、粉末ⅱ和粉末ⅲ，粉末ⅰ为99.99％纯ti粉，所述激光熔覆的ti粉末粒径优选为62μm～75μm。
66.粉末ⅱ为sic粉末，所述激光熔覆的ti粉末粒径优选为48μm～50μm。
67.所述粉末ⅲ的化学成分及用量按质量百分比计为：c0.5％～1.0％，si 3.5％～5.0％，cr 15.0％～19.0％，b 3.0％～4.5％，fe3.0％～5.0％，cu 1.0％～4.0％，mo 1.0％～4.0％，la 1.0％～1.5％，余量为ni。
68.粉末ⅲ的粒径为1μm～5μm。
69.所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为14.8％，粉末ⅱ的质量百分比
为25.2％，余量为粉末ⅲ。
70.粉末ⅰ、粉末ⅱ和粉末ⅲ在氩气保护下机械混合均匀构成激光熔覆用合金粉末。
71.如上所述的激光熔覆用合金粉末的制备带熔覆的钢轨，其制备方法如实施例1所述。
72.实施例6：
73.一种激光熔覆用合金粉末，包括粉末ⅰ、粉末ⅱ和粉末ⅲ，粉末ⅰ为99.99％纯ti粉，所述激光熔覆的ti粉末粒径优选为62μm～75μm。
74.粉末ⅱ为sic粉末，所述激光熔覆的ti粉末粒径优选为48μm～50μm。
75.所述粉末ⅲ的化学成分及用量按质量百分比计为：c0.5％～1.0％，si 3.5％～5.0％，cr 15.0％～19.0％，b 3.0％～4.5％，fe3.0％～5.0％，cu 1.0％～4.0％，mo 1.0％～4.0％，la 1.0％～1.5％，余量为ni。
76.粉末ⅲ的粒径为1μm～5μm。
77.所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为28.0％，粉末ⅱ的质量百分比为12.0％，余量为粉末ⅲ。
78.粉末ⅰ、粉末ⅱ和粉末ⅲ在氩气保护下机械混合均匀构成激光熔覆用合金粉末。
79.如上所述的激光熔覆用合金粉末的制备带熔覆的钢轨，其制备方法如实施例1所述。
80.将实施例1-4制备的合金粉末进行激光熔覆后得到高铬铸铁熔覆层，观察其表面形貌，测试其耐磨性、磨损失重及冲蚀磨损实验，用sem+eds进行面扫描测试熔覆层化学成分均匀性，每项进行5次试验，取5次试验结果的平均值，如表1所示。以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种激光熔覆用合金粉末，包括ⅰ号粉末、ⅱ号粉末和ⅲ号粉末，粉末ⅰ、粉末ⅱ和粉末ⅲ在惰性气体保护下混合均匀，其特征在于：所述粉末ⅰ为99.99％纯ti粉；所述粉末ⅱ为sic粉末；所述粉末ⅲ的化学成分及用量按质量百分比计为：c 0.5％～1.0％，si 3.5％～5.0％，cr 15.0％～19.0％，b 3.0％～4.5％，fe 3.0％～5.0％，cu1.0％～4.0％，mo 1.0％～4.0％，la 1.0％～1.5％，余量为ni。2.根据权利要求1所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于：所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为4.6％，粉末ⅱ的质量百分比为5.4％，余量为粉末ⅲ。3.根据权利要求1所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于：所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为9.2％，粉末ⅱ的质量百分比为10.8％，余量为粉末ⅲ。4.根据权利要求1所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于：所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为13.8％，粉末ⅱ的质量百分比为16.2％，余量为粉末ⅲ。5.根据权利要求1所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于：所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为18.4％，粉末ⅱ的质量百分比为21.6％，余量为粉末ⅲ。6.根据权利要求1所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于：所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为14.8％，粉末ⅱ的质量百分比为25.2％，余量为粉末ⅲ。7.根据权利要求1所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于：所述激光熔覆用合金粉末中粉末ⅰ的质量百分比为28.0％，粉末ⅱ的质量百分比为12.0％，余量为粉末ⅲ。8.根据权利要求1任意之一所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于：所述激光熔覆的ti粉末粒径为62μm～85μm，优选62μm～75μm。9.根据权利要求1任意之一所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于：所述sic粉末的粒度范围为48μm～58μm，优选48μm～50μm。10.根据权利要求1任意之一所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于：所述粉末ⅲ的粒径为45μm～106μm，优选45μm～60μm。11.一种如权利要求1所述的激光熔覆用合金粉末，其特征在于：用于制备过流部件表面强化保护层。12.根据权利要求1所述熔覆层材料的制备方法，其特征在于：所述激光熔覆过程由高功率激光器完成，激光熔覆过程设置参数为：激光功率为1000w、扫描速度为7mm/s、送粉率为15g/min、光斑直径为3mm，保护气体为氩气，气体流量为0～8l/min。13.根据权利要求7所述的表面熔覆的保护层，其特征在于：所述保护层熔覆层厚度为1.0mm～1.5mm，熔池深度为0.5mm～1.5mm。

技术总结

本发明属于激光表面强化领域，具体设计了一种镍基激光熔覆原位生成TiC增强相的熔覆用合金粉末配比，该合金粉末包含三种粉末颗粒，分别是99.99％纯Ti的Ⅰ号粉，Ⅱ号粉为SiC粉末，Ⅲ号粉的化学成分及质量百分比为：C 0.5％～1.0％，Si 3.5％～5.0％，Cr15.0％～19.0％，B 3.0％～4.5％，Fe 3.0％～5.0％，Cu 1.0％～4.0％，Mo1.0％～4.0％，La 1.0％～1.5％，余量为Ni。将干燥后的熔覆粉末预置在送粉器中，并在氩气氛围保护下，利用高能激光束在高铬铸铁上采用同步送粉法制备熔覆涂层。利用该混合合金粉末可制备渣浆泵过流部件的表面熔覆层，熔覆层深度为1.0～3.0mm，硬度高、耐腐蚀性好，有效提高了渣浆泵的工作寿命。效提高了渣浆泵的工作寿命。