一种激光熔覆高耐磨合金粉末及其制备方法

一种激光熔覆高耐磨合金粉末及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆合金粉末及其制备方法，特别是一种激光熔覆高耐磨合金粉末及其制备方法，该高耐磨合金粉末适用于激光熔覆高耐磨工况零部件。

背景技术

在现代的日常生活和工业生产中，金属材料的磨损与腐蚀会出现在各个领域，是破坏机械零部件、工程构件的二大主要方式之一，腐蚀将会导致机械零件的大量消耗，而磨损则是导致机械零件失效的重要原因之一。它们在损耗大量金属材料的同时，也浪费了大量资源，在经济损失中占据非常大的比重。

激光熔覆是一项新兴、迅猛发展的技术，它是在高能量密度激光束照射下，基体表面一薄层与根据需要加入的合金同时熔化，形成厚度为10～1000μm表面熔化层，快速凝固以满足某一特殊性能要求的工艺方法，是集激光加热熔化、熔池中物质交互作用及快速凝固成型等多学科交叉的一门新技术，此技术在表面处理方面得到较细致的研究。

激光熔覆层材料的状态一般有粉末状、丝状、膏状等。另外还可将金属板材、粉末冶金制品、钢带和焊条等作为熔覆材料，其中合金粉末在激光熔覆技术中应用最为广泛。

尽管采用复合材料进行激光熔覆可制备高性能的复合材料涂层，但目前国内大多仍然处于实验室的研究中，而且其制备工艺大多都是在实验室内采用将镍基自熔合金与一定含量的WC粉末混合均匀，然后加入饱和松节油或自制的有机粘结剂，调成料浆或膏状，预涂覆于工件上，然后进行激光熔覆或烧结。其所加入的硬质颗粒较大、密度与基体金属不同，颗粒在熔覆层中的分布往往不均匀，通常呈现梯度分布；所加的颗粒材料与基体的润湿性、稳定性、膨胀系数及化学反应活性等均导致熔覆层的组织与性能的不均匀性。且所制备的组合粉末由于各组元比重相差悬殊，因而在贮存、运输和使用过程中而易产生偏析。无法进行商品化市场供应，目前在市场上尚未见有颗粒增强激光熔覆专用粉末商品销售。由于上述原因，至今尚未见激光熔覆专用组合粉末，从而制约了激光熔覆在高耐磨工况领域上的应用。

发明内容

本发明的目的是避免上述现有技术中的不足，开发一种能够满足工程机械严重磨粒磨损工况条件下所需的一种激光熔覆高耐磨合金粉末及其制备方法。

为实现上述目的，本发明可以通过以下基本化学成分的设计和添加硬质化合物和相应的制备技术方案来实现：

本发明所提供的一种激光熔覆高耐磨合金粉末由基体合金粉末与氧化物硬质颗粒和粘结剂所组成，其配比为：50～98%基体合金粉末，1～45%的Al₂O₃或Cr₃C₂、ZrO₂其中之一或二种以上的组合混合体粉末，1～5%的粘结剂制备成组合粉末；其中基体合金的化学成分及其质量百分比为；

0.2～1%C、1～5%Si、2～3.0%B、1.0～1.5%Mn、3～10%Cr、2～5%V、3～5%Mo、0.3～1%Nb、＜15%Fe、0.1～1.2％MgO，1～2％CaF₂，CeO₂、Y₃O₂、La₂O₃其中之一或二种以上的组合≤1％、Ni余量和不可避免的杂质元素；

本发明所提供的氧化物颗粒增强激光熔覆高耐磨镍基合金粉末及其制备方法，其制备工艺步骤是：

基体合金粉末制备→添加氧气化物颗粒→添加粘结剂→搅拌球磨→组合粉末→干燥→破碎→筛分；具体工艺步骤如下：

（1）基体合金制备

基体合金粉末制备的工艺流程为:配料→熔炼→雾化→干燥→筛分；

配料:原料为纯镍、石墨粉、FeCr、FeB、FeSi、W、Mo、Nb、Co、稀土Ce和Y；

熔炼:将上述配制好的原料在真空感应炉或中频感应炉中进行熔炼，熔化温度约为1250℃-1350℃，控制碳含量达到要求，炉前调整成分合格后，出炉温度1200～1300℃；

雾化:采用惰性气或高压水雾化，雾化孔径5～10mm，雾化压力，10～14MPa；

干燥:所用设备是远红外烘干机，烘干温度为220℃～300℃；

筛分:由筛粉机筛出粒度范围为+200目～－350目的粉末作为成品粉；

（2）添加碳化物颗粒

选取粒度范围为+200目～－350目的市售Al₂O₃或Cr₃C₂、ZrO₂其中之一或二种以上的组合混合体粉末作为增强硬质颗粒；

（3）添加粘结剂

采用热固型的酚醛树脂、环氧树脂或水玻璃做粘结剂，加入环己酮或甲醇溶剂，使其溶解成树脂溶液；

（4）搅拌球磨

将制备好的基体合金粉末和Al₂O₃或Cr₃C₂、ZrO₂其中之一或二种以上的组合混合体粉末作为增强硬质颗粒；和粘结剂按照所需的比例进行配置后，倒入搅拌球磨机中，将所需剂量的树脂溶解于环己酮或甲醇溶剂使其溶解成树脂溶液；搅拌均匀后倒入球磨机内所需处理的混合粉中，将球体直径10～20mm的磨球按照2:1～3:1球料比配制好后加入到搅拌球磨机中，起动搅拌球磨机，经5～60小时的充分搅拌球磨，使混合粉各组分及树脂液都分布均匀，将各组元粉末颗粒包裹起来，并粘结在一起，制备成组合粉末;

（5）干燥

将球磨好的组合粉末从球磨机中倒出，然后经150℃～200℃干燥；

（6）破碎和筛分

将干燥好的组合粉末进行破碎，由筛粉机筛出粒度范围为+200目～－350目的粉末分别作为成品粉，即得所需成分、所需粒度等级而又不会发生组分偏析的组合粉末。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详述。

实施例一

一种激光熔覆高耐磨合金粉末及其制备方法，该激光熔覆高耐磨镍基合金粉末由基体合金粉末与氧化物硬质颗粒和粘结剂所组成，其配比为：70%基体合金粉末，29%的Al₂O₃，1%的酚醛树脂粘结剂制备成组合粉末；其中基体合金的化学成分及其质量百分比为；

该合金成份为1%C、3%Si、2%B、4%Cr、4.0%V、4%Mo、1.20%Mn、0.5%Nb、10%Fe、0.1％MgO，0.5％CaF₂，0.2%CeO₂、0.2%Y₃O₂、0.2%La₂O₃、Ni余量；

其制造工艺步骤：

基体合金粉末制备→添加氧化物颗粒→添加粘结剂→搅拌球磨→组合粉末→干燥→破碎→筛分；具体工艺步骤如下：

（1）基体合金制备

基体合金粉末制备的工艺流程为:配料→熔炼→雾化→干燥→筛分；

配料:原料为纯镍、石墨粉、FeCr、FeB、FeSi、W、Mo、Nb、Co、稀土Ce和Y；将C、Si、B、Cr、Cu、Sn、Fe、MgO、CaF₂、CeO₂、Y₃O₂、La₂O₃、Ni按上述重量百分比配比，准备好制作基体金属粉末的原材料。

熔炼:启动真空感应中频炉，按熔炼工艺的要求，放入金属开始熔炼，一般容易氧化的金属在熔化的后期放入。熔化温度约控制在1250-1300℃；当本炉的金属全部在炉内熔化后，进行造渣，去除金属液中的杂质，然后进入精炼期进行精炼，浇注前加入脱氧剂进行脱氧，控制碳含量达到要求，炉前调整成分合格后，出炉温度控制在1200～1300℃。

雾化:将熔炼合格的合金液体倒入锥体漏包中，开始进行金属粉末的雾化，打开高压惰性气体瓶，将来自气瓶的高压气体作为气刀，对熔化后经孔径为5～10mm的漏嘴约束后成一细流的熔融金属液流进行切割雾化，雾化压力10～14MPa，将金属雾化成极微小的金属液滴，最后凝固成合金粉末。凝固后的金属粉末，在高温时还是相当容易氧化的，所以须在无氧或低氧的环境下让其冷却到室温，才能减少粉末的含氧量。正常的雾化时间在5～20分钟左右。

干燥:所用设备是远红外烘干机，烘干温度约250℃，干燥后的金属粉末，先取样进行化学成份的化验，合格后转入下道工序。

筛分:由筛粉机筛出粒度范围为+200目～－350目的粉末作为成品粉。

（2）添加氧化物颗粒

选取粒度范围为－300目的市售Al₂O₃粉末作为增强颗粒；

（3）添加粘结剂

采用热固型的酚醛树脂做粘结剂，加入环己酮溶剂，使其溶解成树脂溶液；

（4）搅拌球磨

将制备好的基体合金粉末和Al₂O₃粉末和粘结剂按照上述的比例进行配置后，倒入搅拌球磨机中，将1%热固型的酚醛树脂溶解于环己酮溶剂中使其溶解成树脂溶液，搅拌均匀后倒入球磨机内的所需处理的混合粉中，将球体直径12mm的磨球按照2:1球料比配制好后加入到搅拌球磨机中，经30小时的充分搅拌球磨，使混合粉各组分及树脂液都分布均匀，将各组元粉末颗粒包裹起来，并粘结在一起，制备成组合粉末;

（5）干燥

将球磨好的组合粉末从球磨机中倒出，然后经180℃干燥；

（6）破碎和筛分

将干燥好的组合粉末进行破碎，由筛粉机筛出粒度范围为+150目～－350目的粉末作为成品粉，即得所需成分、所需粒度等级而又不会发生组分偏析的组合粉末。

按用户的要求进行筛分，包装入库。

实施例二

一种激光熔覆高耐磨合金粉末及其制备方法，该激光熔覆高耐磨合金粉末由基体合金粉末与碳化物硬质颗粒和粘结剂所组成，其配比为：80%基体合金粉末，17%的TiC，3%的环氧树脂粘结剂制备成组合粉末；其中基体合金的化学成分及其质量百分比为；

该合金成份为0.4%C、2.5%Si、2.5%B、4.5%Cr、5.0%V3%Mo、1.0%Mn、0.7%Nb、12%Fe、0.15％MgO，0.9％CaF₂，0.25%CeO₂、0.25%Y₃O₂、0.25%La₂O₃Ni余量。

（2）添加氧化物颗粒

选取粒度范围为－300目的市售ZrO₂粉末作为增强颗粒；

（3）添加粘结剂

采用热固型的环氧树脂做粘结剂，加入甲醇溶剂，使其溶解成树脂溶液；

（4）搅拌球磨

将制备好的基体合金粉末和ZrO₂粉末和粘结剂按照上述的比例进行配置后，倒入搅拌球磨机中，将3%热固型的酚醛树脂溶解于甲醇溶剂中使其溶解成树脂溶液，搅拌均匀后倒入球磨机内的所需处理的混合粉中，将球体直径16mm的磨球按照3:1球料比配制好后加入到搅拌球磨机中，经20小时的充分搅拌球磨，使混合粉各组分及树脂液都分布均匀，将各组元粉末颗粒包裹起来，并粘结在一起，制备成组合粉末;

其制备方法与实施例一相同。