一种用于激光熔覆的镍基合金粉末及激光熔覆方法

技术领域

本发明属于一种激光熔覆领域，具体属于一种用于激光熔覆的镍基合金粉末及激光熔覆方法。

背景技术

激光熔覆技术又叫激光再制造技术、激光修复技术，一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。激光熔覆技术是利用激光和纳米材料对各类零件进行合金强化处理的新兴技术，处理后能够显著提高其表面的硬度和耐磨性，延长零件的使用寿命。

液压油缸是煤矿井下液压动力源的主要部件，受井下高温、高湿、机械摩擦等外部因素长期影响，油缸表面会出现不同程度的磨损、腐蚀及其他理化现象，若不及时修复处理，会造成油缸漏油、动力不足等问题，影响工作面高效生产。如果对整个油缸进行更换，费时费力而且成本较高。激光熔覆技术是目前煤矿设备常用的激光表面强化技术，利用激光熔覆强化技术修复液油缸破损面，不仅省时省力，而且可以有效控制受损面，进一步延长油缸使用寿命。

激光熔覆材料的状态一般有粉末状、丝状等，应用最广泛的是粉末状材料，主要分为金属粉末、陶瓷粉末以及两者复配的复合粉末，而金属粉末由于对碳钢、不锈钢、铸钢等多种基材具有良好的适应性因此研究最多。以金属粉末中的自熔性合金粉末为例，最具代表性的为镍基、钴基、铁基粉末：铁基合金粉末虽然价格较低，但是其各项性能都不如镍基和钴基粉末；钴基合金粉末耐高温、耐磨和耐腐蚀性能最好，但是价格较高；镍基粉末耐热性、耐腐蚀性能较好但是耐高温性能较差，价格较为适中。

目前，液压支架油缸表面采用激光熔覆技术，常用铁基合金粉末，粉末成分包括C、Si、Cr、Ni、Mo、V和Fe，具体组成为C：0.1~0.155%、Si：1.0~1.53%、Cr：17.5~19.4%、Ni：2.45~3.48%、Mo：0.31~0.5%、V：0.01~0.05%，余量为铁。铁基粉末中含Cr量决定了成本，现有常用铁基粉末的含Cr量较高，其成本并不低，且现有铁基合金粉末的硬度、耐磨、耐腐蚀和焊接性能一般。

发明内容

本发明针对现有激光熔覆技术不足，提出一种能够保证激光熔覆层耐腐蚀、耐磨性能和硬度，又同时提高熔覆层的机械强度和韧性的激光熔覆镍基合金粉末，通过配方配比优化使得这种合金粉末在完全不牺牲其硬度、耐磨、耐腐蚀性能的同时，提高其可焊性以及附着强度，使油缸在使用中熔覆层不会脱落从而延长其使用寿命，具有广阔的推广应用前景。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种用于激光熔覆的镍基合金粉末，所述镍基合金粉末由C、Cr、B、Si、Fe、Mn、La和Ni组成，且各组份的质量百分比含量为：

C：0.6%～1.0%；

Si：3%～4.5%；

Cr：14%～17%；

B：2.5%～4.5%；

Fe：13.4%～15%；

Mn：5%～7.448%；

La：0.1%～0.5%；

其余为Ni。

进一步的根据本发明所述的镍基合金粉末，其中各组份的质量百分比含量为：

C：1.0%；

Si：3.742%；

Cr：14.227%；

B：2.754%；

Fe：14.000%；

Mn：6.173%；

La：0.22%

其余为Ni。

进一步的根据本发明所述的镍基合金粉末，其中各组份的质量百分比含量为：

C：0.422%；

Si：4.512%；

Cr：15.700%；

B：3.414%；

Fe：14.322%；

Mn：5.779%；

La：0.34%

其余为Ni。

进一步的根据本发明所述的镍基合金粉末，其中各组份的质量百分比含量为：

C：0.820%；

Si：4.765%；

Cr：14.973%；

B：3.448%；

Fe：13.779%；

Mn：6.769%；

La：0.41%

其余为Ni。

其余为Fe。

进一步的根据本发明所述的镍基合金粉末，其中基于所述镍基合金粉末形成的激光熔覆层的厚度在0.4~1.5mm之间可调，激光熔覆层的硬度大于60HRC，激光熔覆层经300小时中性盐雾实验后腐蚀面积在0.1-0.25%。

一种基于本发明所述的镍基合金粉末进行的激光熔覆方法，所述激光熔覆方法包括以下步骤：

步骤一、进行待熔覆工件的表面处理；

步骤二、取预定量的所述镍基合金粉末至加热炉中进行加热烘干；

步骤三、利用激光器的输出激光照射所述镍基合金粉末以在待熔覆工件表面形成激光熔覆层；

步骤四、进行激光熔覆层的后处理。

进一步的根据本发明所述的激光熔覆方法，其中步骤一中所述的表面处理包括表面清洗、除锈、去油和去污处理。

进一步的根据本发明所述的激光熔覆方法，其中步骤三中，基于半导体激光器和所述镍基合金粉末进行激光熔覆，控制激光熔覆参数为：激光功率为4000W~10000W，输出激光在工件表面的光斑尺寸为长15~20mm、宽3mm宽，激光熔覆速率为500mm~800mm/min，激光熔覆搭接率为50%，送粉速率为40g~80g/min，激光熔覆层厚度为0.4~1.5mm ，优选的在1.0mm~1.5mm。

进一步的根据本发明所述的激光熔覆方法，其中步骤四中，通过机械加工对激光熔覆层进行后处理，后处理后激光熔覆层的厚度控制在0.4~0.6mm。

进一步的根据本发明所述的激光熔覆方法，其中所述的待熔覆工件为液压支架油缸，经检测所述激光熔覆层的硬度大于60HRC，激光熔覆层经300小时中性盐雾实验后腐蚀面积在0.1-0.25%。

通过本发明的技术方案能够达到以下技术效果：

（1）本发明在激光熔覆镍基合金粉末中同时加入微量的Mn和La元素，使得各元素相互作用并能够充分发挥各自功效，加速高温变形后能应变诱导B(C、N)的析出，明显地稳定了奥氏体中的位错结构，阻止了新相组织的进一步长大，在相变过程中大幅度提高了位错密度，从而使熔覆层具有非常高的强韧性，加入稀土元素镧能够时Mn在晶界上有很好的弥散性，很好的改善熔覆层的韧性和强度，并具有良好的机械加工性能，从而本专利发明了一种全新的应用于激光熔覆技术领域的镍基合金粉末，具有广阔的推广前景。

（2）本发明基于全新的激光熔覆镍基合金粉末提出了一种全新的激光熔覆工艺方法，并具有如下优点：经过测试应用本发明所述镍基合金粉末进行液压支架油缸类工件的熔覆能够保证该类产品的表面熔覆层强度、耐磨、耐腐蚀性能，同时还能改善其内部组织，使其达到更高的的强度和韧性，改善其与基材的结合强度，有更好的耐久性。且镍基合金粉末和熔覆工艺不需要预热和后热，大大提高了熔覆效率。同时可进一步降低材料成本，进而降低了激光熔覆成本。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明的方案，但并不因此限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种可用于液压支架油缸的激光熔覆合金粉末，所述激光熔覆合金粉末包括C、Cr、B、Si、Fe、Mn、La和Ni。

本发明所述激光熔覆镍基合金粉末的成分组成如下（重量百分比）：

C：0.6%～1.0%；Si：3%～4.5%；Cr：14%～17%；B：2.5%～4.5%；Fe：13.4%～15%；Mn：5%～7.448%；La：0.1%～0.5%其余为Ni。

作为第一优选方案，本发明所述激光熔覆镍基合金粉末的具体成分组成为（重量百分比）：

C：1.0%；Si：3.742%；Cr：14.227%；B：2.754%；Fe：14.000%；Mn：6.173%；La：0.22%；其余为Ni。

作为第二优选方案，本发明所述激光熔覆镍基合金粉末的具体成分组成为（重量百分比）：

C：0.422%；Si：4.512%；Cr：15.700%；B：3.414%；Fe：14.322%；Mn：5.779%；La：0.34%；其余为Ni。

作为第三优选方案，本发明所述激光熔覆镍基合金粉末的具体成分组成为（重量百分比）：

C：0.820%；Si：4.765%；Cr：14.973%；B：3.448%；Fe：13.779%；Mn：6.769%；La：0.41%；其余为Ni。

本发明通过大量的熔覆焊接试验，总结出在激光熔覆镍基合金粉末中新加入适当比例的Mn和La，能够提升镍基合金粉末熔覆后的强度和韧性，改善可焊性，增强与基材的结合力。本发明通过大量的熔覆试验发现所加入的La在增强各合金元素的弥散性有很大的作用，同时进一步提升整体性能中各自所发挥的平衡优化作用如下：

（1）Mn：经过大量熔覆试验我们发现锰元素能够提高熔覆的强度，特别是耐腐蚀性能，同时锰元素的缺点是在热加工时容易产生热脆，经现场测试当锰含量超过7.5%时塑性显著降低，当锰含量小于5%时基本对强度无影响。本发明通过大量试验总结出应用于激光熔覆镍基合金粉末中的Mn含量在5%～7.5%时性能发挥最为全面、彻底，该含量作为本发明所述镍基合金粉末中Mn元素的最佳含量范围。

（2）La：经过大量熔覆试验我们发现稀土元素镧能细化晶粒和提高合金元素在镍基晶粒中的弥散性，提高韧性。经过大量试验发现，当La的含量大于0.5%时会降低该镍基合金熔覆层的硬度，而当La含量小于0.1%时，熔覆层的可焊性变差，焊后会出现大量裂纹。本发明通过大量试验总结出应用于激光熔覆镍基合金粉末中的La含量在0.1%～0.5%时性能发挥最为全面、彻底，该含量作为本发明所述镍基合金粉末中La元素的最佳含量范围。

本发明在所述激光熔覆镍基合金粉末中同时加入上述Mn和La元素，使得各元素相互作用并能够充分发挥各自功效，加速高温变形后能应变诱导B(C、N)的析出，明显地稳定了奥氏体中的位错结构，阻止了新相组织的进一步长大，在相变过程中大幅度提高了位错密度，从而使熔覆层具有非常高的强韧性。加入微量La元素，增加了各合金元素在镍基晶粒中的弥散性，增强了材料的韧性，从而本专利发明了一种全新的应用于激光熔覆技术领域的镍基合金粉末，具有广阔的推广前景。

进一步的本发明提出一种基于本发明全新提出的激光熔覆镍基合金粉末进行的激光熔覆工艺方法，具体包括如下步骤：

步骤一、首先进行待熔覆工件的表面处理，本发明中优选的将液压支架油缸作为待熔覆工件，对油缸表面进行清洗、除锈、去油和去污处理；

步骤二、将激光熔覆镍基合金粉末烘干，取本发明所述的激光熔覆镍基合金粉末至加热炉进行加热烘干；

步骤三、实施激光熔覆：优选的采用半导体激光器和本发明所述的镍基合金粉末进行激光熔覆，控制熔覆参数为：激光功率选择为4000W~10000W、输出激光在工件表面的光斑尺寸开支为长15~20mm、宽3mm，控制激光熔覆速度500mm~800mm/min，熔覆搭接率为50%，熔覆时送粉速度40g~80g/min，熔覆厚度为1.0mm~1.5mm。

步骤四、熔覆后处理：将熔覆层进行机械加工，加工完成后熔覆层厚度在0.4~0.6mm。

基于本发明全新提出的激光熔覆镍基合金粉末进行的激光熔覆工艺方法具有如下优点：

（1）经过测试应用本发明所述镍基合金粉末进行液压支架油缸类工件的熔覆能够保证该类产品的表面熔覆层强度、耐磨、耐腐蚀性能的同时，改善其内部组织，提高其强度和韧性，增强其与基材的结合强度，延长产品的使用寿命。

（2）本文所述的镍基合金粉末和熔覆工艺不需要预热和后热，大大提高了熔覆效率。

（3）本发明所述的镍基粉末和其他镍基合金粉末相比，扩大了其适用范围，使该类材料有更广泛的应用场景。

下面进一步给出本发明的应用实施例。

实施例1

在本实施例1中，针对高湿环境下液压支架油缸的表面进行激光熔覆，所采用的镍基合金粉末的成分质量百分比组成为：C：1.0%；Si：3.742%；Cr：14.227%；B：2.754%；Fe：14.000%；Mn：6.173%；La：0.22%；其余为Ni。

本实施例针对该类液压支架油缸进行的表面熔覆处理方法具体包括以下步骤：

1.表面处理：对液压支架油缸表面进行清洗、除锈、去油和去污处理；

2.粉末烘干：熔覆前取上述镍基合金粉末至加热炉进行加热，加热温度至200℃。

3.激光熔覆：采用半导体激光器及上述镍基合金粉末进行激光熔覆。其中熔覆参数为：激光功率为4000W、光斑长15mm、宽3mm，熔覆速度500mm/min，搭接率50%，送粉速度40g/min，熔覆厚度1.0mm。

4.熔覆后处理：将熔覆层机械加工，加工完熔覆层厚度0.5mm。

5.熔覆后检测：熔覆层未发现裂纹、气孔和夹渣等问题，测得熔覆层硬度为61.2HRC。

6.耐腐蚀实验：选用中性盐雾实验对其进行300h实验，所述的镍基合金粉末熔覆层腐蚀面积达到0.1%（8级）。

7．结合力强度试验：对熔覆层和基材做剪切试验，测的其剪切强度为122MPa。

实施例2

在本实施例2中，针对高强摩擦环境下液压支架油缸的表面进行激光熔覆，所采用的镍基合金粉末的成分质量百分比组成为C：0.422%；Si：4.512%；Cr：15.700%；B：3.414%；Fe：14.322%；Mn：5.779%；La：0.34%；其余为Ni。

本实施例针对该类液压支架油缸进行的表面熔覆处理方法具体包括以下步骤：

1.表面处理：对液压支架油缸表面进行清洗、除锈、去油和去污处理；

2.粉末烘干：熔覆前取上述镍基合金粉末至加热炉进行加热，加热温度至200℃。

3.激光熔覆：采用半导体激光器及上述镍基合金粉末进行激光熔覆。其中熔覆参数为：激光功率为4000W、光斑长15mm、宽度3mm，熔覆速度500mm/min，搭接率50%，送粉速度40g/min，熔覆厚度1.0mm。

4.熔覆后处理：将熔覆层机械加工，加工完熔覆层厚度0.5mm。

5.熔覆后检测：熔覆层未发现裂纹、气孔和夹渣等问题，测得熔覆层硬度为60.8HRC。

6.耐腐蚀实验：选用中性盐雾实验对其进行300h实验，所述的镍基合金粉末熔覆层腐蚀面积达到0.25%（8级）。

7.结合力强度试验：对熔覆层和基材做剪切试验，测的其剪切强度为125MPa。

实施例3：

在本实施例3中，针对深井液压支架油缸的表面进行激光熔覆，所采用的镍基合金粉末的成分质量百分比组成为：C：0.820%；Si：4.765%；Cr：14.973%；B：3.448%；Fe：13.779%；Mn：6.769%；La：0.41%；其余为Ni。

本实施例针对该类液压支架油缸进行的表面熔覆处理方法具体包括以下步骤：

1.表面处理：对液压支架油缸表面进行清洗、除锈、去油和去污处理；

2.粉末烘干：熔覆前取上述镍基合金粉末至加热炉进行加热，加热温度至200℃。

3.激光熔覆：采用半导体激光器及上述镍基合金粉末进行激光熔覆。其中熔覆参数为：激光功率为4000W、光板长度15mm、宽度3mm，熔覆速度500mm/min，搭接率50%，送粉速度40g/min，熔覆厚度1.0mm。

4.熔覆后处理：将熔覆层机械加工，加工完熔覆层厚度0.5mm.

5.熔覆后检测：熔覆层未发现裂纹、气孔和夹渣等问题，测得熔覆层硬度为61.3HRC。

6.耐腐蚀实验：选用中性盐雾实验对其进行300h实验，所述的镍基合金粉末熔覆层腐蚀面积达到0.2%（8级）。

7.结合力强度试验：对熔覆层和基材做剪切试验，测的其剪切强度为123MPa。

最后同时给出基于本发明所述镍基合金粉末进行的各实施例与使用现有普通镍基合金粉末（组成为C、Si、Cr、Ni、Mo、V和Fe）的物理性能检测对比结果，如表1所示，

表1 本发明各实施例所用镍基合金粉末与现有粉末的实施效果对比结果

以上对比实验表明本发明所述的镍基合金粉末和原合金粉末相比在结合力强度保证的前提下，硬度、耐磨性和耐腐蚀性均有质的提高，且激光熔覆层与基材结合良好，熔覆层检测后未发现裂纹、气孔和夹渣等缺陷。

本发明所述的激光熔覆镍基粉末能够很好的提高液压支架油缸表面熔覆层硬度、耐磨和耐腐蚀性，改善其内部组织，提高了镍基合金粉末的结合力强度，且不需要焊前预热和焊后热处理，因此本专利发明了一种全新的可作为激光熔覆材料的镍基合金材料，具有广阔的推广应用前景。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。