本發(fā)明屬于表面強(qiáng)化、快速制造和再制造工程領(lǐng)域，具體涉及一種以Ni為主體的面向激光熔覆工藝優(yōu)化設(shè)計的復(fù)合粉末材料，使用該材料制成的熔覆層裂紋敏感性低、表面硬度性能高。

背景技術(shù)：

機(jī)械零部件的再制造過程中，常用激光熔覆工藝對零部件缺失部位的表面或三維尺寸進(jìn)行恢復(fù)，恢復(fù)零部件缺失部位的材料即是激光熔覆粉末材料。目前，實(shí)際應(yīng)用的激光熔覆粉末是熱噴涂工藝所使用的涂層材料，可以在一定程度達(dá)到修復(fù)零件的目的，但粉末成分是針對熱噴涂的技術(shù)特點(diǎn)所設(shè)計，對于急熱急冷的激光熔覆工藝過程并不適用，經(jīng)常出現(xiàn)裂紋缺陷，導(dǎo)致熔覆失敗。針對激光熔覆層開裂的問題，有人嘗試通過優(yōu)化工藝參數(shù)解決，但結(jié)果證明優(yōu)化工藝參數(shù)只能在一定范圍內(nèi)降低裂紋的發(fā)生概率，并沒有從根源解決裂紋的產(chǎn)生。Ni基粉末擁有良好的耐蝕和耐磨性能，是廣泛采用的熔覆層材料，目前常用的Ni基自熔性粉末主要有Ni-Cr-B-Si合金，但高硬度的Ni基粉末制備的熔覆層開裂現(xiàn)象嚴(yán)重，無法滿足齒輪等高表面硬度對象的修復(fù)要求，為了使Ni基粉末能夠得到實(shí)際的工業(yè)化推廣，亟需在新型激光熔覆專用的低裂紋敏感性與高硬度兼具的粉末設(shè)計方面取得突破。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復(fù)合粉末，使熔覆層高硬度與低裂紋敏感性兼具。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復(fù)合粉末，所用原料及質(zhì)量百分比如下：Co粉8.0～10.0％、Fe粉8.5～12.0％、Cr粉10.0～13.0％、Si粉2.0～3.5％、WC粉28.0～30.0％，余量Ni粉。

優(yōu)選的，所用原料及質(zhì)量百分比如下：Co粉8.2～8.6％、Fe粉10～11％、Cr粉11.0～11.5％、Si粉2.5～3.0％、WC粉29.0～30.0％，余量Ni粉。

進(jìn)一步優(yōu)選的，從制備得到的熔覆層高硬度、無裂紋以及與基體具有較好的結(jié)合力來講，所述激光熔覆專用低裂紋敏感性高硬度Ni基復(fù)合粉末，所用原料及質(zhì)量百分比如下：Co 8.4％、Fe 10.5％、Cr 11.2％、Si 2.8％、WC 30.0％，Ni 37.1％。

本發(fā)明高性能是指：各原料形成Ni基熔覆層之后具有高硬度、與基體材料結(jié)合力好的特點(diǎn)。

本發(fā)明中所用原料的性能特點(diǎn)：

鈷(Co)：Co元素通過在奧氏體中溶解，發(fā)揮固溶強(qiáng)化的作用。Co的添加也使熔覆層的耐高溫腐蝕性、抗熱震性能得到了提升，使合金粉末擁有更加廣泛的適用范圍。

鐵(Fe)：Fe元素可以大量溶解于奧氏體中，擁有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效果。Fe粉的添加會增加熔覆層的韌性，同時會縮小熔覆層材料與基體材料熱膨脹系數(shù)之間的差值，有助于降低熔覆層的裂紋敏感性。

鉻(Cr)：Cr元素可以同F(xiàn)e、Ni和Co形成固溶體，通過固溶強(qiáng)化提升熔覆層的強(qiáng)度；同時Cr還會在熔覆層表面形成鈍化層，是熔覆層獲得耐蝕性能和抗氧化性能。除此以外，額外的Cr元素還會與C形成碳化鉻，作為一種硬質(zhì)相強(qiáng)化熔覆層的硬度和耐磨性。另外，Cr還擁有一定的晶界強(qiáng)化作用。含Cr的熔覆層在進(jìn)行精加工，如磨削時更容易獲得較高的表面質(zhì)量。

硅(Si)：Si元素的加入會擴(kuò)大粉末的固液相線溫度區(qū)范圍，生成的共晶體熔點(diǎn)較低，使合金粉末的熔點(diǎn)出現(xiàn)顯著的下降，這樣在進(jìn)行熔覆時不需要過高的激光能量，可以降低熱影響區(qū)的范圍，減少熔覆過程對基體組織帶來的損傷。同時還兼顧脫氧和造渣的作用，消除熔覆層中的雜質(zhì)，減少熔覆層中的開裂源，使合金粉末具有良好的工藝性。

碳化鎢(WC)：在激光熔覆的過程中，WC并不完全熔化，熔化生成的W、C在熔池中擴(kuò)散，析出于晶界處，可以強(qiáng)化晶界；W能提高原子結(jié)合強(qiáng)度，阻礙位錯滑移。未熔化的WC可以為熔覆層組織的凝固提供異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化組織，并且作為強(qiáng)化相提升熔覆層的耐磨性。同時還有減小熱膨脹系數(shù)的功能。

鎳(Ni)：合金粉末中固溶體的骨架由具有面心立方晶格的Ni元素?fù)?dān)當(dāng)。Ni元素是合金粉末中韌性相之一，Ni的添加會使奧氏體γ相增加，線膨脹系數(shù)減小，抵消削弱熔覆層中的殘余拉應(yīng)力，降低裂紋敏感性。Ni和Cr以一定比例添加，二者共同作用會使熔覆層材料具有較高的強(qiáng)度和沖擊韌性。Ni還會增加熔覆層材料與基體間的潤濕性。

合理設(shè)計激光熔覆材料的成分和配比可以改善激光熔覆層的應(yīng)力狀態(tài)和消除裂紋。本發(fā)明以各元素相互作用形成的固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理，解決了硬度較高的Ni基熔覆層容易出現(xiàn)裂紋的問題，同時考慮到了生產(chǎn)成本的問題。本發(fā)明基于對多種原料進(jìn)行篩選優(yōu)化，得到較高硬度的熔覆層無裂紋的技術(shù)效果，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是出乎意料的技術(shù)效果。

本發(fā)明通過對多種原料元素進(jìn)行配伍，各元素之間共同發(fā)揮作用使得Ni基熔覆層具有高硬度的同時保證無裂紋。

本發(fā)明中的激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復(fù)合粉末中，各原料組分是一個有機(jī)整體，缺一不可。發(fā)明人在研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，減少上述粉末中的任何一種原料組分，或以具有相似功能的原料對本發(fā)明粉末中的原料組分進(jìn)行替換，則復(fù)合粉末整體的作用效果顯著降低；在本發(fā)明的復(fù)合粉末的基礎(chǔ)上再增加其他的原料組分，復(fù)合粉末的整體效果并未有明顯的改善，甚至有復(fù)合粉末的整體效果降低的情況出現(xiàn)。

一種激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復(fù)合粉末的制備方法，包括以下步驟：

使用行星式球磨機(jī)對粉末進(jìn)行混合，首先按照上述質(zhì)量百分比稱取各單一粉末，設(shè)定球磨機(jī)混粉時間為40～50min，轉(zhuǎn)速為150～200r/min，進(jìn)行混粉；混粉完畢進(jìn)行干燥處理，設(shè)置溫度為100～120℃，干燥時間40～60min；干燥完成后，得到激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復(fù)合粉末。

優(yōu)選的，稱取粉末的體積不多于所用球磨機(jī)料缸的體積的1/3。

優(yōu)選的，對于不同規(guī)格的球磨機(jī)，最佳混粉轉(zhuǎn)速按照下式求出：

式中C—常數(shù)，m^-1，水平圓筒球磨機(jī)C＝1500；d—混合粉末的平均粒徑，m；R—容器的最大回轉(zhuǎn)半徑，m；g—重力加速度，m/s²。

優(yōu)選的，設(shè)置干燥處理的溫度為120℃，干燥時間60min。

本發(fā)明還提供一種制備無裂紋高性能Ni基復(fù)合熔覆層的方法，包括采用所述Ni基復(fù)合粉末進(jìn)行激光熔覆的過程，所述激光熔覆的參數(shù)為：激光功率為1000～1200W，掃描速度為5～8mm/s。

為了能夠保證熔覆層無裂紋、高硬度和與基體具有良好的結(jié)合力，經(jīng)過工藝參數(shù)優(yōu)化，所述激光功率為1200W，掃描速度為6mm/s。

本發(fā)明中所述Ni基復(fù)合粉末特別適合光纖激光熔覆(激光波長950～1100nm)的加工工藝，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光纖激光熔覆能夠使得復(fù)合粉末形成的熔覆層具有低裂紋敏感性，能夠有效避免熔覆層裂紋的產(chǎn)生。

激光熔覆參數(shù)主要包括激光功率(P)、光斑尺寸(直徑D或面積S)、激光掃描速度(v)，以及多道搭接的搭接率或多層疊加的停光時間等。但是采用本發(fā)明的復(fù)合粉末，可以主要控制工藝中的激光功率和掃描速度，降低了對其他工藝參數(shù)的特別要求，更加方便進(jìn)行實(shí)際操作。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用本發(fā)明的Ni基復(fù)合粉末和同時按照以上激光熔覆參數(shù)得到的熔覆層能夠保證其高硬度和無裂紋，硬度能夠高達(dá)562HV_0.2，且還能保證接觸角較大，對于激光熔覆技術(shù)接觸角在120～150°范圍內(nèi)越大說明與基體材料的結(jié)合力越好。

上述技術(shù)方案具有如下有益效果：

以制備得到熔覆層具有低裂紋敏感性和高硬度為基本原則，在本發(fā)明的復(fù)合粉末中，Ni元素作為固溶體骨架與粉末材料中Cr、Fe、Co相互作用通過固溶強(qiáng)化機(jī)理使熔覆層具有較高的力學(xué)性能，抑制裂紋的生成與擴(kuò)展；Ni與Fe作用形成因瓦效應(yīng)，使熔覆層熱膨脹系數(shù)減小，與鋼材基體熱膨脹系數(shù)差值減小，降低了裂紋萌發(fā)的概率；Cr與Ni相互作用提升材料的強(qiáng)度與沖擊韌性；Co元素提升粉末材料在高溫下的力學(xué)性能與穩(wěn)定性，防止粉末制成的零件表面因局部摩擦產(chǎn)生高溫而導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)；WC熔化的部分形成W、C在熔池中擴(kuò)散，在晶界處析出，強(qiáng)化晶界，使變形抗力增加，抑制裂紋產(chǎn)生，W元素使原子間結(jié)合更為緊密，阻礙位錯滑移的產(chǎn)生，防止裂紋的擴(kuò)展；Si消除熔池中的雜質(zhì)，減少了裂紋的萌生根源。采用本發(fā)明的Ni基復(fù)合粉末制備得到的熔覆層不出現(xiàn)裂紋缺陷且具有較高的硬度以及良好的結(jié)合力；原料來源廣泛，機(jī)械混粉設(shè)備簡單，易操作，成本低廉。

附圖說明

圖1是采用實(shí)施例1中的Ni基粉末制備得到的熔覆層的表面形貌圖。

圖2是采用常用合金粉末Ni60A制備得到的熔覆層的表面形貌圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1

下面，選用現(xiàn)有常用的粉末材料與本發(fā)明粉末進(jìn)行對比，用以對激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復(fù)合粉末進(jìn)行具體說明。

本實(shí)施例的一種激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復(fù)合粉末，所用原料及質(zhì)量百分比如下：Co 8.4％、Fe 10.5％、Cr 11.2％、Si 2.8％、WC 30.0％，Ni 37.1％。

采用上述原料組分生產(chǎn)激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復(fù)合粉末的方法為：將混合粉末加入XQM-1L行星式球磨機(jī)料缸中，稱取粉末的體積不多于所用球磨機(jī)料缸的體積的1/3，然后放入8枚攪拌用的不銹鋼球，設(shè)定混粉時間50min，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速175r/min?；旆劢Y(jié)束后使用干燥箱進(jìn)行干燥處理，設(shè)置溫度為120℃，干燥時間60min。干燥完成后，得到激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復(fù)合粉末。

選取光纖激光熔覆(激光波長950～1100nm)中常用合金粉末

Ni60A(C:0.5～1％,B:3～4.5％,Si:3.5～5.5％,Cr:15～20％,Fe:≤5％,余量為Ni)、對比例1～5與激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復(fù)合粉末使用激光器在相同的工藝參數(shù)條件下制備熔覆層，各項(xiàng)數(shù)據(jù)如下表1：

表1性能數(shù)據(jù)

由表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復(fù)合粉末在保持相同良好潤濕性的條件下裂紋率相比Ni60A粉末大大降低，降低率高達(dá)8.89％，熔覆層不出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；熔覆層的宏觀形貌均勻、連續(xù)、平整，接觸角在120～150°范圍內(nèi)越大說明熔覆層與基體材料的潤濕性和結(jié)合性越好。兩者表面形貌的比較如圖1和2所示。

以上結(jié)果表明不合適的原料，其相應(yīng)的熔覆層的性能差別顯著。

實(shí)施例2

一種激光熔覆專用低裂紋敏感性高硬度Ni基復(fù)合粉末，所用原料及質(zhì)量百分比如下：Co粉10.0％、Fe粉12.0％、Cr粉13.0％、Si粉2.0％、WC粉30.0％，余量Ni粉。制備方法同實(shí)施例1。

制備熔覆層時，采用的工藝參數(shù)為：光纖激光熔覆(激光波長950～1100nm)，激光功率為1000W，掃描速度為5mm/s。制備得到的熔覆層宏觀形貌均勻、連續(xù)、平整，無裂紋，硬度高于562HV_0.2，接觸角在120～150°。

實(shí)施例3

一種激光熔覆專用低裂紋敏感性高硬度Ni基復(fù)合粉末，所用原料及質(zhì)量百分比如下：Co粉8.0％、Fe粉8.5％、Cr粉10.0％、Si粉3.5％、WC粉28.0％，余量Ni粉。制備方法同實(shí)施例1。

制備熔覆層時，采用的工藝參數(shù)為：光纖激光熔覆(激光波長950～1100nm)，激光功率為1100W，掃描速度為7mm/s。制備得到的熔覆層宏觀形貌均勻、連續(xù)、平整，無裂紋，硬度高于562HV_0.2，接觸角在120～150°。

實(shí)施例4

一種激光熔覆專用低裂紋敏感性高硬度Ni基復(fù)合粉末，所用原料及質(zhì)量百分比如下：Co粉9.0％、Fe粉11.5％、Cr粉12.5％、Si粉2.5％、WC粉29.0％，余量Ni粉。制備方法同實(shí)施例1。

制備熔覆層時，采用的工藝參數(shù)為：光纖激光熔覆(激光波長950～1100nm)，激光功率為1200W，掃描速度為8mm/s。制備得到的熔覆層宏觀形貌均勻、連續(xù)、平整，無裂紋，硬度高于562HV_0.2，接觸角在120～150°。

對比例1

Ni基復(fù)合粉末配方為：Co 12％、Fe 10.5％、Cr 11.2％、Si 2.8％、WC 30.0％，余量為Ni。制備方法同實(shí)施例1。

采用光纖激光器在激光功率為1200W、掃描速度為6mm/s的工藝參數(shù)條件下制備熔覆層，制備好的熔覆層出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋，裂紋率較高，且硬度較低，無法達(dá)到562HV_0.2。

對比例2

Ni基復(fù)合粉末配方為：Co 8.4％、Fe 15％、Cr 11.2％、Si 2.8％、WC 30.0％，余量為Ni。制備方法同實(shí)施例1。

采用光纖激光器在激光功率為1200W、掃描速度為6mm/s的工藝參數(shù)條件下制備熔覆層，制備好的熔覆層雖然整體硬度較高，但是出現(xiàn)了嚴(yán)重裂紋，裂紋率較高。

對比例3

Ni基復(fù)合粉末配方為：Co 8.4％、Fe 10.5％、Cr 15％、Si 2.8％、WC 30.0％，余量為Ni。制備方法同實(shí)施例1。

采用光纖激光器在激光功率為1200W、掃描速度為6mm/s的工藝參數(shù)條件下制備熔覆層，制備好的熔覆層硬度較低并且出現(xiàn)了嚴(yán)重裂紋，裂紋率較高。

對比例4

Ni基復(fù)合粉末配方為：Co 8.4％、Fe 10.5％、Cr 11.2％、Si 2.8％、WC 35％，余量為Ni。制備方法同實(shí)施例1。

采用光纖激光器在激光功率為1200W、掃描速度為6mm/s的工藝參數(shù)條件下制備熔覆層，制備好的熔覆層宏觀形貌不平整和不均勻，裂紋率較高。可見較高含量的碳化鎢影響熔覆層的宏觀形貌，并使熔覆層產(chǎn)生一定的裂紋。

對比例5

Ni基復(fù)合粉末配方為：Co 8.4％、Fe 10.5％、Cr 11.2％、Si 2.8％、WC 17.1％，Ni 50％。制備方法同實(shí)施例1。

采用光纖激光器在激光功率為1200W、掃描速度為6mm/s的工藝參數(shù)條件下制備熔覆層，制備好的熔覆層雖與材料的潤濕性較好，但硬度較小，無法達(dá)到540HV_0.2，并且裂紋率較高。

以上結(jié)果表明不合適的原料配比含量，其與實(shí)施例1中的熔覆層的性能(裂紋率或硬度以及潤濕性和結(jié)合力)差別顯著。對比例1～5中的熔覆層的性能明顯低于本發(fā)明中的實(shí)施例1。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。