[發明專利]高硬度不開裂激光熔覆層馬氏體鐵基合金粉末及其制備方法

有效

• 申請號: 201510581192.4
• 申請日: 2015-09-14
• 公開（公告）號: CN105132824B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 邱長軍;張凈宜;賀沅瑋;陳勇
• 申請（專利權）人: 南華大學
• 主分類號: C22C38/54
• 分類號: C22C38/54;C23C24/10;B22F1/00;B22F9/08
• 代理公司: 長沙星耀專利事務所43205
• 代理人: 許伯嚴

技術領域

本發明屬于激光再制造技術領域，涉及一種高硬度不開裂激光熔覆層馬氏體鐵基合金粉末，本發明還涉及該粉末的制備方法。

背景技術

激光熔覆技術是近年來新興的表面改性方法，運用激光熔覆技術制備高硬度熔覆層能大大提高零件的使用壽命，在工業應用中潛力巨大。相關研究已有近40年的歷史，有關的理論和試驗性質的研究很多，然而這項技術并未在工業生產中得到廣泛的推廣和應用，主要原因在于激光熔覆層容易開裂，激光熔覆成形件硬度高時尤為明顯。

目前，常用的激光熔覆合金粉末主要為鐵基自熔合金粉末和鎳基自熔合金粉末，此類粉末在設計時為了使熔點盡量靠近共晶點，通常B、Si的含量較高，而B、Si元素的增加能生成硬質相，從而提高熔覆層硬度，導致塑性下降，加大熔覆層開裂性。激光熔覆的過程中，在高能激光束照射下，自溶性合金粉末與基體快速溶化和冷卻過程中，由于溶覆層與基體的熱膨脹系數的差異，因此冷卻速度不完全相同、收縮性也不一致，導致溶覆層中的殘余應力得不到有效釋放，而自熔性合金粉末中成分如碳、硼、硅、鎳等元素會在熔池中形成低熔點共晶物聚集于晶界上，在冷卻結晶過程中，熔覆層收縮而產生拉力，當作用于晶界的殘余拉應力不斷積聚變大至大于熔覆層的屈服極限時產生裂紋。

目前控制殘余應力的方法主要有減小溫度梯度、采用微鍛造、超聲波振動等，但這些方法工藝復雜，也不能有效阻止裂紋的產生。解決開裂問題的途徑之一是調整Ni、B、Si等合金元素的含量誘發馬氏體相變，由于不同的相具有不同的密度和不同的晶格類型，因而具有不同的比體積，當奧氏體轉變為馬氏體時，其比體積將由0.123-0.125增加到0.127-0.131，導致其應力狀態發生改變，從而抵消殘余拉應力或將殘余拉應力轉變成殘余壓應力。鐵基合金相對于鎳基合金有巨大的價格優勢，因此綜合考慮價格因素，當前解決高硬度熔覆層開裂問題可行的方法是研制激光熔覆專用鐵基合金粉末。

發明內容

本發明的目的是提供一種高硬度不開裂激光熔覆層馬氏體鐵基合金粉末，解決了現有技術中存在的問題，能夠在激光熔覆工藝中防止開裂。

本發明的另一目的是提供上述鐵基合金粉末的制備方法。

本發明所采用的技術方案是，一種高硬度不開裂激光熔覆層馬氏體鐵基合金粉末，按照質量百分比，由以下原料組成：Cr為16～17％，Ni為2.0～5.0％，B為0.05～0.15％，Si為0.1～0.7％，C為0.1～0.3％，余量為Fe。

本發明所采用的另一技術方案是，一種高硬度不開裂激光熔覆層馬氏體鐵基合金粉末的制備方法，具體按照以下步驟進行：按照質量百分比，選取16～17％的Cr，2.0～5.0％的Ni，0.05～0.15％的B，0.1～0.7％的Si，0.1～0.3％的C，余量為Fe，將上述成分的合金真空熔煉、氣霧化即可。

本發明的有益效果是以高硬度不開裂專用馬氏體鐵基合金粉末為原料，采用有機物雙層包覆工藝，通過激光快速成型技術獲得熔覆層，平均洛氏硬度為58.58HRC，表面和截面無裂紋和氣孔等缺陷，并且利用馬氏體相變產生的體積膨脹效應使激光熔覆層殘余應力為壓應力，有效抑制裂紋的萌生擴展，能夠滿足高硬度不開裂的使用要求。

附圖說明

圖1專用鐵基合金復合粉末熔覆層的形貌切割前圖1a與切割后圖1b的對比圖。

圖2是熔覆層打磨后表面形貌，其中，圖2a為表面圖，圖2b為截面圖。

圖3是激光快速成型拉伸力學試樣圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

一種高硬度不開裂激光熔覆層鐵基合金粉末，按照質量百分比，合金由以下元素組成：我們的實驗結果表明：當合金中鉻含量低于15％時，會導致在后續的包覆過程中產生明顯的表面氧化，使激光熔覆層的質量明顯下降；當鎳含量超過7％時，激光熔覆層出現較多的奧氏體相，表面殘余應力為拉應力，有開裂的趨向；當硼含量高于0.15％、碳含量高于0.3％時，激光熔覆層的脆性明顯增大，其綜合機械性能明顯下降。綜合考慮各方面的因素，本方案采用低碳、高鉻、少量硼、低鎳馬氏體型鐵基不銹鋼。具體配方如下：

Cr為16～17％，Ni為2.0～5.0％，B為0.05～0.15％，Si為0.1～0.7％，C為0.1～0.3％，余量為Fe。