一种高强塑积激光熔覆层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强塑积激光熔覆层及其制备方法，本发明专利技术得到的激光熔覆层包括基体、热影响区、过渡区和熔覆区，过渡区在热影响区和熔覆区间形成，其中过渡区的金相组织为板条马氏体和奥氏体构成的双相组织，熔覆区呈细小的等轴晶组织，熔覆层具有优异的强度和塑韧性，强塑积水平高，具有优异的强度和韧性匹配，承载能力强；且本发明专利技术进一步提供了激光熔覆层的制备方法。本发明专利技术提出的激光熔覆层及制备方法，显著提高了熔覆界面的结合强度，有效消除了界面冶金缺陷、成分偏析、组织不均匀及力学性能的各向异性，降低了熔覆层因局部损伤造成失效的概率，且使得熔覆界面热量分布更加均匀。

High strength plastic deposition laser cladding layer and preparation method thereof

The invention relates to a high strength and ductility of laser cladding and its preparation method, laser cladding layer obtained by the invention comprises a substrate, heat affected zone, transition zone and the cladding zone, transition zone is formed in the heat affected zone and cladding region, which microstructure transition zone is lath martensite and austenite structure the dual phase structure, the cladding zone is fine equiaxed grains, the cladding layer has excellent strength and toughness, strong plastic product, high level, has excellent strength and toughness, strong bearing capacity; and the invention further provides a preparation method of laser cladding layer. The invention provides a laser cladding layer and preparation method can significantly improve the bonding strength of the cladding interface, effectively eliminates the anisotropic inhomogeneous mechanical properties and interfacial metallurgical defects, composition segregation, the lower cladding layer because of local damage caused by the probability of failure, and make the heat distribution more cladding interface uniform.

【技术实现步骤摘要】
一种高强塑积激光熔覆层及其制备方法
本专利技术涉及激光熔覆技术，具体涉及一种高强塑积激光熔覆层及其制备方法。
技术介绍
激光熔覆技术是近年来兴起的表面改性的方法，激光熔覆的原理是指以不同的添料方式将熔覆材料添加到被熔覆基体的表面上，利用高能密度的激光辐射到基体表面，使基体表面薄层与熔覆材料快速熔化并凝固发生冶金结合，显著改善基体表面的耐磨耐蚀性。激光熔覆与传统表面工程相比，热输入量较低，材料的热变形小，耗能小，应用灵活，理论上可以在各种材料表层采用激光熔覆技术，且后续加工很小或不需要加工等。此外，激光熔覆过程中的急冷可以使熔覆层的组织更加致密，晶粒更加细化，从而使力学性能得到显著提高。现有的激光熔覆工艺得到的熔覆层结构通常分为3个区域：熔覆区、热影响区和基体。熔覆过程中，由于熔池与基体界面存在较大的温度梯度，使晶核沿着垂直界面的方向优选生长，逐步形成尺寸各异的柱状晶。熔覆区的这种组织结构会导致熔覆层合金分布不均匀，易导致较大的成分偏析，同时带来熔覆层力学性能存在严重的各向异性，使熔覆层的使用性能及服役寿命对不同的应力状态失去应有的普适性；同时，对于超高强度的钢基体，在其表面制备激光熔覆层时通常会因强度高、脆性大、且易在熔覆界面形成大量的冶金缺陷而导致熔覆层界面结合强度不足，难以承受超高的拉伸载荷，导致服役过程中容易发生脆性断裂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种高强塑积(即抗拉强度与断后伸长率的乘积，其水平越高，通常强度和塑韧性越好)激光熔覆层及制备方法，本专利技术得到的激光熔覆层包括基体、热影响区、过渡区和熔覆区，过渡区在热影响区和熔覆区间形成，其中过渡区的金相组织为板条马氏体和奥氏体构成的双相组织，熔覆区呈细小的等轴晶组织；且本专利技术进一步提供了高强塑积激光熔覆层的制备方法。本专利技术提出的高强塑积激光熔覆层及制备方法，可显著提高熔覆界面的结合强度，有效消除界面冶金缺陷、成分偏析、组织不均匀及力学性能的各向异性，降低熔覆层因局部损伤造成失效的概率，且使得熔覆界面热量分布更加均匀。为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种高强塑积激光熔覆层，由熔覆粉末通过激光熔覆工艺熔覆在基体上而形成；所述激光熔覆层包括基体、热影响区、过渡区和熔覆区；其特征在于，所述热影响区和熔覆区间形成过渡区；所述过渡区的金相组织为板条马氏体和奥氏体构成的双相组织，所述熔覆区的晶体结构为细小均匀的等轴晶。其中，基体为超高强马氏体不锈钢，如1Cr15Ni4Mo3N；激光熔覆粉末为1Cr15Ni4Mo3N不锈钢经Si、B元素微合金化制备，由15-60μm和120-450nm的微纳米球形颗粒共同组成。本专利技术提出的一种高强塑积激光熔覆层的进一步优选方案为：其中，过渡区的双相组织中，板条马氏体组织的重量百分比含量为55％-92％，奥氏体组织的重量百分比含量为8％-45％；优选为板条马氏体组织的重量百分比含量为65％-80％，所述奥氏体组织的重量百分比含量为20％-35％。其中，过渡区的厚度为50-1200微米，优选为700-900微米。本专利技术进一步提出了一种激光熔覆层的制备方法，包括以下步骤：步骤一：基体表面预处理；对基体的熔覆区进行热处理、打磨、清污；步骤二：激光熔覆过程：将步骤一预处理后的基体送入LRF-M-II型激光熔覆系统，采用同轴送粉方式，采用多道次搭接熔覆技术在基体表面形成熔覆层，熔覆过程中同时对激光熔覆区进行惰性气体的保护；其中激光熔覆过程中的参数为：激光功率为0.8-1.4KW，激光扫描速率为0.005-0.02m/s，送粉率为2.5-10mg/s，激光光斑直径为1.6-2.0mm，激光多道次搭接率为40-50％，道次为2-10道，激光光斑的路径为Z字型或弓字型路径；惰性气体的流量为350-400L/h；步骤三：后处理：对步骤二得到的熔覆层进行低温去应力退火处理。其中，步骤二中激光熔覆过程中的参数优选为：激光功率为1.0-1.2KW，激光扫描速率为0.010-0.015m/s，送粉率为4.5-8.0mg/s，激光光斑直径为1.6-1.8mm，激光多道次搭接率为45-50％，道次为5-8道。其中，步骤三中所述的热处理的温度为250-550℃，热处理时间为4-8h。其中，步骤一所述的基体表面的预处理具体为：对基体表面进行热处理，热处理的温度为150-350℃，时间为1-5h；再对热处理后的基体表面进行打磨处理，然后用酒精和石油醚清洗。其中，基体为超高强马氏体不锈钢，如1Cr15Ni4Mo3N；激光熔覆粉末为1Cr15Ni4Mo3N材料经Si、、元素微合金化制备，由15-60μm和120-450nm的微纳米球形颗粒共同组成；其中，激光器为半导体激光器，保护气体为惰性气体。本专利技术所述的激光光斑的路径为“Z”字型或“弓”字型路径，有利于降低热应力和相变应力积累，降低熔覆层开裂倾向。本专利技术提出的一种高强塑积激光熔覆层及制备方法，与现有技术相比，有益效果为：(1)本专利技术提出的高强塑积激光熔覆层，在热影响区和熔覆区间形成过渡区，过渡区的金相组织结构为板条马氏体和奥氏体构成的双相组织，板条马氏体具有较高的硬度和强度，奥氏体具有良好的塑性；本专利技术进一步对过渡区中的板条马氏体和奥氏体组织的含量进行了调控，并调控了过渡区的尺寸；这种混合组织赋予了过渡区优异的强韧性，能够有效的起到缓冲机械负载的作用，对提高熔覆界面的结合强度具有积极的作用；且本专利技术中的熔覆区的组织为均匀的等轴晶，相对于传统的熔覆界面柱状晶而言，有效消除了冶金缺陷、成分偏析、组织不均匀性及力学性能的各向异性，使得熔覆层因局部损伤造成失效的概率显著降低。(2)本专利技术优化控制激光功率、熔覆速率和粉末供给量的匹配，并实施适当道次的热循环，从而使适当粗化的马氏体发生部分奥氏体转变且不发生明显的晶粒长大，形成软硬配合的双相组织；且本专利技术通过调控单道热输入及热循环周次，实现了过渡区尺寸和板条马氏体和奥氏体两相含量的调控，进而实现了过渡区性能的控制。(3)本专利技术通过控制激光熔覆的路径，将原线性单向熔覆路径改为“Z”字型或“弓”字型路径，使熔覆界面热量分布更加均匀，并有效降低熔覆界面局部温度梯度，提高熔池均匀形核能力并控制晶粒缓慢生长，从而获得细小的均匀等轴晶并降低热应力和相变应力的累积。附图说明图1：激光熔覆层金相组织结构。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术的技术方案作详细描述。实施例1一种高强塑积激光熔覆层的制备方法，包括以下步骤：步骤一：基体表面预处理；对基体表面进行去氧化皮、打磨处理，并采用石油醚、酒精和丙酮超声波清洗，然后进行预热处理，处理的温度为150℃，时间为5h；步骤二：激光熔覆过程：将步骤一预处理后的基体送入LFR-M-II型半导体激光器，采用同轴式送粉方式，采用多道次搭接熔覆技术在基体表面形成熔覆层，熔覆过程中同时对激光熔覆区进行氩气气氛的保护；其中激光熔覆过程中的参数为：激光功率为0.8KW，激光扫描速率为0.005m/s，送粉率为2.5mg/s，激光光斑直径为1.6mm，激光多道次搭接率为40％，道次为2道，激光光斑的路径为Z字型路径；氩气的流量为350L/h；步骤三：后处理：对步骤二得到的熔覆层进行热处理，其中热处理的温度为250℃，热处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强塑积激光熔覆层，由熔覆粉末通过激光熔覆工艺熔覆在基体上而形成；所述激光熔覆层包括基体、热影响区、过渡区和熔覆区；其特征在于，所述热影响区和熔覆区间形成过渡区；所述过渡区的金相组织为板条马氏体和奥氏体构成的双相组织，所述熔覆区的晶体结构为均匀的等轴晶。

【技术特征摘要】
1.一种高强塑积激光熔覆层，由熔覆粉末通过激光熔覆工艺熔覆在基体上而形成；所述激光熔覆层包括基体、热影响区、过渡区和熔覆区；其特征在于，所述热影响区和熔覆区间形成过渡区；所述过渡区的金相组织为板条马氏体和奥氏体构成的双相组织，所述熔覆区的晶体结构为均匀的等轴晶。2.根据权利要求1所述的一种高强塑积激光熔覆层，其特征在于，所述板条马氏体组织的重量百分比含量为55％-92％，所述奥氏体组织的重量百分比含量为8％-45％。3.根据权利要求2所述的一种高强塑积激光熔覆层，其特征在于，所述板条马氏体组织的重量百分比含量为65％-80％，所述奥氏体组织的重量百分比含量为20％-35％。4.根据权利要求1所述的一种高强塑积激光熔覆层，其特征在于，所述过渡区的厚度为50-1200微米。5.根据权利要求4所述的一种高强塑积激光熔覆层，其特征在于，所述过渡区的厚度为700-900微米。6.一种高强塑积激光熔覆层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：基体表面预处理；对基体的熔覆区去氧化皮、洁净化处理和预热处理；步骤二：激光熔覆过程：将步骤一预处理后的基体送入激光器，采用同轴送粉方式，采用多道次搭接熔覆技术在基体表面形成熔覆层，熔覆过程中同时对激光熔覆区进行惰性气体的保护；其中激光熔覆过程中的参数为：激光功率为0.8-1.4KW，激光扫描速率为0.005-0.02m/s，送粉率为2...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙涛，张保森，宋敏，张志强，程宗辉，黄卫华，阚艳，陈海牛，曾晓利，张小辉，
申请(专利权)人：国营芜湖机械厂，
类型：发明
国别省市：安徽,34