一种激光熔覆层的铁基复合粉末及厚非晶熔覆层制备方法技术

本发明专利技术提供了一种激光熔覆层的铁基复合粉末及厚非晶熔覆层制备方法。本发明专利技术的铁基复合粉末，其重量百分比组成如下：钴17％～19％，镍16％～18％、硼3％～5％、硅2％～4％、铌6％～8％，余量为铁。本发明专利技术的铁基复合粉末成分比例具有较强的非晶形成能力；并含有较高的硼、硅元素，具有造渣与优先氧化保护金属的功能。将本发明专利技术的铁基复合粉末用于制备激光熔覆涂层，一次成型减少工艺复杂性，熔覆层的非晶体积含量达到36.7％，形成的熔覆层厚度高，单层熔覆层的厚度超过1.5mm，减少搭接次数，熔覆层硬度平均值达到950HV0.1以上，分布均匀没有较大波动，可极大的提高熔覆层的耐磨性能。

A Method for Preparing Fe-based Composite Powder and Thick Amorphous Cladding Layer by Laser Cladding

The invention provides an iron-based composite powder of laser cladding layer and a preparation method of thick amorphous cladding layer. The iron-based composite powder of the invention has the following weight percentages: cobalt 17%-19%, nickel 16%-18%, boron 3%-5%, silicon 2%-4%, niobium 6%-8%, and the remainder is iron. The iron-based composite powder has strong amorphous forming ability in composition ratio, high boron and silicon elements, and has the functions of slagging and preferential oxidation to protect metals. The iron-based composite powder of the invention is used to prepare laser cladding coatings. The process complexity is reduced by one-step forming, and the amorphous volume content of the cladding layer reaches 36.7%. The formed cladding layer has a high thickness, the thickness of the single cladding layer exceeds 1.5mm, the lapping times are reduced, the average hardness of the cladding layer reaches 950HV0.1, the distribution is uniform and there is no big fluctuation, and the cladding layer can be greatly improved. Wear resistance.

【技术实现步骤摘要】
一种激光熔覆层的铁基复合粉末及厚非晶熔覆层制备方法
本专利技术涉及材料
，具体地，涉及一种激光熔覆层的铁基复合粉末及厚非晶熔覆层制备方法。
技术介绍
通过表面工程技术在传统材料表面获得一层非晶涂层可以提高其表面硬度、耐蚀及耐磨性能，在材料表面改性领域具有十分巨大的潜在应用价值，目前受到国内外学者的广泛重视，是当前表面工程
研究的热点之一。激光熔覆作为一种新型表面改性技术，把表面熔覆层技术以及非晶制备技术的优势结合起来，可以采用较低的成本使材料表层满足对高耐磨性和高耐蚀性能的要求，同时能充分发挥基体材料的强韧性优势，从而大幅度提高了工程材料整体的综合性能以及使用寿命。在油气钻探、矿山开采、重型冶金等重工业领域，表面熔覆技术成为修复部件、提高零件使用寿命的重要途径。但目前激光熔覆技术仍存在一些不足。首先所用的材料大部分是喷涂用合金材料，由于激光作用会导致Si、B等易氧化单质元素的烧损，并且金属元素被氧化生成氧化物又会降低熔覆层非晶体积含量以及性能，因此大多数研究者均采用熔炼合金并雾化的手段制备熔覆层金属粉末，即增加工艺流程又增加制备成本；除此之外，大多数研究者因采用的激光器激光光斑小，单次激光熔覆的厚度为0.2～0.5mm、除涂层材料的选择与制备上存在不足之外，在确保熔覆层性能上优化制备流程也值得研究。因此，制备成本更加低廉并根据所需要的性能设计工艺条件，这已成为目前需要研究的课题之一。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种工艺流程简单，不含有贵金属元素、成本低廉的激光熔覆层铁基复合粉末，以及利用激光加工的方法获得有较高非晶体积含量，厚度较大的铁基非晶熔覆层。本专利技术提供的一种激光熔覆层的铁基复合粉末，其重量百分比组成如下：钴17％～19％，镍16％～18％、硼3％～5％、硅2％～4％、铌6％～8％，其余为铁。优选地，所述激光熔覆层的铁基复合粉末，其重量百分比组成如下：钴17％，镍17％、硼4％、硅2％、铌7％，余量为铁。在本申请的一个较佳实施例中，所述铁基复合粉末由99.95％钴、99.95％镍、含19.4％硼的硼铁、含75％硅的硅铁、含70％铌的铌铁以及99.5％铁混合而成，所述％为重量百分比。因为硼、硅单质已氧化，熔点较低，直接激光熔覆容易氧化，而纯铌的熔点很高，激光熔覆难以熔化，因此采用硼铁、硅铁、铌铁而不是单质硼、硅、铌，可以有效避免熔覆过程中单质元素的烧损，并且降低成本。本专利技术提供的铁基复合粉末的颗粒度为100～250目，当粉末粒度为150目时，激光熔覆效果最好。本专利技术的铁基复合粉末通过以下方法制备得到：将上述合金成分按照上述重量百分比进行配料，将配好的原材料用混粉机进行6小时混粉从而使粉末均匀混合。采用真空干燥箱进行100℃烘干3小时去除粉末中水分。本专利技术提供了上述铁基复合粉末在制备激光熔覆层中的应用。本专利技术提供了上述铁基复合粉末在提高材料表面硬度、耐腐蚀或耐磨性能中的应用。本专利技术提供一种厚非晶熔覆层的制备方法，以所述的铁基复合粉末为熔覆材料，激光头对准待熔覆涂层的工件(45钢或q235钢)表面，激光熔覆时，将粉末通过惰性气体送到待熔覆工件表面，铁基复合粉末输送与激光入射方向一致，在惰性气体保护气氛中利用激光器发射激光熔覆制成厚非晶熔覆层。在进行激光熔覆前还包括对待熔覆涂层的工件表面进行打磨去油污，除锈处理，确保工件平整、光滑、干净。上述制备方法中，激光熔覆的条件为：激光器功率密度为9～42J/mm2，激光的光斑为1.5mm×14mm的矩形，激光功率为2-3kW，激光9扫描速度为300～900mm/min。优选地，当激光功率密度为42J/mm2，激光功率为3kW，扫描速度为300mm/min时，激光涂覆层的非晶含量最高。上述制备方法中，惰性气体送粉速度为15～25g/min，送粉惰性气体气流速为4-6L/min，优选5L/min；所述惰性气体保护气氛为流量12-18L/min，优选15L/min。所述惰性气体为氩气。本专利技术进一步提供了所述铁基复合粉末或上述制备方法在单次熔覆制得厚度在0.4mm～1.8mm熔覆层中的应用。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术提供的铁基复合粉末不含贵金属元素，成本低，制备时间短，无需熔炼雾化减少工艺流程。(2)采用硼铁、硅铁、铌铁而不是单质硼、硅、铌，可以有效避免熔覆过程中单质元素的烧损，并且降低成本。(3)制备激光熔覆涂层的工艺简单，单次熔覆可以制备出厚度超过1.5mm熔覆层，减少了搭接次数。(4)所得熔覆层中有较高的非晶体积含量和显微硬度，非晶体积含量达到36.7％，熔覆层硬度平均值达到950HV0.1以上，分布均匀没有较大波动，可极大的提高熔覆层的耐磨性能。附图说明图1为本专利技术不同参数下激光熔覆层的宏观形貌图，图中(1)-(9)分别指代试验号1-9参数下的激光熔覆层宏观形貌。图2为本专利技术激光熔覆层界面处显微组织扫描电镜图像。图3为本专利技术的激光熔覆层X射线衍射图谱。图4为本专利技术显微硬度测试结果图。图5-图6为本专利技术超出给定参数范围外的激光熔覆层宏观形貌图。具体实施方式以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。若未特别说明，本申请文件中的“％”为质量百分比。若未特别说明，本专利技术中所使用的其他物料、原料均为可以从市场上购买得到的常规原料。所使用的设备也为本领域的常规设备。本专利技术中未提及的操作均为本领域的常规操作。实施例1激光熔覆制备涂层的制备方法步骤1：将由含Co99.95wt％的钴铁粉末、含Ni99.95wt％的镍铁粉末、含B19.4wt％的硼铁粉末、含Si75wt％的硅铁粉末、含Nb70wt％的铌铁粉末以及99.5wt％铁按照重量百分比(钴18％，镍17％、硼4％、硅3％、铌7％，余量为铁)混合均匀的复合粉末，放进干燥箱里加热至100℃并保温3h，进行烘干处理；对待涂覆的工件表面进行去油污，除锈处理；步骤2：操控机器人将激光头对准工件表面，采用同步侧向送粉，即送粉方向与激光入射方向一致，将步骤1的复合粉末通过氩气送到待熔覆工件表面，氩气流速为5L/min；步骤3：在激光熔覆时将铁基复合粉末经侧向送粉的方式送粉，在氩气保护气氛中熔覆制成铁基熔覆层。激光功率密度为9J/mm2～42J/mm2，送粉速度分别为15g/min、20g/min、25g/min，激光扫描速度分别为300mm/min、600mm/min、900mm/min，保护气为15L/min的氩气。将激光器的激光功率P、扫描速度V、送粉速度M设为优化目标，选用一个三因素三因子的正交表L9(33)，将其第四列设为空白列，形成下面正交实验表，各工艺参数如表1所示。表1正交实验参数按照以上工艺参数进行单道熔覆成形实验，熔覆完成将试样切割成尺寸为10mm×10mm×9mm的金相观察试样，然后对该试样横截面进行磨光，抛光及硝酸酒精腐蚀处理，进行显微结构分析与硬度测试。熔覆层表面磨光，抛光后进行X射线衍射分析。图1为不同正交参数下的激光熔覆层宏观形貌图。由图可知，同样激光功率条件下，熔覆层表面质量随扫描速度的提高而降低。同时，增加激光功率有利于形成更均匀、表面质量更优的熔覆层。表2为不同正交参数下激光熔覆层的厚度与宽度比较表。可知，同样激光功率条件下，熔覆层厚度随扫描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光熔覆层的铁基复合粉末，其特征在于，其重量百分比组成如下：钴17％～19％，镍16％～18％、硼3％～5％、硅2％～4％、铌6％～8％，余量为铁。

【技术特征摘要】
1.一种激光熔覆层的铁基复合粉末，其特征在于，其重量百分比组成如下：钴17％～19％，镍16％～18％、硼3％～5％、硅2％～4％、铌6％～8％，余量为铁。2.根据权利要求1所述的铁基复合粉末，其特征在于，其重量百分比组成如下：钴17％，镍17％、硼4％、硅2％、铌7％，余量为铁。3.根据权利要求1或2所述的铁基复合粉末，其特征在于，所述复合粉末由含Co99.95wt％的钴铁粉末、含Ni99.95wt％的镍铁粉末、含B19.4wt％的硼铁粉末、含Si75wt％的硅铁粉末、含Nb70wt％的铌铁粉末以及99.5wt％的纯铁混合而成。4.根据权利要求3所述的铁基复合粉末，其特征在于，所述铁基复合粉末的颗粒度为100～250目，在150目时，用于激光熔覆的效果最好。5.权利要求1-4任一所述的铁基复合粉末在制备激光熔覆层中的应用。6.根据权利要求1-4任一所述的铁基复合粉末在提高材料表面硬度、耐腐...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳建，蔡志海，白旭东，刘军，杜晓坤，梁秀兵，孙晓峰，宋巍，王思捷，尤家玉，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军装甲兵学院，
类型：发明
国别省市：北京,11