本發(fā)明屬于表面強化、快速制造和再制造工程領域，具體涉及一種以Ni為主體的面向激光熔覆工藝優(yōu)化設計的復合粉末材料，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：

機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行恢復，恢復零部件缺失部位的材料即是激光熔覆粉末材料。目前，實際應用的激光熔覆粉末是熱噴涂工藝所使用的涂層材料，可以在一定程度達到修復零件的目的，但粉末成分是針對熱噴涂的技術特點所設計，對于急熱急冷的激光熔覆工藝過程并不適用，經常出現(xiàn)裂紋缺陷，導致熔覆失敗。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，但結果證明優(yōu)化工藝參數(shù)只能在一定范圍內降低裂紋的發(fā)生概率，并沒有從根源解決裂紋的產生。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)象嚴重，無法滿足齒輪等高表面硬度對象的修復要求，為了使Ni基粉末能夠得到實際的工業(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計方面取得突破。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術領域存在的上述技術問題，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)明采用以下技術方案：

一種激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復合粉末，所用原料及質量百分比如下：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合力來講，所述激光熔覆專用低裂紋敏感性高硬度Ni基復合粉末，所用原料及質量百分比如下：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、與基體材料結合力好的特點。

本發(fā)明中所用原料的性能特點：

鈷(Co)：Co元素通過在奧氏體中溶解，發(fā)揮固溶強化的作用。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，擁有較強的固溶強化效果。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，通過固溶強化提升熔覆層的強度；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，作為一種硬質相強化熔覆層的硬度和耐磨性。另外，Cr還擁有一定的晶界強化作用。含Cr的熔覆層在進行精加工，如磨削時更容易獲得較高的表面質量。

硅(Si)：Si元素的加入會擴大粉末的固液相線溫度區(qū)范圍，生成的共晶體熔點較低，使合金粉末的熔點出現(xiàn)顯著的下降，這樣在進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，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在熔池中擴散，析出于晶界處，可以強化晶界；W能提高原子結合強度，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形核質點，細化組織，并且作為強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元素擔當。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。

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

本發(fā)明通過對多種原料元素進行配伍，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基復合粉末中，各原料組分是一個有機整體，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行替換，則復合粉末整體的作用效果顯著降低；在本發(fā)明的復合粉末的基礎上再增加其他的原料組分，復合粉末的整體效果并未有明顯的改善，甚至有復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基復合粉末的制備方法，包括以下步驟：

使用行星式球磨機對粉末進行混合，首先按照上述質量百分比稱取各單一粉末，設定球磨機混粉時間為40～50min，轉速為150～200r/min，進行混粉；混粉完畢進行干燥處理，設置溫度為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基復合粉末。

優(yōu)選的，稱取粉末的體積不多于所用球磨機料缸的體積的1/3。

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

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

優(yōu)選的，設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基復合熔覆層的方法，包括采用所述Ni基復合粉末進行激光熔覆的過程，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合力，經過工藝參數(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，實驗發(fā)現(xiàn)，光纖激光熔覆能夠使得復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，更加方便進行實際操作。

經過實驗驗證，采用本發(fā)明的Ni基復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562HV_0.2，且還能保證接觸角較大，對于激光熔覆技術接觸角在120～150°范圍內越大說明與基體材料的結合力越好。

上述技術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化機理使熔覆層具有較高的力學性能，抑制裂紋的生成與擴展；Ni與Fe作用形成因瓦效應，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度與沖擊韌性；Co元素提升粉末材料在高溫下的力學性能與穩(wěn)定性，防止粉末制成的零件表面因局部摩擦產生高溫而導致裂紋出現(xiàn)；WC熔化的部分形成W、C在熔池中擴散，在晶界處析出，強化晶界，使變形抗力增加，抑制裂紋產生，W元素使原子間結合更為緊密，阻礙位錯滑移的產生，防止裂紋的擴展；Si消除熔池中的雜質，減少了裂紋的萌生根源。采用本發(fā)明的Ni基復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合力；原料來源廣泛，機械混粉設備簡單，易操作，成本低廉。

附圖說明

圖1是采用實施例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。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明進一步說明。

實施例1

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

本實施例的一種激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復合粉末，所用原料及質量百分比如下：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激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復合粉末的方法為：將混合粉末加入XQM-1L行星式球磨機料缸中，稱取粉末的體積不多于所用球磨機料缸的體積的1/3，然后放入8枚攪拌用的不銹鋼球，設定混粉時間50min，球磨機轉速175r/min。混粉結束后使用干燥箱進行干燥處理，設置溫度為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，各項數(shù)據(jù)如下表1：

表1性能數(shù)據(jù)

由表1的試驗數(shù)據(jù)可知，激光熔覆專用低裂紋敏感性高性能Ni基復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°范圍內越大說明熔覆層與基體材料的潤濕性和結合性越好。兩者表面形貌的比較如圖1和2所示。

以上結果表明不合適的原料，其相應的熔覆層的性能差別顯著。

實施例2

一種激光熔覆專用低裂紋敏感性高硬度Ni基復合粉末，所用原料及質量百分比如下：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°。

實施例3

一種激光熔覆專用低裂紋敏感性高硬度Ni基復合粉末，所用原料及質量百分比如下：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°。

實施例4

一種激光熔覆專用低裂紋敏感性高硬度Ni基復合粉末，所用原料及質量百分比如下：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)嚴重裂紋，裂紋率較高，且硬度較低，無法達到562HV_0.2。

對比例2

Ni基復合粉末配方為：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)了嚴重裂紋，裂紋率較高。

對比例3

Ni基復合粉末配方為：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)了嚴重裂紋，裂紋率較高。

對比例4

Ni基復合粉末配方為：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，并使熔覆層產生一定的裂紋。

對比例5

Ni基復合粉末配方為：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，無法達到540HV_0.2，并且裂紋率較高。

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

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