提高镍基激光熔覆层耐磨损性能的熔覆粉末及其制备方法

1.本发明属于高温合金强化技术领域，具体涉及提高镍基激光熔覆层耐磨损性能的熔覆粉末。
2.本发明还涉及提高镍基激光熔覆层耐磨损性能的熔覆粉末的制备方法。


背景技术：

3.随着社会及现代工业的快速发展，传统单一的金属材料，已经无法满足当代工业的实际应用需求。但钢铁材料仍是如今工业化中不可缺少的一部分，其中低合金钢在工业生产使用中占比高达30％，而低合金钢的使用寿命与其服役环境有很大的关系。如今，表面工程技术能够有效解决这一现状，inconel 625具有卓越的高温性能和良好的抗腐蚀性能，可以在600摄氏度以上的高温环境中长期稳定服役，所以可以作为表面改性所选材料，其可以提高材料的耐磨损性能，从而使其使用寿命得到延长。上世纪40年代初，第一代镍基高温合金的产品就在英国诞生，随着全球工业的发展，各国对高温合金的重视程度加大。全球高温合金产量超过70％都分布在欧美地区，亚洲地区只占23％左右。我国耐磨镍合金的发展，相对于西方国家起步较晚，但是随着我国社会和工业的迅速发展，耐磨镍基合金已经被广泛应用于国内工业生产中，但其成分设计及工艺过程仍然是我国的短板，与西方发达国家存在不小的差距。因此，提高镍基合金的耐磨损性能很有必要。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供提高镍基激光熔覆层耐磨损性能的熔覆粉末，通过在低合金钢表面制备出高温ni基合金熔覆层来提升基体的综合性能，通过设计添加不同比例成分的wc陶瓷相来改善inconel 625合金熔覆层，以达到提高合金材料的耐磨损性能的能力，且通过分析不同梯度含量的陶瓷相在合金中的作用机理、研究不同合金组织的演化机理，来为最终的合金熔覆成分设计提供有效的数据依靠，最终达到延长低合金钢的使用寿命的目的。
5.本发明所采用的第一个技术方案是，提高镍基激光熔覆层耐磨损性能的熔覆粉末，按照质量百分比计，设计不同梯度的inconel 625-xwc镍基合金，x＝5,10,15,20wt.％。
6.本发明第一个技术方案的特点还在于：
7.其中inconel 625按质量百分比包括ni 63.53wt.％，cr 20.21wt.％，mo 9.20wt.％，nb 3.26wt.％，fe 2.64wt.％，mn 0.60wt.％，si 0.56wt.％，纯度为100％的wc粉末和tin粉末(1-5μm)；
8.其中inconel 625各组分粒径为53-140μm，wc粉末粒径为38-58μm。
9.本发明所采用的的第二个技术方案是，提高镍基激光熔覆层耐磨损性能的熔覆粉末的制备方法，具体按以下步骤实施：
10.步骤1，设计不同梯度的inconel 625-xwc镍基合金，x＝5，10，15，20wt.％；
11.步骤2，将步骤1中不同梯度的inconel 625-xwc镍基合金的各组分进行机械混合；
12.步骤3，对基板进行预处理；基体为q345钢，其组分为c 0-0.2％，cr 0-0.2％，si 0-0.5％，mn 0-1.7％，ni 0-0.5％，p s 0-0.07％，cu 0-0.3％，v 0-0.15％，nb 0-0.07％，fe bal；
13.步骤4，将经过步骤2机械混合后不同梯度的镍基合金分别进行烘干；
14.步骤5，对步骤3处理后的基体进行激光熔覆；
15.步骤6，将经步骤5熔覆后得到的熔覆层进行低载下和高载下的室温摩擦；
16.步骤7，分析不同含量wc陶瓷颗粒对inconel 625合金的耐磨损性能的影响。
17.本发明第二个技术方案的特点还在于：
18.其中步骤2中机械混合的具体过程为：利用qm-3sp2行星式球磨机将各组分进行机械混合，设置球料比为1:5，转速为350rpm，设置时间为60min，其中正转、反转各占一半；
19.其中步骤3中基板预处理过程为：在进行激光熔覆前，用角磨机将基板表层打磨干净，待其冷却后，用酒精擦拭，并吹干装袋；
20.其中步骤4中烘干条件为：温度为150～160℃，烘干1～1.5h；
21.其中步骤5中激光熔覆过程具体为：采用isdl-3008型光纤输入半导体激光器，额定3kw，熔覆方向沿基板长边方向进行，在第一层的熔覆层制备完成后，使用角磨机将熔覆层表面的氧化皮进行打磨，直到呈现出金属色泽再进行第二层的熔覆层制备，采用的优化实验参数为输出功率为65％，熔覆速度为5.5mm/s，送粉角度为70
°
，送粉速度为90g/min，光斑直径5mm，保护气体采用99.99％的氩气；
22.其中步骤6中用ht-1000试验机对各组分熔覆层做低载下和高载下的室温摩擦，摩擦过程参数设置为：磨损时间选用40min、电机频率6.25hz、绕动半径5mm、绕动速度350r/min；
23.其中步骤7中对实验前后的磨盘和试样进行超声波清洗及称重，并使用sem对实验后的熔覆层进行微区分析，并分析不同含量wc陶瓷颗粒对inconel 625合金的耐磨损性能的影响。
24.本发明的有益效果是：
25.本发明的提高镍基激光熔覆层耐磨损性能的熔覆粉末，可以大大提高基体的耐磨损性能，从而延长工件的服役寿命，有利于节约成本，并且对保护生态环境有积极意义；可以加强焊接熔池中流体的流动，进而改善缺陷的发生，降低孔隙率。
附图说明
26.图1是本发明的提高镍基激光熔覆层耐磨损性能的熔覆粉末中添加wc后的载荷变化对q345和各熔覆层的磨损量示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
28.本发明的熔覆材料成分设计依据如下：
29.wc与镍基合金均有较好的润湿性能，可以作为增强相，且有助于加强焊接熔池中流体的流动，达到改善缺陷的发生，从而降低孔隙率。
30.ni的主要作用是使合金具有良好的强度及塑韧性，并具有优良的冷、热加工性、冷
成形性以及无磁等性能；
31.cr的主要作用是增强合金的抗腐蚀能力，当合金中同时有mo存在时，cr的这种有效性将大大增强；
32.mo的主要作用是提高合金在还原性介质的耐蚀性，并提高合金的耐点腐蚀等性能；
33.si、mn元素有较好的固溶强化作用，其次，si和mn一般用于联合脱氧，减少因堆焊层增氧引起的堆焊层金属脆化；
34.nb元素为强碳化物形成元素,在熔敷过程中可以与c结合形成nbc颗粒,可以有效提高合金的强度和塑性。
35.实施例1
36.一种提高inconel 625镍基激光熔覆层耐磨损性能的激光熔覆粉末的原料成分为：inconel 625-xwc镍基合金，其中x＝5wt.％。
37.制备步骤及实验操作如下：
38.步骤1，利用qm-3sp2行星式球磨机将本配比按600g进行机械混合，设置球料比为1:5，转速为350rpm，设置时间为60min,其中正转、反转各占一半；
39.步骤2，利用烘干箱将已经经过机械混合后不同梯度的镍基合金分别进行烘干，设置温度为160℃，烘干30min；
40.步骤3，采用isdl-3008型光纤输入半导体激光器进行激光熔覆，对熔敷后的层做低载下(5n)和高载下(10n)的室温摩擦，对实验前后的磨盘和试样进行超声波清洗及称重，并使用sem对实验后的熔覆层进行微区分析；
41.经实验发现：本实施实例所得到的激光熔覆层成形良好，对制得的样品分别进行低载和高载下的摩擦学性能研究，磨损量是代表耐磨性最直观的参数，在其他参数一致的情况下，其值越低，则证明其耐磨性能越差。分析实验结果发现在低载荷下，基体q345和inconel 625熔覆层的磨损量分别为37.3mg和23.8mg。在wc添加量为5％时，其质量磨损为18.3mg。在高载荷下，基体q345和inconel 625熔覆层的磨损量分别为58.8mg和31.7mg；在wc添加量为5％时，其质量磨损为24.0mg；通过对比可以看出，本发明所制得的激光熔覆粉末可以有效提高低合金钢的耐磨损性能。
42.实施例2：
43.一种提高inconel 625镍基激光熔覆层耐磨损性能的激光熔覆粉末的原料成分为：inconel 625-xwc镍基合金，其中x＝10wt.％。
44.制备步骤及实验操作如下：
45.步骤1，利用qm-3sp2行星式球磨机将本配比按600g进行机械混合，设置球料比为1:5，转速为350rpm，设置时间为60min,其中正转、反转各占一半；
46.步骤2，利用烘干箱将已经经过机械混合后不同梯度的镍基合金分别进行烘干，设置温度为160℃，烘干1h；
47.步骤3，采用isdl-3008型光纤输入半导体激光器进行激光熔覆，对熔敷后的层做低载下(5n)和高载下(10n)的室温摩擦，对实验前后的磨盘和试样进行超声波清洗及称重，并使用sem对实验后的熔覆层进行微区分析。
48.经实验发现：本实施实例所得到的激光熔覆层成形良好，对制得的样品分别进行
低载和高载下的摩擦学性能研究，磨损量是代表耐磨性最直观的参数，在其他参数一致的情况下，其值越低，则证明其耐磨性能越差。分析实验结果发现在低载荷下，基体q345和inconel 625熔覆层的磨损量分别为37.3mg和23.8mg。在wc添加量为10％时，其质量磨损为13.2mg。高载荷下，基体q345和inconel 625熔覆层的磨损量分别为58.8mg和31.7mg。在wc添加量为10％时，其质量磨损为18.8mg。通过对比可以看出，本发明所制得的激光熔覆粉末可以有效提高低合金钢的耐磨损性能。
49.实施例3：
50.一种提高inconel 625镍基激光熔覆层耐磨损性能的激光熔覆粉末的原料成分为：inconel 625-xwc镍基合金，其中x＝15wt.％。
51.制备步骤及实验操作如下：
52.步骤1，利用qm-3sp2行星式球磨机将本配比按500g进行机械混合，设置球料比为1:5，转速为350rpm，设置时间为60min,其中正转、反转各占一半；
53.步骤2，利用烘干箱将已经经过机械混合后不同梯度的镍基合金分别进行烘干，设置温度为160℃，烘干1h；
54.步骤3，采用isdl-3008型光纤输入半导体激光器进行激光熔覆，对熔敷后的层做低载下(5n)和高载下(10n)的室温摩擦，对实验前后的磨盘和试样进行超声波清洗及称重，并使用sem对实验后的熔覆层进行微区分析。
55.经实验发现：本实施实例所得到的激光熔覆层成形良好，对制得的样品分别进行低载和高载下的摩擦学性能研究，磨损量是代表耐磨性最直观的参数，在其他参数一致的情况下，其值越低，则证明其耐磨性能越差。分析实验结果发现在低载荷下，基体q345和inconel 625熔覆层的磨损量分别为37.3mg和23.8mg。在wc添加量为15％时，其质量磨损为3.8mg。高载荷下，基体q345和inconel 625熔覆层的磨损量分别为58.8mg和31.7mg。在wc添加量为15％时，其质量磨损为7.4mg。通过对比可以看出，本发明所制得的激光熔覆粉末可以有效提高低合金钢的耐磨损性能。
56.实施例4：
57.一种提高inconel 625镍基激光熔覆层耐磨损性能的激光熔覆粉末的原料成分为：inconel 625-xwc镍基合金，其中x＝20wt.％。
58.制备步骤及实验操作如下：
59.步骤1，利用qm-3sp2行星式球磨机将本配比按500g进行机械混合，设置球料比为1:5，转速为350rpm，设置时间为60min,其中正转、反转各占一半；
60.步骤2，利用烘干箱将已经经过机械混合后不同梯度的镍基合金分别进行烘干，设置温度为150℃，烘干30min；
61.步骤3，采用isdl-3008型光纤输入半导体激光器进行激光熔覆，对熔敷后的层做低载下(5n)和高载下(10n)的室温摩擦，对实验前后的磨盘和试样进行超声波清洗及称重，并使用sem对实验后的熔覆层进行微区分析。
62.经实验发现：本实施实例所得到的激光熔覆层成形良好，对制得的样品分别进行低载和高载下的摩擦学性能研究，磨损量是代表耐磨性最直观的参数，在其他参数一致的情况下，其值越低，则证明其耐磨性能越差。分析实验结果发现在低载荷下，基体q345和inconel 625熔覆层的磨损量分别为37.3mg和23.8mg。在wc添加量为20％时，其质量磨损为
9.1mg。高载荷下，基体q345和inconel 625熔覆层的磨损量分别为58.8mg和31.7mg。在wc添加量为20％时，其质量磨损为17.1mg。通过对比可以看出，本发明所制得的激光熔覆粉末可以有效提高低合金钢的耐磨损性能。
63.载荷变化对q345和各熔覆层耐磨顺序没有影响，添加wc后的耐磨性依次为：15％wc》20％wc》10％wc》5％wc》inconel 625》q345，其磨损量示意图如图1所示。