一种激光增材修复专用的微合金化高强度低合金钢粉末制造技术

本发明专利技术公开了一种激光增材修复专用的微合金化高强度低合金钢粉末，质量百分比组成如下：碳C：0.10％，铬Cr：1.3％，硅Si：0.50％，锰Mn：0.70％，钼Mo：0.50％，微合金元素：0.06％～0.1％，铁Fe：余量；所述微合金元素选自钒V、钛Ti、铌Nb、铝Al中的一种或多种；采用本发明专利技术合金粉末及其应用方法，有效的改善了激光熔覆铸态显微组织的力学性能，与锻件相比，铸态的组织往往在强度上难以与锻件相媲美，但是随着微量元素的加入能够显著的改善这一情况。元素的加入能够显著的改善这一情况。

【技术实现步骤摘要】
一种激光增材修复专用的微合金化高强度低合金钢粉末


[0001]本专利技术涉及合金材料科学及激光熔覆增材修复
，具体公开了一种激光增材修复专用的微合金化高强度低合金钢粉末。

技术介绍

[0002]激光增材制造合金的显微组织属于铸态组织，但是只要合金成分和增材工艺控制精确，所制造合金的力学性能完全可以达到锻件的力学水平。激光增材制造件的力学性能可以达到锻件标准的主要原因是其组织致密、均匀、细小。常规工艺条件下，铸件性能一般远低于锻件，主要源于铸态组织通常存在宏观偏析、缩松、以及组织粗大等缺陷。锻造过程使材料组织致密、成分均匀、晶粒细化，而相比常规铸态组织显著提高力学性能。
[0003]激光增材制造件组织致密、均匀、细小，不存在导致常规铸态组织性能低下的宏观偏析、缩松、组织粗大等缺陷。激光增材制造过程沉积熔池所具有的快速熔凝特征导致沉积态组织的亚结构相比常规铸态组织显著细化；激光增材制造采用的同步送粉逐点逐层熔覆沉积，由于粉末的成分是均匀的，且熔池尺寸很小，凝固速率很快，显微偏析局限于同其细小枝晶间距相当的极小范围，更不会产生宏观偏析；熔池尺寸小而浅兼枝晶细小，易于补充液态金属的凝固收缩，因此不会出现缩松，可以获得全致密的合金织。虽然在实验分析中发现激光增材制造成形合金的晶粒组织往往较锻件晶粒组织粗大，但晶粒内部的亚结构非常小。可见对于激光增材制造合金，决定力学性能的主要因素不是晶粒组织大小，而是晶内亚结构。
[0004]在普通碳钢中通常依靠加入碳来提高强度，但是提高碳含量的同时必然降低钢的塑性和韧性，使普碳钢不能同时满足强度与韧性都较好的综合力学性能，由此研究人员开始研究不增加碳含量，而是加入其它元素来获得同样的效果。基于这一实际应用中的需求，微合金化技术就出现了。微合金化技术是在低碳钢中加入微量合金元素来达到提高强度的目的(一般主要是强碳化物形成元素Nb、V、Ti、Al等)，合金元素的添加量不多于0.20％，通常小于0.10％，这些元素在钢中的作用主要是细化晶粒，抑制晶粒长大，延缓再结晶进行以及析出强化。
[0005]但是微合金化技术的应用场景一般都是传统制造方式中的工件铸造、生产，对于不同的应用场景微合金化所能起到的效果也有所差异。尤其是在激光增材熔覆这一特殊的制造方式中传统的微合金化钢难以达到理想的效果，因此需要针对性的设计应用于激光增材制造的专用微合金化高强度低合金粉末。

技术实现思路

[0006]本专利技术的内容是利用微合金化的理念，在设计的低碳低合金成分基础上，通过添加微量的钒，进行微合金化，促进奥氏体晶内针状铁素体的析出，提高修复层的强度和塑韧性。通过微量(0.1％)V的添加，在凝固过程中析出夹杂物/析出物细化奥氏体晶粒、促进晶内铁素体无方向性析出进一步细化组织和调控激光增材制造的沉积态组织结构和力学性
能。探索微合金化成分设计对激光增材合金力学性能的影响。提供一种含有特定合金元素、应用效果显著、效率高、激光增材修复专用的钒微合金化高强度铁基合金粉末。
[0007]该专利技术的核心之处在于对于常用的激光熔覆合金粉末进行了微合金化的处理，具体之处是通过在合金粉末里加入一定量的微合金元素钒。欲解决激光熔覆的组织结构为铸态组织，与锻件相比晶粒度较粗大，强度和塑韧性不高，需要细化晶粒，但是修复件不能通过锻造和热处理来实现组织调控的问题。随着钒元素的加入，材料的力学性能得到了大幅度的提高，最突出的地方就是材料的强度，钒元素通过在组织中起到析出强化、钉扎作用带来的晶粒细化等强化了材料的力学性能。
[0008]值得一提的是，除了钒元素之外，钛、铌、铝等其他强碳化物形成元素也可以起到和钒元素类似的作用也可通过在凝固过程中析出夹杂物/析出物细化奥氏体晶粒、促进晶内铁素体无方向性析出来调控激光增材制造的沉积态组织结构和力学性能，本专利技术只列举了钒元素的强化效果。
[0009]本专利技术的技术方案如下：
[0010]一种激光增材修复专用的微合金化高强度低合金钢粉末，质量百分比组成如下：碳C：0.10％，铬Cr：1.3％，硅Si：0.50％，锰Mn：0.70％，钼Mo：0.50％，微合金元素：0.06％～0.1％，铁Fe：余量；
[0011]所述微合金元素选自钒V、钛Ti、铌Nb、铝Al中的一种或多种，优选钒V。
[0012]特别优选的，一种激光增材修复专用的微合金化高强度低合金钢粉末，质量百分比组成如下：碳C：0.10％，铬Cr：1.3％，硅Si：0.50％，锰Mn：0.70％，钼Mo：0.50％，钒V：0.1％，铁Fe：余量。
[0013]本专利技术所述的激光增材修复专用的微合金化高强度低合金钢粉末，粉末球形度高于0.8，粉末几乎不含空心粉，粉末粒度为：50
‑
200μm，主体粒度为75
‑
150μm；所述主体粒度指该粒度范围内粉末占60％以上。
[0014]本专利技术所述的激光增材修复专用的微合金化高强度低合金钢粉末可采用真空气雾化方法进行制粉，所用惰性气体为氩气或氮气，雾化喷嘴选用收放型环缝喷嘴，雾化锥角优选为50
‑
70
°
，雾化压力为2.5
‑
4.5MPa。
[0015]本专利技术所述的微合金化高强度低合金钢粉末在激光增材修复中的应用，具体如下：
[0016]采用1000～6000W的光纤激光器进行激光熔覆增材修复，激光熔覆增材修复操作采用轴向送粉熔敷头，使用高纯氩气(Ar)作为送粉载气熔敷过程保护气，送粉方式采用环形送粉，实验过程中可对送粉外环进行直接冷却，水流量较大，实验过程中冷却效果较好，可以承受更高的激光功率。
[0017]所述激光熔覆增材修复操作的工艺参数为：激光功率2500
‑
3500W，激光扫描速度240
‑
480mm/min，光斑直径3
‑
5mm，离焦量12
‑
15mm，送粉速率10
‑
16g/min，送粉载气流量为8L/min，合金粉末的送粉方式为同步同轴输送，搭接率30％
‑
50％。
[0018]优选的，所述激光熔覆增材修复操作的工艺参数为：激光功率2900W，激光扫描速度360mm/min，光斑直径4mm，离焦量12mm，送粉速率12g/min，送粉载气流量为8L/min，合金粉末的送粉方式为同步同轴输送，搭接率40％。
[0019]本专利技术所述的微合金化高强度低合金钢粉末成分设计原理为：
[0020]钒V：0.06％～0.1％
[0021]在微合金化时，可供选择微合金有铌、钛及钒。其中，由于几方面的原因，钒是一种更受欢迎的选择。首先，与其它微合金相比，钒碳氮化物的高溶解性，使其能在无论是轧制或是锻制的正常加热温度下溶解。氮钛化物(TiN)的溶解能力最低无论是作为氮化物亦或是碳化物，在高碳钢中作为析出强化剂，通常都无效。铌碳氮化物与钒相比，其溶解能力也较低。钒对氮具有中性亲和力。添加适量氮以后，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光增材修复专用的微合金化高强度低合金钢粉末，其特征在于，质量百分比组成如下：碳C：0.10％，铬Cr：1.3％，硅Si：0.50％，锰Mn：0.70％，钼Mo：0.50％，微合金元素：0.06％～0.1％，铁Fe：余量；所述微合金元素选自钒V、钛Ti、铌Nb、铝Al中的一种或多种。2.如权利要求1所述的激光增材修复专用的微合金化高强度低合金钢粉末，其特征在于，所述微合金元素为钒V。3.如权利要求1所述的激光增材修复专用的微合金化高强度低合金钢粉末，其特征在于，质量百分比组成如下：碳C：0.10％，铬Cr：1.3％，硅Si：0.50％，锰Mn：0.70％，钼Mo：0.50％，钒V：0.1％，铁Fe：余量。4.如权利要求1所述的微合金化高强度低合金钢粉末在激光增材修复中的应用，其特征在于，所述应用的方法为：采用光纤激光器进行激光熔覆增材修复，激光熔覆增材修复操作采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：董刚，姚建华，程达初，陈智君，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：