一种激光增材修复专用的微合金化高强度低合金钢粉末

1.本发明涉及合金材料科学及激光熔覆增材修复技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.本发明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。
7.该发明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。
8.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，本发明只列举了钒元素的强化效果。
9.本发明的技术方案如下：
10.一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；
11.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。
12.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。
13.本发明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。
14.本发明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。
15.本发明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：
16.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。
17.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％。
18.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％。
19.本发明所述的微合金化高强度低合金钢粉末成分设计原理为：
20.钒v：0.06％～0.1％
21.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，钒(碳、氮)析出主要为氮化物，通常为一定钒(碳0.2氮0.8)的比例由于钒对氮具有这个优势，氮增强了钒微合金钢的性能。结果是，在氮易引起脆性的地方，氮不再是一种固溶物。钒将氮从一种不被人需要的夹杂元素，变成了合金钢的一个不可分割的组成部分。钒铁强化钢的性能主要是通过钒元素在铁素体中的沉淀析出，阻滞了奥氏体晶粒的再结晶长大，同时起到了作为铁素体晶核的作用，增加铁素体的形成，从而细化了铁素体晶粒，钒还可以加速珠光体的形成，细化铁素体板条，显著提高钢的强度、硬度、塑性和韧性；同时钒还可以抑制贝氏体的形成，増加钢的淬透性。而且钒是比较常见的微合金元素，通常在钢中的含量控制在0.02％～0.15％。根据生产经验，钒含量低于0.06％时，其提高强韧性的作用并不明显；而钒含量超过0.1％时，钢在热处理过程中会析出量第二相，强度大幅提高，但韧性会降低，对提升强韧性匹配关系极为不利。所以我们居中选择了0.06％～0.1％的钒含量。微合金钢在热加工、热处理过程中会产生复杂的第二相析出，从而对材料性能产生影响。其中含钒(v)元素的第二相具有阻碍奥氏体晶粒长大、增加晶内铁素体形核核心、细化铁素体晶粒等作用，因此受到了广泛的关注。这些钢具有良好的韧性、强度、成型性的综合性能。
22.与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：
23.现在修复领域对材料的力学性能的要求越来越高，包括很多情况下应力比较集中的地方，对材料的塑韧性要求很高，尤其是一些转子轴要求则更高。目前在激光熔覆增材修复领域也有通过加入大量的其他合金元素来达到提升材料力学性能的目的的做法，这种做法可能也可以达到提升材料力学性能的目的，但是相较于本发明只加入少量的特定元素钒或其他微合金元素来说，这种做法则有明显的不足。首先加入大量的合金元素的话会使得材料的成本大大提高，再者合金含量过高的话反而会使材料的性能得到恶化，因为合金含量高了的话会容易造成偏析，这对性能的危害是很大的，而如果出现偏析将很难解决。
24.采用本发明所述合金粉末及其应用方法，可在成本可承受的范围之内的情况下使得材料综合力学性能得到十分有效的提升，这种方法在工业材料应用领域将会有很大的发挥空间。一是因为如果添加大量的合金元素的话会使得材料的成本大大的提升，而且效果也不一定会有我们只加入少量特定合金元素的效果好。二是针对于某些特定的零部件，由于各种原因将会使得它只能通过激光增材再制造等或类似这种的现场修复的技术来进行修复，后续很难再进行其他的处理，这样就使得对熔覆效果的要求会很高，而本发明所阐述的合金粉末就是这样一种一次修复成型就会有很好的力学性能的发明。
25.本发明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。
附图说明
26.图1为实施例1所述微合金化高强度低合金钢粉末制备的拉伸试样拉伸试验前后
图片。
27.图2为实施例2所述低碳低合金钢粉末制备的拉伸试样拉伸试验前后图片。
28.图3为所述微合金化元素强化力学性能的原理示意图，其强化原理主要有两点一个是细晶强化，另一个是析出强化。其中细晶强化是通过晶内针状铁素体的形成来分割原奥氏体晶粒，而析出强化则是通过弥散分布的钒氮、碳化合物的第二相粒子来完成。
29.图4为实施例1所述微合金化高强度低合金钢粉末制备的金相试样的金相组织图。
30.图5为实施例2所述低碳低合金钢粉末制备的金相试样的金相组织图。
31.图6为实施例1所述微合金化高强度低合金钢粉末制备的拉伸试样拉伸试验的端口sem分析照片，从图中可看出断口的纤维区比例较小而放射区比例较大、韧窝形核位置较多、韧窝较小较浅，这与其强度高的特点相符合。
32.图7为实施例2所述低碳低合金钢粉末制备的拉伸试样拉伸试验的端口sem分析照片，从图中可看出断口的纤维区比例较大而放射区比例较小、韧窝形核位置较少、韧窝较大较深，这与其强度低的特点相符合。
33.图8为实施例1所述微合金化高强度低合金钢粉末制备的熔覆层在维氏硬度计下测得的硬度值。
34.图9为实施例2所述低碳低合金钢粉末制备的熔覆层在维氏硬度计下测得的硬度值。
具体实施方式
35.下面通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
36.实施例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：
37.本实施例用激光熔覆合金粉末化学成分质量百分比为：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。
38.实施例2一种激光增材修复专用的低碳低合金钢粉末：
39.本实施例用激光熔覆合金粉末化学成分质量百分比为：碳c：0.10％，铬cr：1.3％，硅si：0.50％，锰mn：0.70％，钼mo：0.50％，铁fe：余量。
40.实施例3激光熔覆所述微合金化高强度低合金钢粉末的应用方法：
41.采用实施例1所述的用于激光增材修复专用的微合金化高强度低合金钢粉末，采用的激光器光斑为的圆形光斑，对该发明合金粉末进行力学性能的试样制备、测试和组织分析。
42.如在35crmoa车轴上取出待激光熔覆取拉伸与冲击试样的钢板，在进行激光熔覆之前先用酒精对表面进行清洗，去除表面油污。
43.将整块板至于激光器下，调整激光器位置至待加工区域；
44.将实施例1所述的用于35crmoa车轴径激光熔覆表面修复的微合金化高强度低合金钢粉末100℃～200℃保温直至烘干后放入送粉器中；
45.激光工艺参数探索如下：
46.激光功率至2500w，扫描速度为4mm/s，送粉量为10g/min，送粉载气流量为8l/min，搭接率为30％。
47.激光功率至2900w，扫描速度为6mm/s，送粉量为12g/min，送粉载气流量为8l/min，
搭接率为40％。
48.激光功率至3500w，扫描速度为8mm/s，送粉量为16g/min，送粉载气流量为8l/min，搭接率为50％。
49.根据实际熔覆出来的效果，在激光功率至2900w，扫描速度为6mm/s，送粉量为12g/min，送粉载气流量为8l/min，搭接率为40％的工艺条件下熔覆出来的熔覆层效果最佳。
50.在此激光熔覆工艺参数之下可获得满意的熔覆层。在上述最佳工艺参数下对力学性能试样进行制备。
51.经着色探伤未见裂纹显像，熔覆层组织致密，无气孔、夹杂、裂纹等缺陷。对熔覆层取样进行eds分析，在未考虑原子序数8之前的元素时，熔覆层顶部的元素已基本接近所设计合金粉末的原始成分。参考gb/t228.1-2010《金属材料拉伸试验》第1部分的测试标准，得出测试结果熔覆层最高屈服强度为767mpa，最高抗拉强度达865mpa；熔覆层的平均硬度约在400hv0.3左右；平均冲击韧性在43j左右。
52.实施例4圆光斑激光熔覆所述低碳低合金钢粉末的应用方法：
53.采用实施例2所述的用于35crmoa车轴径激光熔覆表面修复的低碳低合金钢粉末，采用的激光器光斑为的圆形光斑，对该发明合金粉末进行力学性能的试样制备、测试和组织分析。
54.在35crmoa车轴上取出待激光熔覆取拉伸与冲击试样的钢板，在进行激光熔覆之前先用酒精对表面进行清洗，去除表面油污。
55.将整块板至于激光器下，调整激光器位置至待加工区域；
56.将实施例2所述的用于35crmoa车轴径激光熔覆表面修复的低碳低合金钢粉末100℃～200℃保温直至烘干后放入送粉器中；
57.激光工艺参数探索如下：
58.激光功率至2500w，扫描速度为4mm/s，送粉量为10g/min，送粉载气流量为8l/min，搭接率为30％。
59.激光功率至2900w，扫描速度为6mm/s，送粉量为12g/min，送粉载气流量为8l/min，搭接率为40％。
60.激光功率至3500w，扫描速度为8mm/s，送粉量为16g/min，送粉载气流量为8l/min，搭接率为50％。
61.根据实际熔覆出来的效果，在激光功率至2900w，扫描速度为6mm/s，送粉量为12g/min，送粉载气流量为8l/min，搭接率为40％的工艺条件下熔覆出来的熔覆层效果最佳。
62.在此激光熔覆工艺参数之下可获得满意的熔覆层。在上述最佳工艺参数下对力学性能试样进行制备。
63.经着色探伤未见裂纹显像，熔覆层组织致密，无气孔、夹杂、裂纹等缺陷。对熔覆层取样进行eds分析，在未考虑原子序数8之前的元素时，熔覆层顶部的元素已基本接近所设计合金粉末的原始成分。参考gb/t228.1-2010《金属材料拉伸试验》第1部分的测试标准，得出测试结果熔覆层最高屈服强度为576mpa，最高抗拉强度达641mpa；熔覆层的平均硬度约在280hv0.3左右；平均冲击韧性在56j左右。并且对于熔覆所取得的拉伸试样断口进行sem分析，得出的结论与其实际拉伸的结果相似。
64.由目前的实验结果，可以看到钒微合金化之后，硬度提升的还是很明显的，从
280hv0.3上升到400hv0.3；熔覆层最高屈服强度也从576mpa提升至767mpa，最高抗拉强度从641mpa提高至865mpa；而平均冲击韧性则有所下降，从56j下降至43j左右。组织也有一定的细化，加钒之后明显有许多的针状铁素体出现，而没有加钒的组织则大部分是粒状铁素体和准多边形铁素体。在以上三种铁素体中，针状铁素体的形成温度略高于准多边形铁素体，而准多边形铁素体的形成温度又略高于粒状铁素体。而两个试样制备时整个熔覆过程中温度场是一样的，所以正是因为钒元素与碳、氮的化合物存在，诱导针状铁素体的形核，所以在处于较高温度时部分奥氏体提前发生了转变，由奥氏体转变为针状铁素体。而如果没加钒元素那就应该时温度在低一点才开始奥氏体到准多边形铁素体的转变。而断口的分析则可看出，钒微合金化之前的断口纤维区比例较大，放射区比例较小，韧窝形核较少，韧窝较大较深；而钒微合金化之后的断口则纤维区比例较小，放射区比例较大，韧窝形核较多，韧窝较小较浅。
65.表1实施例1微合金化高强度低合金钢粉末在实施例3的应用下测得的拉伸数据
[0066][0067]
表2实施例2低碳低合金钢粉末在实施例4的应用下测得的拉伸数据
[0068][0069]
表3实施例1微合金化高强度低合金钢粉末和实施例2低碳低合金钢粉末的冲击韧性数据
[0070][0071]
上述的实施例均可看出，对激光增材修复用微合金化高强度低合金钢粉末进行钒微合金化后，可大幅度的提高合金粉末的强度，且曲强比也在一定程度上得到提高，熔覆层的硬度相较之下也提升了不少，但是相应的随着强度的提升冲击韧性也有一定的下降。所以，综合来看，随着对激光熔覆用的铁基合金粉末进行钒微合金化是能够提升合金粉末的综合性能的。