本发明涉及激光熔覆技术，具体涉及1Cr15Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末及制备方法。
背景技术：
1Cr15Ni4Mo3N钢具有较高的强度、耐蚀性、抗氧化性和可焊性等优点，可用于300℃以下长期在大气和燃料中工作的承力零件及紧固件，用于大型商务机、空战机、直升机旋翼桨毂中，及可用于要求精度较高的转动齿轮、紧固件等承载作用力构件。然而1Cr15Ni4Mo3N钢该类材料在实际热处理过程中，经常出现硬度、强度偏下限问题，耐磨性下降，导致在实际应用中出现故障。现有中通常采用调整热处理温度或表面处理，但该些方法都只能单方便的改变其性能，并且方法比较麻烦，影响因素较多，不能完全确保能够改善其强度、硬度。近几年兴起的激光熔覆技术能够很好地改善1Crl5Ni4Mo3N综合性能。
激光熔覆技术是一种采用激光束加热熔覆材料和基体表面，使所需特殊材料熔焊于零件表面的新型表面改性技术。激光熔覆的原理是指以不同的添料方式将熔覆材料添加到被熔覆基体的表面上，利用高能密度的激光辐射到基体表面，使基体表面薄层与熔覆材料快速熔化并凝固发生冶金结合，显著改善基体表面的耐磨耐蚀性。激光熔覆与传统表面工程相比，热输入量较低，材料的热变形小，耗能小，应用灵活，理论上可以在各种材料表层采用激光熔覆技术，且后续加工很小或不需要加工等。此外，激光熔覆过程中的急冷可以使熔覆层的组织更加致密，晶粒更加细化，从而使力学性能得到显著提高。
激光熔覆材料主要指形成熔凝层所用的材料，要获得性能理想的激光熔覆层，其熔覆材料的选择至关重要，必须应当满足零件工况和激光熔覆通用工艺要求。熔覆材料不但要具有良好的激光熔覆性能，而且熔覆材料应与基材有好的冶金相容性，能够形成均匀的结合界面。通常情况下，一是熔覆材料与基体金属热膨胀系数要尽可能相近，如果两者的热膨胀系数相差太大，则熔覆层易产生裂纹甚至剥落；二是熔覆材料与基体金属的熔点要相近；三是熔覆材料与基体金属之间应该具有良好的润湿性。
常用于修复1Crl5Ni4Mo3N钢的熔覆粉末多为Fe316和Fe314等。然而1Cr15Ni4Mo3N作为一种高强韧性不锈钢，其抗拉强度达到1350～1600MPa，断后伸长率达到15％以上，室温冲击韧性Akv达到90J以上。目前国内外的相关研究鲜有报道，现有的Fe314或Fe316等粉末因与其成分差异较大，其间的润湿特性、熔点及理化相容性亦相差较大，导致熔覆界面存在着大量的孔隙、夹杂和微裂纹等缺陷，并产生较高的稀释率。同时，由于激光熔覆作为一种快速冷却与凝固过程，通常会导致熔覆层具有较大脆性，易于形成较多的冶金缺陷并产生微观裂纹，因而很难保证其优异的强韧性配合。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末及制备方法。本发明的激光熔覆粉末的主要成分与1Crl5Ni4Mo3N钢的组成接近，本发明进一步提出了激光熔覆粉末的制备方法，本发明中的激光熔覆粉末专用于1Crl5Ni4Mo3N钢的激光熔覆技术中，提高了熔覆层的韧性，保证熔覆界面优异的结合强度，同时改善了熔覆粉的润湿性，抑制熔覆层开裂并延缓裂纹扩展速率。
为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为：
1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末，其中，所述1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：C 0.09％-0.14％，Cr 13.2％-15.2％，Ni 4.1％-5.3％，Mo 2.2％-2.7％，Mn 0.47％-0.98％，Si 0.10％-0.93％，N 0.03％-0.08％，B 0.02％-0.15％，稀土0.006％-0.048％，S 0.010％-0.016％，P 0.014％-0.022％，余量为铁。
本发明提出的1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末的进一步优选方案为：
其中，1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：C 0.09％-0.12％，Cr 13.2％-14.8％，Ni 4.5％-5.3％，Mo 2.2％-2.5％，Mn 0.47％-0.92％，Si 0.15％-0.93％，N 0.03％-0.06％，B 0.05％-0.15％，稀土0.010％-0.048％，S 0.010％-0.014％，P 0.014％-0.020％，余量为铁。
进一步优选为，所述1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：C 0.09％-0.10％，Cr 13.2％-14.0％，Ni 5.1％-5.3％，Mo 2.2％-2.3％，Mn 0.47％-0.80％，Si 0.25％-0.93％，N 0.03％-0.04％，B 0.10％-0.15％，稀土0.020％-0.048％，S 0.010％-0.012％，P 0.014％-0.018％，余量为铁。
最优选为，所述1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：C 0.10％，Cr 13.8％，Ni 5.2％，Mo 2.30％，Mn 0.70％，Si 0.55％，N 0.04％，B 0.12％，稀土0.03％，S 0.010％，P 0.015％，余量为铁。
其中，稀土为La、Ce、Y中的至少一种，优选为La。
其中，1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级和纳米级的激光熔覆粉末的重量比为8-16:1。其中，微米级的激光熔覆粉末的粒径为15-60μm；所述纳米级的激光熔覆粉末的粒径为120-450nm。其中，所述1Crl5Ni4Mo3N钢专用激光熔覆粉末的微观形貌为球形。
本发明提出了1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末的制备方法为：将原料1Crl5Ni4Mo3N圆棒材和高纯度的Fe/Si/B/稀土合金粉末，在高真空保护电炉中加热熔融混合均匀，然后经气雾化造粒制备得到。
其中，1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末的制备方法包括以下步骤：
步骤一：配料：按照权利要求1所述的激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料1Crl5Ni4Mo3N圆棒材和高纯度的Fe/Si/B/稀土合金粉末；
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料进行熔炼，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-15℃--5℃的氩气气氛，雾化的压力为5-7MPa；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
其中，步骤三所述的雾化介质优选为-11℃--9℃的氩气气氛。其中，步骤二中所述的熔炼温度为1400－1500℃，保温时间为10-15小时。
其中，惰性气氛优选为氩气气氛。
本发明提出的1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末的制备方法中，步骤三的雾化过程中优选同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为20-30:1；使得在雾化过程中进一步降低熔覆粉末中的杂质。其中，步骤三的具体过程为：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-15℃--5℃的氩气气氛，雾化的压力为5-7MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为20-30:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
其中，步骤三所述的雾化步骤中，氩气和氢气的体积比优选为25-30:1。其中，氢气可以采用常温的气体。
其中，Fe/Si/B/稀土合金粉末的制备采用合金粉末的公知技术来制备。
本发明提出的一种1Crl5Ni4Mo3N钢专用激光熔覆粉末的原理和有益效果为：
(1)本发明得到的激光熔覆粉末用于1Cr15Ni4Mo3N钢中，使得熔覆层的主要组分与1Cr15Ni4Mo3N钢基体保持一致，使其具有良好的润湿性、理化相容性及相近的熔点，使得熔覆界面具有优异的结合强度、较低的冶金缺陷和较低的稀释率。
(2)本发明对激光熔覆粉末中的碳当量进行了调控，并调控出合适的碳当量值，提高了熔覆层的韧性，达到强度和韧性的良好匹配。
(3)本发明的激光熔覆粉末中增加了微量的B、Si，自溶剂合金组元可以降低熔池的氧化、改善造渣能力并提高熔覆层的强度，同时添加了微量稀土组元，可以进一步净化熔体与晶界，降低熔覆层的成分与组织偏析，抑制氧化物夹杂等冶金缺陷的形成，提高熔覆层的质量。
(4)本发明得到的激光熔覆粉末的尺寸包括微米级和纳米级粉末，其中进一步调控了微米级粉末与纳米级粉末的重量比，同时对微米级粉末尺寸和纳米级粉末尺寸进行了调控，使得激光熔覆粉末用于激光熔覆技术中形成的熔覆层的致密性大大提高，提高了熔覆层的质量。
(5)本发明提出的激光熔覆粉末的制备方法中，雾化步骤中首次采用了-15℃--5℃的氩气，进一步调控了熔覆粉末的尺寸，调控了熔覆粉末中微米级粉末与纳米级粉末的含量；并在雾化的同时通入少量的氢气进一步降低熔覆粉末的杂质含量。
(6)本发明提出的激光熔覆粉末形成的熔覆层的冲击韧性为84－96J，抗拉强度为1310－1580MPa，断后伸长率为7.5％－24％。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细描述。
实施例1
1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末，所述1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：C 0.09％，Cr 13.2％，Ni 4.1％，Mo 2.2％，Mn 0.47％，Si 0.10％，N 0.03％，B 0.02％，La 0.006％，S 0.010％，P 0.014％，余量为铁。
具体制备方法为：
步骤一：配料：按照上述激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料1Crl5Ni4Mo3N圆棒材和高纯度的Fe/Si/B/La合金粉末；
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料置于高真空保护电炉中在氩气的保护下进行熔炼，熔炼温度为1400℃，保温时间为10小时，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-15℃的氩气气氛，雾化的压力为5MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为25:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
得到的激光熔覆粉末中的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级的熔覆粉末和纳米级的熔覆粉末的重量比为8:1。
实施例2
1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末，所述1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：C 0.09％，Cr 13.2％，Ni 4.5％，Mo 2.2％，Mn 0.47％，Si 0.15％，N 0.03％，B 0.05％，Ce 0.01％，S 0.010％，P 0.014％，余量为铁。
具体制备方法为：
步骤一：配料：按照上述激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料1Crl5Ni4Mo3N圆棒材和高纯度的Fe/Si/B/Ce合金粉末；
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料置于高真空保护电炉中在氩气的保护下进行熔炼，熔炼温度为1400℃，保温时间为12小时，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-14℃的氩气气氛，雾化的压力为5.5MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为25:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
得到的激光熔覆粉末中的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级的熔覆粉末和纳米级的熔覆粉末的重量比为10:1。
实施例3
1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末，所述1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：C 0.09％，Cr 13.2％，Ni 5.1％，Mo 2.2％，Mn 0.47％，Si 0.25％，N 0.03％，B 0.10％，La 0.01％，Ce 0.01％，S 0.010％，P 0.014％，余量为铁。
具体制备方法为：
步骤一：配料：按照上述激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料1Crl5Ni4Mo3N圆棒材和高纯度的Fe/Si/B/La/Ce合金粉末；
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料置于高真空保护电炉中在氩气的保护下进行熔炼，熔炼温度为1500℃，保温时间为10小时，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-13℃的氩气气氛，雾化的压力为5.5MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为25:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
得到的激光熔覆粉末中的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级的熔覆粉末和纳米级的熔覆粉末的重量比为11:1。
实施例4
1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末，所述1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：C 0.10％，Cr 13.8％，Ni 5.2％，Mo 2.3％，Mn 0.70％，Si 0.55％，N 0.04％，B 0.12％，La 0.03％，S 0.010％，P 0.015％，余量为铁。
具体制备方法为：
步骤一：配料：按照上述激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料1Crl5Ni4Mo3N圆棒材和高纯度的Fe/Si/B/La合金粉末；
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料置于高真空保护电炉中在氩气的保护下进行熔炼，熔炼温度为1500℃，保温时间为10小时，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-11℃的氩气气氛，雾化的压力为6MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为23:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
得到的激光熔覆粉末中的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级的熔覆粉末和纳米级的熔覆粉末的重量比为12:1。
实施例5
1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末，所述1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：C 0.10％，Cr 14.0％，Ni 5.3％，Mo 2.3％，Mn 0.80％，Si 0.93％，N 0.04％，B 0.15％，La 0.048％，S 0.012％，P 0.015％，余量为铁。
具体制备方法为：
步骤一：配料：按照上述激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料1Crl5Ni4Mo3N圆棒材和高纯度的Fe/Si/B/La合金粉末；
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料置于高真空保护电炉中在氩气的保护下进行熔炼，熔炼温度为1500℃，保温时间为10小时，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-10℃的氩气气氛，雾化的压力为6MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为23:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
得到的激光熔覆粉末中的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级的熔覆粉末和纳米级的熔覆粉末的重量比为13:1。
实施例6
1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末，所述1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：C 0.12％，Cr 14.8％，Ni 5.3％，Mo 2.5％，Mn 0.92％，Si 0.93％，N 0.06％，B 0.15％，Ce 0.048％，S 0.014％，P 0.02％，余量为铁。
具体制备方法为：
步骤一：配料：按照上述激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料1Crl5Ni4Mo3N圆棒材和高纯度的Fe/Si/B/Ce合金粉末；
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料置于高真空保护电炉中在氩气的保护下进行熔炼，熔炼温度为1500℃，保温时间为10小时，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-8℃的氩气气氛，雾化的压力为7MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为20:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
得到的激光熔覆粉末中的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级的熔覆粉末和纳米级的熔覆粉末的重量比为14:1。
实施例7
1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末，所述1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末中各组分的量按重量百分比为：C 0.14％，Cr 15.2％，Ni 5.3％，Mo 2.7％，Mn 0.98％，Si 0.93％，N 0.08％，B 0.15％，La 0.028％，Y 0.02％，S 0.016％，P 0.022％，余量为铁。
具体制备方法为：
步骤一：配料：按照上述激光熔覆粉末中各组分重量百分比含量准备原料1Crl5Ni4Mo3N圆棒材和高纯度的Fe/Si/B/La/Y合金粉末；
步骤二：熔炼：将步骤一准备的原料置于高真空保护电炉中在氩气的保护下进行熔炼，熔炼温度为1500℃，保温时间为10小时，得到合金熔液；
步骤三：雾化：将步骤二得到的合金溶液进一步雾化，雾化介质为-5℃的氩气气氛，雾化的压力为7MPa；雾化的过程中同时通入氢气，其中氩气和氢气的体积比为20:1；雾化结束后，在常温的惰性气氛下至室温，干燥后即得到。
得到的激光熔覆粉末中的尺寸包括微米级和纳米级，其中微米级的熔覆粉末和纳米级的熔覆粉末的重量比为16:1。
性能测试：
采用大功率激光器在1Crl5Ni4Mo3N钢上分别熔覆实施例1-实施例7的熔覆粉末，在1Crl5Ni4Mo3N钢上形成熔覆层。
具体为：熔覆前分别对实施例1-实施例7的熔覆粉末进行烘干处理，对1Crl5Ni4Mo3N钢带熔覆区进行清理，确保基体材料表面光亮并用丙酮清洗，以减少表面缺陷对激光工艺造成影响。粉末由送粉器送出，经过同轴送粉喷嘴送进激光熔池，熔覆过程中，采用氩气保护气体，良好的气体保护可以降低熔覆层缺陷的形成。最后在基体表面形成一层致密的熔覆层。激光熔覆参数采用同种基体材料激光熔覆优化参数。具体参数如下表所示。采用的是多道搭接熔覆技术，搭接率为40～50％，单道熔覆层高度不大于0.5mm。其中，激光熔覆参数为：激光功率1200W，扫描速度0.01m/s，送粉速率为low挡，保护气速率400L/h。
采用优化的激光熔覆参数在1Crl5Ni4Mo3N钢上制备一层熔覆层。宏观上熔覆层表面无明显缺陷。熔覆层形成均匀，色泽光亮一致。对熔覆层性能测试结果参见下表：
本发明的具体实施方式中凡未涉及到的说明属于本领域的公知技术，可供参考公知技术加以实施。
上述具体实施方式是对本发明提出的1Crl5Ni4Mo3N钢用激光熔覆粉末及制备方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡事按照本发明提出的技术思想，在本技术方案的基础上所做出的任何同等变化或等效改变，均属于本发明技术方案保护范围。