一种用于马氏体不锈钢的激光熔覆粉末的制作方法

本发明属于激光熔覆技术领域，具体涉及一种用于马氏体不锈钢的激光熔覆粉末。

背景技术：

由于马氏体不锈钢的价格低廉并且通过常规热处理方式可以使其硬度提升至53HRC，从而满足常规刀剪对硬度的使用要求。因此，目前在常规刀剪的加工制作中大量的使用马氏体不锈钢作为基体材质，例如3Cr13不锈钢或4Cr13不锈钢。同时，近些年随着激光熔覆技术的兴起，在刀剪的加工过程中逐渐采用激光熔覆的方式对刀刃部位进行局部硬度改善处理，以此提升加工效率，降低刀剪成本。

在激光熔覆加工中，制备高硬度、高耐磨的熔敷层所需要的粉末主要是复合粉末，一般是由高熔点硬质陶瓷粉末与金属粉末混合或复合而成。其中，粉末颗粒大小对激光熔覆加工过程以及熔覆层质量影响很大，当粉末颗粒较大时，可以保证熔覆过程复合粉末的流动性，但是获得的熔敷层易产生大量裂纹、夹渣、气孔等缺陷，影响熔敷层的性能；当粉末颗粒较小时，颗粒自身的流动性变差，大大降低复合粉末整体的流动性，造成激光熔敷过程中的送粉困难，无法形成真正的熔覆层。

目前，在对马氏体不锈钢材质的刀剪进行激光熔覆处理时，为了保证熔覆过程送粉过程的稳定顺利，大多使用的复合粉末是包覆型粉末，例如镍包碳化物、钴包碳化物等。这种包覆型粉末不仅可以有效的解决送粉困难的难题，并可以通过减低粉末的颗粒度，保证熔敷层的性能。但是，由于包覆型粉末的加工过程存在工艺流程复杂，过程不易控制，粉末精确配比难以实现，易出现杂质及团聚的问题，导致其成本昂贵。此外，并不是所有常用的金属粉末都可以进行包覆处理形成包覆粉末，例如常用的铁基粉末就无法进行包覆处理。因此，采用包覆粉末进行激光熔覆处理存在成本高和熔覆粉末种类受限的问题。

技术实现要素：

为了解决采用包覆粉末对马氏体不锈钢材质的刀剪进行激光熔覆处理时，存在加工成本高和粉末种类受限的问题，本发明提出了一种用于马氏体不锈钢的激光熔覆粉末。该激光熔覆粉末为复合粉末，包括基础金属粉末和硬质颗粒粉末；其中，所述基础金属粉末的硬度≥35HRC，颗粒度为20～120μm；所述硬质颗粒粉末采用陶瓷颗粒粉末，粉末的流动性≤30sec/50g，颗粒度为3～60μm；所述硬质颗粒粉末所占质量百分比为20％～65％，所述基础金属粉末所占质量百分比为35％～80％。

优选的，所述基础金属粉末选用Fe基粉末、Ni基粉末或Co基粉末。

优选的，所述硬质颗粒粉末采用球形或椭球形结构。

进一步优选的，所述硬质颗粒粉末采用等离子雾化加工制备。

优选的，所述硬质颗粒粉末采用TiN、TiCN、TiC、WC、SiN或SiC。

一种对马氏体不锈钢进行激光熔覆层制备的方法，包括以下步骤：

步骤S1，秤取熔覆粉末；所述熔覆粉末包括基础金属粉末和硬质颗粒粉末；所述基础金属粉末的质量百分比为35％～80％，所述硬质颗粒粉末的质量百分比为20％～65％；

步骤S2，进行熔覆粉末混合；

步骤S3，进行激光熔覆处理；

其中，所述基础金属粉末的硬度≥35HRC，颗粒度为20～120μm；所述硬质颗粒粉末采用陶瓷颗粒粉末，粉末的流动性≤30sec/50g，颗粒度为3～60μm。

优选的，激光熔覆的参数包括，激光器的功率为1800～1900W，光斑直径为2～4mm，扫描速率6～10mm/s，送粉率为20～30g/min，激光扫描道次搭接率为30％～50％。

优选的，所述基础金属粉末选用Fe基粉末、Ni基粉末或Co基粉末。

优选的，所述硬质颗粒粉末采用球形或椭球形结构，通过等离子雾化技术加工制备。

优选的，所述硬质颗粒粉末采用TiN、TiCN、TiC、WC、SiN或SiC。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

第一，在本发明中，通过对基础金属粉末和硬质颗粒粉末质量百分比的选定控制、对硬质颗粒粉末流动性的限定以及对颗粒度大小的限定，使得由基础金属粉末和硬质颗粒粉末直接混合而成的激光熔覆粉末对马氏体不锈钢进行激光熔覆处理时，不仅避免了常规熔覆处理过程中堵粉的问题，使熔覆过程可以顺利进行，保证熔覆操作的效率，而且保证了熔覆层的硬度，满足刀剪对硬度的使用要求，达到与使用包覆型粉末相同的熔覆效果。与此同时，大幅度简化了激光熔覆粉末的制备工艺过程以及对熔覆粉末组份的限制，从而降低了激光熔覆粉末的加工成本，扩大了激光熔覆粉末的成分组合类型，真正实现对刀剪制备成本的降低，并且通过选用不同组份激光熔覆粉末可以满足熔覆层对使用性能的要求，扩大刀剪的应用领域和环境。

第二，在本发明中，通过对激光熔覆粉末中基础金属粉末的颗粒度和硬度的限定，对硬质颗粒粉末的颗粒度和流动性的限定，以及对激光熔覆参数的控制，最终在马氏体不锈钢表面形成一层性能符合要求的熔覆层。在保证马氏体不锈钢基体材质性能稳定，即基体材质性能在不被过高的激光能量破坏的情况下，实现了基础金属粉末的完全熔化，从而保证了熔覆层的基础硬度，同时通过对送粉率、硬质颗粒粉末流动性以及颗粒度的相互匹配设定，使硬质颗粒粉末最终均匀分布在熔覆层中，实现对熔覆层硬度的进一步提升以及保证熔覆层硬度分布的均匀度，从而提高熔覆层的整体性能，满足刀剪的使用要求。

附图说明

图1为在实施例1中完成激光熔覆处理后获得的熔覆层金相图；

图2为在实施例2中完成激光熔覆处理后获得的熔覆层金相图；

图3为在对比例1中完成激光熔覆处理后获得的熔覆层金相图；

图4为在对比例2中完成激光熔覆处理后获得的熔覆层金相图；

图5为在对比例5中完成激光熔覆处理后获得的熔覆层金相图。

具体实施方式

下面以马氏体不锈钢中最常用的3Cr13不锈钢板材作为基体进行激光熔覆处理为例，对本发明的技术方案进行详细介绍。

实施例1

步骤S1，秤取熔覆粉末。熔覆粉末包括质量百分比为45％的基础金属粉末和质量百分比为55％的硬质颗粒粉末，其中基础金属粉末采用1Cr13不锈钢粉末，并且1Cr13不锈钢粉末的硬度为39HRC，颗粒度为30～80μm；硬质颗粒粉末采用WC陶瓷颗粒粉末，并且WC陶瓷颗粒粉末的流动性为24.61sec/50g，颗粒度为5～40μm。

在本实施例中，基础金属粉末选用的是Fe基粉末中的1Cr13不锈钢粉末，在其他实施例中，根据对熔覆层性能要求的不同，基础金属粉末也可以采用其他类型的Fe基粉末或者是Ni基粉末、Co基粉末以及其他金属粉末中的任意一种。同理，在本实施例中，硬质颗粒粉末选用的是WC陶瓷颗粒粉末，在其他实施例中，根据对熔覆层性能要求的不同，硬质颗粒粉末也可以采用TiN、TiC、TiCN、SiN或SiC陶瓷颗粒粉末中的任意一种或其他陶瓷颗粒粉末。

步骤S2，进行熔覆粉末混合。采用机械球磨对秤取的熔覆粉末进行充分混合，保证激光熔覆处理后WC陶瓷颗粒粉末可以更加均匀的分布在熔覆层中，进而保证熔覆层中不同区域的硬度均匀分布，提升熔覆层的性能。

步骤S3，在3Cr13不锈钢板材表面，进行激光熔覆处理并获得熔覆层。其中，激光熔覆操作的主要参数包括：激光器的功率为1850W，光斑直径为3mm，扫描速率8mm/s，送粉率为25g/min，激光扫描道次搭接率为40％。

其中，在激光熔覆过程中，送粉器保持均匀送粉，未发生堵粉等不正常现象，最终获得如图1所示的熔覆层金相图。通过图1可知，WC陶瓷颗粒均匀分布在熔覆层中，并且无气孔和裂纹等缺陷的存在，对熔覆层进行硬度检测结果为62HRC，达到常规刀剪对激光熔覆层53HRC硬度的要求。

优选的，在本实施例中，熔覆粉末中的WC陶瓷颗粒粉末采用球形或椭球形结构，以保证硬质颗粒粉末自身具有更好的流动性，进而保证整个熔覆粉末在送粉过程的流畅性，避免发生堵粉问题。

进一步优选的，在本实施例中，采用等离子雾化的方式进行WC陶瓷颗粒粉末的加工制备，保证陶瓷颗粒粉末颗粒度和外形的均匀，进而提高熔覆层中硬度分布的均匀度。

实施例2

采用与实施例1相同的方法对3Cr13不锈钢板进行激光熔覆处理，其区别仅在于：激光熔覆粉末中1Cr13不锈钢粉末的质量百分比为70％，并且1Cr13不锈钢粉末的颗粒度为70～120μm，硬度为38HRC；WC陶瓷颗粒粉末的质量百分比为30％，并且WC陶瓷颗粒粉末的颗粒度为30～60μm，流动性为27.5sec/50g。

其中，在激光熔覆过程中，送粉器保持均匀送粉，未发生堵粉等不正常现象，最终获得如图2所示的熔覆层金相图。通过图2可知，WC陶瓷颗粒均匀的分布在熔覆层中，并且无气孔和裂纹等缺陷的存在，对熔覆层进行硬度检测结果为60HRC，同样达到常规刀剪对激光熔覆层53HRC硬度的要求。

对比例1

采用与实施例1相同的方法对3Cr13不锈钢板进行激光熔覆处理，其区别仅在于：激光熔覆粉末中1Cr13不锈钢粉末的质量百分比为90％，WC陶瓷颗粒粉末的质量百分比为10％。

此时，在激光熔覆过程中，虽然送粉器保持均匀送粉，未发生堵粉等不正常现象，并且最终获得如图3所示的熔覆层金相图，观察图3可知，WC陶瓷颗粒均匀的分布在熔覆层中，也无气孔和裂纹等缺陷的存在，但是对熔覆层进行硬度检测结果为43HRC，低于常规刀剪对激光熔覆层53HRC硬度的要求。

对比例2

采用与实施例1相同的方法对3Cr13不锈钢板进行激光熔覆处理，其区别仅在于：激光熔覆粉末中1Cr13不锈钢粉末的质量百分比为25％，WC陶瓷颗粒粉末的质量百分比为75％。

此时，在激光熔覆过程中，虽然送粉器保持均匀送粉，未发生堵粉等不正常现象，对熔覆层进行硬度检测结果为67HRC，远远高于常规刀剪对激光熔覆层53HRC硬度的要求。但是，最终获得如图4所示的熔覆层金相图，观察图4可知，在熔覆层中出现了裂纹的缺陷。

对比例3

采用与实施例2相同的方法对3Cr13不锈钢板进行激光熔覆处理，其区别仅在于：激光熔覆粉末中WC陶瓷颗粒粉末的流动性为35sec/50g。

此时，在激光熔覆过程中，发生堵粉现象，并且通过多组试验发现随着激光熔覆粉末中WC陶瓷颗粒粉末流动性的增加，堵粉现象越严重。

对比例4

采用与实施例2相同的方法对3Cr13不锈钢板进行激光熔覆处理，其区别仅在于：激光熔覆粉末中1Cr13不锈钢粉末的硬度控制为30HRC。

此时，在激光熔覆过程中，虽然送粉器保持均匀送粉，未发生堵粉等不正常现象，并且获得的熔覆层中WC陶瓷颗粒均匀分布，无气孔和裂纹等缺陷的存在。但是，对熔覆层进行硬度检测结果为33HRC，远远低于常规刀剪对激光熔覆层53HRC硬度的要求。

对比例5

采用与实施例2相同的方法对3Cr13不锈钢板进行激光熔覆处理，其区别仅在于：激光熔覆粉末由1Cr13不锈钢粉末单独组成，并且将粉末颗粒度控制在130～150μm。

此时，获得如图5所示的熔覆层金相图，观察图5可知，在熔覆层中出现未完全熔化的1Cr13不锈钢粉末颗粒以及裂纹缺陷，并且通过多组试验发现在维持激光熔覆参数不变的情况下，随着1Cr13不锈钢粉末颗粒度的增加，熔覆层中未熔化的1Cr13不锈钢粉末颗粒的数量逐渐增加。

结合图1至图4所示，对比实施例1、实施例2和对比例1、对比例2可知，在对3Cr13不锈钢进行激光熔覆处理时，将激光熔覆操作的主要参数控制为激光器的功率为1850W，光斑直径为3mm，扫描速率8mm/s，送粉率为25g/min，激光扫描道次搭接率为40％，并且通过将熔覆粉末中基础金属粉末的质量百分比控制在20％～65％，硬质颗粒的质量百分比控制在35％～80％，此时，不仅可以在保持3Cr13不锈钢基体材质性能稳定的情况下，在其表面形成一层硬度达到60HRC以上，而且获得的熔覆层中不存在气孔和裂纹等缺陷，从而满足刀剪对激光熔覆层的使用要求。

反之，当熔覆粉末中基础金属粉末的质量百分比过高并超过65％时，获得的熔覆层硬度降低，无法满足刀剪对硬度的使用要求；当熔覆粉末中基础金属粉末的质量百分比过低并降低至20％以下时，获得的熔覆层中出现裂纹缺陷，此时无法满足刀剪对熔覆层性能的使用要求，导致刀剪使用寿命的降低。

对比实施例2和对比例3可知，当熔覆粉末中硬质颗粒的流动性高于30sec/50g时，由于硬质颗粒的流动性过高，在激光熔覆过程中，导致熔覆粉末的整体流动性降低，发生堵粉现象，并且随着硬质颗粒的流动性增加，堵粉现象越发严重，从而无法保证送粉过程的顺利进行，甚至导致熔覆层的无法形成。

对比实施例2和对比例4可知，当激光熔覆粉末中基础金属粉末的硬度低于35HRC时，无法保证熔覆层的基础硬度，使得熔覆层的硬度大幅度下降，根本无法实现对刀剪硬度的提升和改善作用。

对比实施例2和对比例5可知，当激光熔覆粉末中基础金属粉末的颗粒度超过120μm，并且在控制激光焊接参数保证3Cr13不锈钢基体材质性能稳定不被破坏的情况下，获得的熔覆层中出现未熔化的基础金属粉末以及裂纹缺陷，并且随着基础金属粉末的颗粒度增大，未熔化的基础金属粉末逐渐增多，并且熔覆层的硬度也逐渐下降。