一种用于激光熔覆再制造的合金成分及合金涂层制备方法

本发明属于激光熔覆再制造领域，涉及合金涂层的制备技术，具体涉及一种用于激光熔覆再制造的合金成分及合金涂层制备方法。

背景技术：

1、柴油发动机作为提供船舶推动力的三大关键部件之一，对船舶的正常运转和持续航行起决定性作用。凸轮轴作为柴油机的核心部件，在服役过程中极易发生异常磨损和腐蚀，对船舶的正常航行造成巨大的安全隐患，同时船舶的停运也会造成巨大的经济损失。并且更换新部件而废弃的旧部件也会造成大量资源浪费和环境污染问题。因此，失效凸轮部件的修复再制造已成为重点关注的核心问题之一。

2、激光再制造技术是国家大力发展的绿色再制造主流工艺之一，具有制造效率高、后加工量少、机械性能好、热影响区小等优点。激光熔覆技术是利用高能激光束将合金粉末快速融化与凝固，是一种非平衡凝固过程，熔池内发生复杂的物理化学反应。由于激光熔覆急冷急热的成型特点，导致传统合金成分在激光熔覆成型后易存在气孔、夹渣等缺陷，进而影响激光熔覆再制造部件的耐磨耐蚀等服役性能。高速钢具有高硬度、高耐磨等优点，但高速钢碳含量及其他合金元素含量较高，在激光熔覆合金涂层的制备过程中会出现严重的开裂以及偏析等问题，进而影响激光熔覆再制造部件的服役性能。因此，根据柴油机凸轮轴的磨损腐蚀失效机理、再制造性能需求和激光熔覆非平衡凝固成形特点，设计磨损腐蚀失效凸轮轴激光熔覆再制造专用合金成分是凸轮轴再制造的关键。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种用于激光熔覆再制造的合金成分及合金涂层制备方法，通过多种合金元素的固溶强化作用、晶粒尺寸减小的细晶强化作用及显微组织之间的相互作用，使得合金涂层具备极好的耐磨耐蚀性能，为磨损腐蚀失效部件的修复再制造提供了一种新型合金成分和制备工艺，对促进激光熔覆技术在再制造领域的应用具有重要的现实意义。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种用于激光熔覆再制造的合金成分，按照质量百分比包括如下组分：

3、c:0.8％～1.2％，cr:5.0％～7.0％，w:9.0％～10.0％，v:4％～5％，co:4.0％～5.0％，si:1.0％～2.0％，b:3.0％～4.0％，余量为fe。

4、进一步地，所述合金成分用于磨损腐蚀失效部件的激光熔覆修复再制造。

5、本发明还提供一种用于激光熔覆再制造的合金涂层制备方法，包括如下步骤：

6、s1：根据合金成分和质量分数，制备获得激光熔覆用合金粉末；

7、s2：将合金粉末放置于预处理过的45#钢基板上；

8、s3：对45#钢基板上的合金粉末进行激光熔覆制备合金涂层。

9、进一步地，所述步骤s1中合金成分按照质量百分比包括如下组分：

10、c:0.8％～1.2％，cr:5.0％～7.0％，w:9.0％～10.0％，v:4％～5％，co:4.0％～5.0％，si:1.0％～2.0％，b:3.0％～4.0％，余量为fe。

11、进一步地，所述步骤s1中激光熔覆用合金粉末的制备方法为：按照质量百分比称取不同的合金元素粉末，利用球磨机将混合后的合金元素粉末混合均匀，获得激光熔覆用合金粉末。

12、进一步地，所述步骤s1中合金元素粉末的粒径为30-70μm。

13、进一步地，所述步骤s2中45#钢基板的预处理方法为：利用角磨机将45#钢基板表面氧化皮等杂质去除，露出金属光泽，利用砂纸进一步打磨45#钢基板表面至平整光亮，依次利用丙酮、无水乙醇擦洗基板表面以去除表面油污。

14、进一步地，所述步骤s2中合金粉末放置于45#钢基板上之前进行干燥处理，具体为：将合金粉末放置于鼓风干燥箱内在80-100℃下干燥1～2h。

15、进一步地，所述步骤s3中激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2000～2500w，扫描速率为4～6mm/s，粉层厚度0.5mm/层，搭接率为50％，光斑直径为3mm，保护气体为氩气，气体流量为2～5l/min。

16、进一步地，所述步骤s3中合金涂层的厚度为1～2mm。

17、本发明通过预置合金粉末法利用高能激光束将合金粉末融化凝固，熔覆涂层与45#钢基板形成良好的冶金结合，合金熔覆层成形性良好，且呈现良好的耐磨耐蚀性能。

18、本发明的创新点包括如下几点：

19、合金熔覆涂层在激光熔覆成形过程中会在晶界形成高硬度共晶硼碳化物，形成原理是：本发明提供的合金成分中b、c的特定含量，b、c的含量较高，其中b在γ-fe中的固溶度仅为0.02％，在激光熔池凝固过程中，达到共晶转变温度后b会首先在奥氏体晶界富集，与c结合形成高硬度共晶硼碳化物，这是b、c在本申请中的特定含量比以及匹配关系所实现的。

20、具备固溶强化的效果，原理为：本发明中由于c、cr等元素的特定含量，c、cr等元素的含量较高，其除了会在合金中形成硼碳化物外，多余的元素会固溶在晶格内，使晶格发生畸变而产生强化效果。

21、合金熔覆涂层晶粒尺寸细小，起到细晶强化的作用，原理为：1)激光熔覆属于急热急冷的非平衡凝固成形方式，极快的冷却速度导致组织来不及长大而凝固，从而形成细小的组织；2)熔覆涂层在凝固过程中在晶界析出的共晶硼碳化物会阻碍晶粒的长大，从而形成细小的晶粒尺寸。

22、有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

23、1、制备获得的合金熔覆涂层硬度高，且具有优异的耐磨性能。本发明获得的合金熔覆涂层在激光熔覆成形过程中会在晶界形成高硬度共晶硼碳化物，熔覆层显微组织以高硬度马氏体为主，存在少量残余奥氏体；合金组织内固溶c、cr等合金元素含量高，起到固溶强化的效果；合金熔覆涂层晶粒尺寸细小，起到细晶强化的作用。在显微组织强化、固溶强化和细晶强化的综合作用下，合金熔覆涂层达到了硬度高和耐磨性能好的效果。合金熔覆涂层的平均显微硬度达到840hv0.2，为基体硬度的5倍；熔覆层磨损率为1.72×10-8mm3/n·mm，为基体耐磨性的3倍。

24、2、制备获得的合金熔覆涂层具有优异的耐蚀性能。通过对熔覆层电化学曲线分析，熔覆层腐蚀电位明显高于45#钢基体；电化学腐蚀后，熔覆层表面存在少量点蚀孔，可显著提升失效部件的耐腐蚀性能。

技术特征：

1.一种用于激光熔覆再制造的合金成分，其特征在于，按照质量百分比包括如下组分：

2.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆再制造的合金成分，其特征在于，所述合金成分用于磨损腐蚀失效部件的激光熔覆修复再制造。

3.一种用于激光熔覆再制造的合金涂层制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种用于激光熔覆再制造的合金涂层制备方法，其特征在于，所述步骤s1中合金成分按照质量百分比包括如下组分：

5.根据权利要求4所述的一种用于激光熔覆再制造的合金涂层制备方法，其特征在于，所述步骤s1中激光熔覆用合金粉末的制备方法为：按照质量百分比称取不同的合金元素粉末，利用球磨机将合金元素粉末混合均匀，获得激光熔覆用合金粉末。

6.根据权利要求5所述的一种用于激光熔覆再制造的合金涂层制备方法，其特征在于，所述步骤s1中合金元素粉末的粒径为30-70μm。

7.根据权利要求3所述的一种用于激光熔覆再制造的合金涂层制备方法，其特征在于，所述步骤s2中45#钢基板的预处理方法为：利用角磨机将45#钢基板表面杂质去除，露出金属光泽，利用砂纸进一步打磨45#钢基板表面至平整光亮，依次利用丙酮、无水乙醇擦洗基板表面以去除表面油污。

8.根据权利要求3所述的一种用于激光熔覆再制造的合金涂层制备方法，其特征在于，所述步骤s2中合金粉末放置于45#钢基板上之前进行干燥处理，具体为：将合金粉末放置于鼓风干燥箱内干燥。

9.根据权利要求3所述的一种用于激光熔覆再制造的合金涂层制备方法，其特征在于，所述步骤s3中激光熔覆的工艺参数为：激光功率为2000～2500w，扫描速率为4～6mm/s，搭接率为50％，光斑直径为3mm，保护气体为氩气，气体流量为2～5l/min，粉层厚度为0.5mm/层。

10.根据权利要求3所述的一种用于激光熔覆再制造的合金涂层制备方法，其特征在于，所述步骤s3中合金涂层的厚度为1～2mm。

技术总结
本发明公开了一种用于激光熔覆再制造的合金成分及合金涂层制备方法，合金成分按照质量百分比包括如下组分：C:0.8％～1.2％，Cr:5.0％～7.0％，W:9.0％～10.0％，V:4％～5％，Co:4.0％～5.0％，Si:1.0％～2.0％，B:3.0％～4.0％，余量为Fe；制备方法包括：根据合金成分和质量分数，制备获得激光熔覆用合金粉末；将合金粉末放置于预处理过的45#钢基板上；对45#钢基板上的合金粉末进行激光熔覆形成合金涂层。本发明通过多种合金元素的固溶强化作用、晶粒尺寸减小的细晶强化作用及显微组织之间的相互作用，使得合金涂层具备极好的耐磨耐蚀性能，为磨损腐蚀失效部件的修复再制造提供了一种新型合金成分和制备工艺，对促进激光熔覆技术在再制造领域的应用具有重要的现实意义。

技术研发人员：尚凡敏,陈建志,芦笙,陈靓瑜,陈书锦,王泽鑫
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27