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实锤,独家揭秘 热喷焊用合金粉末不能用于激光熔覆的原因 2020-05-22

pk热喷焊

热喷焊是一种传统的表面强化技术,有比较完备的材料体系;随着激光器技术的不断进步,技术在很多领域开始逐步取代热喷焊,但是激光熔覆层容易开裂的问题一直困扰着这项技术的推广和应用,熔覆层硬度高时尤为如此。笔者长期的激光熔覆应用实践中发现,大部分的激光熔覆应用合金材料还是采用热喷焊的材料体系,为了彻底解决激光熔覆层的裂纹问题,久恒光电开展了对激光熔覆和热喷焊的热物理冶金特点研究。

热喷焊与激光熔覆有着许多相近似的物理和化学过程,所以它们对所用合金粉末的性能要求也有很多相近之处,具有脱氧、还原、造渣、除气、湿润金属表面、良好的固态流动性、适中的粒度、含氧量要低等性能。现在市面上大部分激光熔覆合金粉末基本上是沿用热喷焊用的自熔剂合金粉末,或在自熔剂合金粉末中加入一定量的wc和tic等陶瓷颗粒。

然而,激光熔覆与热喷焊对所用合金粉末性能存在许多根本差别:

1、能量密度不同

氧乙炔焰的能量密度比激光束低得多,所能够达到的最高温度有限,远远低于激光加热条件下熔池所能够达到的最高温度。喷焊时为了便于能够被氧乙炔焰熔化,合金粉末应具有低熔点的特性,而通过加入较高含量的硅、硼元素,形成所谓的自熔剂合金,既可以大幅度降低合金的熔点,多加入的硅、硼元素又能够在喷焊过程中成为焊渣,漂浮在熔池的表面,有效地保护喷焊熔池;

而激光熔覆所达到的能量密度大,熔覆过程中所能够达到的熔池温度高,激光束移开以后熔池迅速冷凝,亦即熔池的寿命很短,因此上述过量的硅、硼等合金元素在激光熔覆过程中不能有效上浮,大部分将成为脆性元素保留在熔覆层中,导致熔覆层的裂纹敏感性增加。

2、温度范围

热喷焊时为了保证合金在熔融时有适度的流动性,使熔化的合金能在基材表面均匀摊开,形成光滑表面,合金从熔化开始到熔化终了应有较大的温度范围。但在激光熔覆时,由于熔池的冷却速度快,枝晶偏析是不可避免的,熔覆合金熔化温度区间越大,熔覆层内枝晶偏析越严重,脆性温度区间也越宽,熔覆层的开裂敏感性也越大

3、热梯度不同

热喷焊时,熔覆层到基材的温度梯度小,因此有利于缓解热应力;而激光熔覆时,使用的是高能量密度,基材基本上处于冷态,熔覆层到基材的温度梯度大,应力也大。

 

因此激光熔覆专用合金应比热喷焊所使用的合金要求具有更好的塑性和韧性。正是由于激光熔覆与热喷焊对所用合金粉末性能要求存在较大的差距,导致采用现有热喷焊用自熔剂合金粉末进行激光熔覆时熔覆层容易产生裂纹,熔覆层硬度要求高时这种现象特别明显,如果为了提高硬度等熔覆层的性能而在自熔剂合金粉末中加入金属陶瓷颗粒,则由于陶瓷相与熔覆合金及基材的热物性参数相差大,界面容易存在不良反应,更促进了裂纹的产生。

以上原因决定了解决裂纹问题的巨大困难性,也导致目前消除裂纹的措施未能从根本上解决裂纹问题。可见,从改进热喷焊用自熔剂合金粉末成分方面入手,对于消除熔覆层裂纹来说应该是最为重要的。目前需要激光熔覆制造与修复的大多数工件是铁基材料,铁基合金不仅因成分与基体成分接近,界面结合牢固,而且相比较于镍基和钴基合金而言,成本低,易于研究和推广应用。

因此,久恒光电和华中科技大学材料学院共同研制开发了系列激光熔覆专用铁基合金粉,这种铁基合金材料具有低碳、高铬、高抗拉强度和高韧性的特点,应用不同的配比可以实现在hrc30-hrc65之间进行任意硬度的调节,hrc50时耐蚀性可以和304不锈钢媲美,hrc65度时耐蚀性能高于3cr13,在轴类产品修复和刀刃激光熔覆已得到广泛应用。

 



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