具有优良疲劳性能的低合金钢激光增材轴类修复件的制备方法

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1.本发明涉及合金材料科学及激光增材修复技术领域，具体涉及一种具有优良疲劳性能的低合金钢激光增材轴类修复件的制备方法。

背景技术：

2.在实际的工业生产及生活中，大型的轴类件有着不可替代的地位，但由于其在实际运转过程中往往承受着复杂的载荷，易于发生弯曲、变形和表面磨损，从而影响设备的正常运转，造成严重的经济损失。
3.轴类件往往承受复杂的载荷，对修复力学性能要求也不断提高，激光熔覆也向着大厚度、大面积、高性能的方向发展，使用激光熔覆技术对大型轴类件进行高厚度修复，使其具有优异的力学性能和使用寿命。但是该项技术仍存在一定的缺陷：裂纹、孔隙、夹杂等常见缺陷，缺陷的存在会使得试样的性能下降，尤其是在性能要求高的轴类零件的应用中，一般不允许存在有缺陷的零部件。

技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的缺点，本发明提供了一种具有优良疲劳性能的低合金钢激光增材轴类修复件的制备方法，以解决轴类件增材修复技术中修复件疲劳寿命较差的技术问题。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种具有优良疲劳性能的低合金钢激光增材轴类修复件的制备方法，包括如下步骤：
7.(1)将待增材修复的轴类件表面车削后，使用砂纸及乙醇去油去污，备用；
8.所述轴类件例如：机车车轴、汽轮机转子轴；
9.(2)将铁素体钢合金粉末置于烘箱中，100～200℃保温直至烘干，备用；
10.所述铁素体钢合金粉末由如下质量百分比的组分组成：
11.碳c：0.05％～0.15％，铬cr：1.0％～5.0％，硅si：0.50％～1.0％，锰mn：1.0％～1.50％，钼mo：0.30％～0.60％，铁fe：余量；
12.所述铁素体钢合金粉末可通过真空气雾化制粉方法进行制备，粉末粒度为50～200μm，主体粒度为75～150μm；
13.(3)将步骤(1)准备好的待增材修复的轴类件置于激光器下，利用同轴送粉装置向轴类件表面激光光斑处均匀送入步骤(2)准备好的铁素体钢合金粉末，激光器射出激光束辐照于轴类件表面并熔化铁素体钢合金粉末，形成一层熔覆层，对其表面切削去除0.05～0.2mm厚度后，重复上述熔覆过程，待熔覆厚度达到预期后，自然冷却至室温；
14.激光熔覆的条件为：激光器功率2500～3000w，激光扫描速度240～480mm/min，送粉速率10g～12g/min，合金粉末的送粉方式为同步同轴输送；熔覆道次之间的搭接率为
40％～60％；激光器光斑形状为直径4mm的圆光斑，激光能量均匀分布；载气送粉装置使用的气体为纯度99.99％氩气(ar)，保护气使用的气体为纯度99.99％氩气(ar)；
15.所形成的每一层熔覆层的厚度在0.5～1.5mm；
16.(4)对经过步骤(3)增材的轴类件进行后热处理，完成轴类件的激光增材修复；
17.所述的后热处理为：对轴类件依次进行正火、淬火、高温回火；所述正火的条件为920℃保温1h，空冷；所述淬火的条件为920℃保温15min，油冷；所述高温回火的条件为550℃保温30min，炉冷。
18.本发明制备的具有优良疲劳性能的低合金钢激光增材轴类修复件的屈服强度取值范围为大于或者等于430mpa；抗拉强度取值范围为大于或者等于650mpa；延伸率取值范围为大于或者等于19％；在加载应力310mpa下，疲劳寿命取值范围为大于或者等于107。
19.本发明制备方法的原理为：
20.近年来研究发现表明导致激光增材修复件疲劳性能差的主要原因是其内部所产生的缺陷，由于激光快冷快热的特点，激光熔覆过程中熔覆层可能会出现多种缺陷，如：裂纹、残余应力、孔隙、夹杂、熔覆层层间结合不良等，限制了该技术的发展。本发明通过控制激光增材修复件中的夹杂和层间界面缺陷，来提高合金的疲劳力学性能。
21.合金粉末应用于大型零件修复，其应用决定应用的环境难以在气氛保护下进行，熔池暴露在开放环境下，其内生夹杂物的产生难以避免。合金中的夹杂物源于每层熔覆层的表面，经激光重熔后夹杂进入熔池中，而由于前一层的表面为后一层的“基体”，下方熔池凝固速度快，大部分夹杂物在熔池底部，成为凝固后合金层间区域的夹杂物，部分夹杂物向上漂浮，成为熔覆层层内区域的夹杂物。通过去除每层熔覆层表面氧化层，来控制修复件中的夹杂数量与大小。
22.与传统的铸造和锻造工艺相比，激光熔覆多层成形件的成形过程经历了更加复杂的物理冶金过程，主要的工艺特点是金属材料在高能激光束的热源作用下快速熔化和逐层堆积，形成的合金在层与层之间存在着0.01-0.2mm厚的重熔区域，而且二次重熔区导致该区域的与层内区域的成分和组织存在着明显差异，导致合金试样整体力学性能的下降。本发明通过后续热处理，使得层间与层内组织均匀化，消除了组织差异。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
24.本发明通过控制低合金钢激光增材修复过程中的缺陷，采用该方法所制备的合金组织均匀，内部夹杂数量和大小得到明显控制，具有优异的拉伸性能，同时提高了修复件的疲劳力学性能。
附图说明
25.图1为实施例1合金修复层中夹杂缺陷。
26.图2为实施例2夹杂缺陷控制后的修复层。
27.图3为实施例1中合金修复层层间界面缺陷。
28.图4为实施例1修复层层间区域的粗大晶粒。
29.图5为实施例1修复层层间区域的类网状碳化物。
30.图6为实施例2后热处理后修复层组织。
具体实施方式
31.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。
32.实施例1
33.本实施例的合金粉末元素种类及质量百分比为碳c：0.10％，铬cr：1.2％，硅si：0.70％，锰mn：1.20％，钼mo：0.50％，余量为fe。
34.激光增材修复方法如下：
35.熔覆基体预处理：以轴类件作为熔覆基体，将其表面用600目砂纸打磨光洁，再用浓度为95％的乙醇溶液清洗干净表面的油污和锈迹。
36.熔覆粉末预处理：将粉末置于干燥温度为120℃的干燥箱内干燥30min。待干燥冷却后将粉末置于送粉器内。
37.熔覆工艺：采用光纤耦合半导体激光器，同步送粉熔覆的方式，按照所设定程序进行逐层熔覆。调整激光器的光斑大小至将功率设置为3000w，扫描速度为6mm/s，送粉速率为12g/min。
38.实施例2
39.本实施例的合金粉末元素种类及质量百分比为碳c：0.10％，铬cr：1.2％，硅si：0.70％，锰mn：1.20％，钼mo：0.50％，余量为fe。
40.激光增材修复方法如下：
41.熔覆基体预处理：以轴类件作为熔覆基体，将其表面用600目砂纸打磨光洁，再用浓度为95％的乙醇溶液清洗干净表面的油污和锈迹。
42.熔覆粉末预处理：将粉末置于干燥温度为120℃的干燥箱内干燥30min。待干燥冷却后将粉末置于送粉器内。
43.熔覆工艺：采用光纤耦合半导体激光器，同步送粉熔覆的方式，对每一层的熔覆层表面切削去除0.05～0.2mm熔覆层后，在其表面重新熔覆，直至达到所预期厚度。调整激光器的光斑大小至将功率设置为3000w，扫描速度为6mm/s，送粉速率为12g/min。
44.后处理工艺：对熔覆层进行后热处理，热处理工艺为正火(920℃保温1h空冷)+淬火(920℃保温15min油冷)+高温回火(550℃保温30min炉冷)
45.对实施例1-2的熔覆层用线切割切成样品，经过镶嵌，磨抛，腐蚀的工序后，在扫描电子及光学显微镜下观察其熔覆层的组织形貌。
46.对实施例1-2熔覆的梯形槽圆棒拉伸取样处理，并按照gb/t228.1-2010进行试验，得出试验结果。
47.对实施例1-2熔覆的堆高试样疲劳取样处理，并按照gb-t 4337-2008进行试验，得出试验结果。
48.表1实施例1-2拉伸性能测试数据
49.50.表2实施例1-2疲劳性能测试数据
51.

技术特征：

1.一种具有优良疲劳性能的低合金钢激光增材轴类修复件的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：(1)将待增材修复的轴类件表面车削后，使用砂纸及乙醇去油去污，备用；(2)将铁素体钢合金粉末置于烘箱中，100～200℃保温直至烘干，备用；(3)将步骤(1)准备好的待增材修复的轴类件置于激光器下，利用同轴送粉装置向轴类件表面激光光斑处均匀送入步骤(2)准备好的铁素体钢合金粉末，激光器射出激光束辐照于轴类件表面并熔化铁素体钢合金粉末，形成一层熔覆层，对其表面切削去除0.05～0.2mm厚度后，重复上述熔覆过程，待熔覆厚度达到预期后，自然冷却至室温；(4)对经过步骤(3)增材的轴类件进行后热处理，完成轴类件的激光增材修复；所述的后热处理为：对轴类件依次进行正火、淬火、高温回火；所述正火的条件为920℃保温1h，空冷；所述淬火的条件为920℃保温15min，油冷；所述高温回火的条件为550℃保温30min，炉冷。2.如权利要求1所述的具有优良疲劳性能的低合金钢激光增材轴类修复件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述铁素体钢合金粉末由如下质量百分比的组分组成：碳c：0.05％～0.15％，铬cr：1.0％～5.0％，硅si：0.50％～1.0％，锰mn：1.0％～1.50％，钼mo：0.30％～0.60％，铁fe：余量。3.如权利要求1所述的具有优良疲劳性能的低合金钢激光增材轴类修复件的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，激光熔覆的条件为：激光器功率2500～3000w，激光扫描速度240～480mm/min，送粉速率10g～12g/min，合金粉末的送粉方式为同步同轴输送；熔覆道次之间的搭接率为40％～60％；激光器光斑形状为直径4mm的圆光斑，激光能量均匀分布；载气送粉装置使用的气体为纯度99.99％氩气，保护气使用的气体为纯度99.99％氩气。4.如权利要求1所述的具有优良疲劳性能的低合金钢激光增材轴类修复件的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所形成的每一层熔覆层的厚度在0.5～1.5mm。

技术总结

本发明公开了一种具有优良疲劳性能的低合金钢激光增材轴类修复件的制备方法：将待增材修复的轴类件置于激光器下，利用同轴送粉装置向轴类件表面激光光斑处均匀送入铁素体钢合金粉末，激光器射出激光束辐照于轴类件表面并熔化铁素体钢合金粉末，形成一层熔覆层，对其表面切削去除一定厚度后，重复上述熔覆过程，待熔覆厚度达到预期后，自然冷却至室温；之后对轴类件依次进行正火、淬火、高温回火后热处理，完成激光增材修复；本发明通过控制低合金钢激光增材修复过程中的缺陷，采用该方法所制备的合金组织均匀，内部夹杂数量和大小得到明显控制，具有优异的拉伸性能，同时提高了修复件的疲劳力学性能。复件的疲劳力学性能。