Типы и выбор порошков для лазерной наплавки

Порошок сплава для лазерной наплавки можно разделить на порошок самофлюсующегося сплава, композитный порошок и керамический порошок в зависимости от состава материала. Среди них больше всего исследований и применений в реальности имеет порошок самофлюсующегося сплава. Вообще говоря, пользователи могут учитывать физические и химические свойства основного материала и материала покрытия при выборе плакирующего порошка и выбирать подходящий материал покрытия в соответствии с условиями использования.

1 Саморастворимый порошок

Порошки самофлюсующихся сплавов можно разделить на порошки сплавов на основе железа (Fe), никеля (Ni) и порошков сплавов на основе кобальта (Co). Их основные характеристики заключаются в том, что они содержат бор (В) и кремний (Si), поэтому обладают свойствами самораскисления и шлакообразования; Порошки самофлюсующихся сплавов также содержат относительно высокое содержание хрома, который преимущественно плавится с кислородом в порошке сплава и оксидами на поверхности заготовки с образованием легкоплавких боросиликатов и т. д., которые покрывают поверхность ванны расплава. предотвратить чрезмерное окисление жидкого металла, тем самым улучшая смачиваемость расплава основным металлом, уменьшая включения и содержание кислорода в плакирующем слое, а также улучшая характеристики процесса формования плакирующего слоя, поэтому он обладает превосходной коррозионной стойкостью и стойкость к окислению.

Порошок самофлюсующегося сплава хорошо адаптируется к различным основам, таким как углеродистая сталь, нержавеющая сталь, легированная сталь, литая сталь и т. д., и может создавать плакирующие слои с низким содержанием оксидов и небольшой пористостью. Однако для серосодержащих стальных материалов из-за присутствия серы на границе раздела легко образуется хрупкая фаза с низкой температурой плавления, благодаря чему покрытие легко отслаивается, поэтому выбирать его следует с осторожностью.

(1) Порошок самофлюсующегося сплава на основе железа (Fe)

Материалы из сплавов на основе железа обладают преимуществами низкой стоимости, хороших механических свойств и широкого спектра применения. В частности, сплавы систем нержавеющей стали на основе железа широко используются в технологии лазерной наплавки благодаря их хорошим механическим свойствам и превосходной коррозионной стойкости. В составе порошка сплава на основе железа твердость покрытия регулируется путем регулирования содержания легирующие элементы, а твердость, чувствительность к растрескиванию и содержание остаточного аустенита в плакирующем слое улучшаются за счет добавления других элементов, тем самым улучшая износостойкость и ударную вязкость плакирующего слоя. Типы покрытий из нержавеющей стали, получаемых в настоящее время с помощью технологии лазерной наплавки, в основном включают: аустенитную нержавеющую сталь, мартенситную нержавеющую сталь, ферритную нержавеющую сталь и дуплексную нержавеющую сталь. В последние годы многие исследователи проводили эксперименты по добавлению других компонентов в порошки на основе железа при исследовании лазерной наплавки. Результаты показывают, что добавка редкоземельного элемента улучшает противосдирающую способность пассивационной пленки на поверхности плакирующего слоя, в разной степени снижает коррозионную потерю массы материала, повышает коррозионную стойкость плакирующего слоя.

Порошок самофлюсующегося сплава на основе никеля (Ni)

Порошок самофлюсующегося сплава на основе никеля является наиболее исследованным и широко используемым материалом для лазерной наплавки благодаря его хорошей смачиваемости, коррозионной стойкости, высокотемпературной самосмазке и умеренной цене. Обычные порошки самофлюсующихся сплавов на основе никеля уже не способны отвечать требованиям в условиях сильного скольжения, ударного и абразивного износа. В это время к порошку самофлюсующегося сплава можно добавлять различные тугоплавкие карбиды, нитриды, бориды и оксидные керамические частицы для создания металлического композиционного покрытия. Исследования показали, что покрытие из карбида вольфрама (Ni-WC) на основе никеля наносится на поверхность стали Q960E с использованием технологии лазерной наплавки. После плакирования стойкость покрытия Ni-WC к абразивному износу более чем в 6 раз выше, чем у подложки Q960E, что позволяет эффективно использовать характеристики порошка на основе Ni для достижения требований использования.

(3) Порошок самофлюсующегося сплава на основе кобальта (Co).

Порошок самофлюсующегося сплава на основе кобальта обладает превосходной термостойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью, ударопрочностью и стойкостью к высокотемпературному окислению. Он часто используется в износостойких, коррозионностойких и высокотемпературных применениях в нефтехимической, электроэнергетической, металлургической и других отраслях промышленности. Обычными материалами в порошковой системе сплава на основе кобальта являются Co-Ni, Co-Cr-Ni, кобальт-железо, кобальт-никелевое железо и т. д. Для улучшения смачиваемости покрытия и подложки и снижения содержания кислорода в покрытии, B и Si часто добавляют в порошок для образования порошка самофлюсующегося сплава. Самофлюсующийся сплав на основе кобальта обладает хорошей смачиваемостью и его температура плавления ниже, чем у карбида. После нагрева элемент кобальт сначала находится в расплавленном состоянии, а при затвердевании сплава сначала образует новую фазу с другими элементами, что чрезвычайно полезно для упрочнения плакирующего слоя. В настоящее время в сплавах на основе кобальта используются в основном никель, углерод, хром и железо. Среди них никелевый элемент может снизить коэффициент теплового расширения плакирующего слоя сплава на основе кобальта, уменьшить диапазон температур плавления сплава, эффективно предотвратить появление трещин в плакирующем слое и улучшить смачиваемость плакирующего сплава подложкой.

Школа машиностроения Университета Цзяннань провела исследование по обработке композитных плакирующих слоев на основе кобальта/оксида графена (GO) на поверхности титанового сплава TC4 с использованием технологии лазерной наплавки. Результаты показали, что плакирующий слой в основном содержит TiC, Фазы Co2Ti, γＧCo, αＧTi и Cr3C2. GO in situ генерировал TiC с матрицей TC4 при малой мощности и взаимодействовал с полутвердой структурой Co2Ti. ОГ быстро разлагался при высокой мощности, а плакирующий слой состоял в основном из структуры Co2Ti. При мощности лазера P2=1300 Вт эффект плакирования был наилучшим, формируемая структура была однородной и металлургически соединялась с матрицей TC4. Твердость плакирующего слоя достигала 1100HV0,2, что почти в 2,82 раза превышало твердость матрицы 390HV0,2.

Композитный порошок

Композиционный порошок в основном относится к порошковой системе, образованной путем смешивания или компаундирования различных твердых керамических материалов с высокой температурой плавления, таких как карбиды, нитриды, бориды, оксиды и силициды, с металлами. Среди них порошок карбидного сплава и порошок оксидного сплава являются наиболее изученными и используемыми и в основном используются для приготовления износостойких покрытий. Частицы карбида в композитном порошке можно добавлять непосредственно в ванну лазерного расплава или напрямую смешивать с металлическим порошком для образования смешанного порошка, но более эффективно добавлять его в виде порошка с покрытием, такого как карбид с никелевым покрытием и карбид с кобальтовым покрытием.

К керамическим порошкам в основном относятся силицидные керамические порошки и оксидные керамические порошки, из которых основными являются оксидные керамические порошки (оксид алюминия и цирконий). Цирконий имеет более низкую теплопроводность и лучшую стойкость к термическому удару, чем керамический порошок оксида алюминия, поэтому его также часто используют для приготовления термобарьерных покрытий. Поскольку керамический порошок обладает превосходной износостойкостью, коррозионной стойкостью, устойчивостью к высоким температурам и стойкостью к окислению, его часто используют для приготовления покрытий, устойчивых к высокотемпературному износу и коррозии. Текущие исследования биокерамических материалов для лазерной наплавки в основном сосредоточены на гидроксиапатите (ГАП), фторапатите и биокерамических материалах, содержащих Ca и Pr, которые наносятся лазером на металлические поверхности, такие как сплавы на основе Ti и нержавеющая сталь. Гидроксиапатитовая биокерамика обладает хорошей биосовместимостью и уже давно широко ценится соответствующими учеными в стране и за рубежом, как человеческие зубы. В целом, хотя исследования в области лазерной наплавки биокерамических материалов начались поздно, они развиваются очень быстро и являются перспективным направлением исследований.

В дополнение к вышеупомянутым типам систем порошковых материалов для лазерной наплавки, в настоящее время разрабатываются и исследуются системы материалов для покрытия: на основе меди, на основе титана, на основе алюминия, на основе магния, на основе циркония, на основе хрома и интерметаллических соединений. материалы на основе. В большинстве этих материалов используются определенные особые свойства системы сплавов для достижения одной или нескольких функций, таких как износостойкость, снижение трения, коррозионная стойкость, проводимость, стойкость к высоким температурам и стойкость к термическому окислению.

Материалы для лазерной наплавки на основе меди в основном включают порошки сплавов на основе меди и композиционные порошковые материалы, такие как Cu-Ni-B-Si, Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B, Cu-Al2O3, Cu-CuO. Используя металлургические свойства, такие как явление разделения жидкой фазы в системе медных сплавов, можно разработать композитные порошковые материалы на основе меди для лазерной наплавки самогенерируемых композитных материалов на основе меди. Исследования показывают, что в слое лазерной оболочки имеется большое количество самогенерируемых твердых частиц, которые обладают хорошей износостойкостью. Шан Цзигуо и др. воспользовались преимуществами жидкофазного разделения Cu и Fe и металлургическими реакционными характеристиками основного металла и плакирующих материалов и использовали лазерную наплавку для приготовления композитного плакирующего слоя из сплава на основе меди с дисперсным распределением Fe3Si. Исследования показывают, что во время процесса лазерной наплавки элемент Fe, который плавит основной материал и попадает в ванну расплава, находится в состоянии отделения жидкой фазы от сплава Cu в ванне расплава. Si в слое лазерной оболочки реагирует с образованием Fe3Si, который диспергируется и градиентно распределяется в матрице α-Cu в слое лазерной оболочки. Медь и сплавы на ее основе широко используются в высокотехнологичных областях, таких как электротехника, транспорт, аэрокосмическая промышленность и производство, благодаря их высокой теплопроводности, высокой электропроводности и сильным комплексным свойствам. Медные сплавы, используемые в арматуре, выводных рамах и других устройствах, должны не только обеспечивать превосходную тепло- и электропроводность, но также обладать механическими свойствами, включая твердость, устойчивость к трению и износу, чтобы продлить срок их службы в суровых условиях эксплуатации. Технология лазерной наплавки формирует динамическое температурное поле на поверхности сплава, которое затем быстро охлаждается и затвердевает. Исследования показывают, что при технологии лазерной наплавки система Cu-Cr-SiC демонстрирует высокую электропроводность и механическую прочность, а добавление керамических частиц SiC может еще больше улучшить прочность и модуль упругости системы.

02 На основе титана

Плакирующие материалы на основе титана в основном используются для улучшения биосовместимости, износостойкости или коррозионной стойкости поверхности материала из основного металла. Изученные порошковые материалы для лазерной наплавки на основе титана представляют собой в основном чистый порошок Ti, порошок сплава Ti6Al4V и композитные порошки на основе титана, такие как Ti-TiO2, Ti-TiC, Ti-WC и Ti-Si. Чжан Сун и др. нанесли лазером композитное покрытие Ti-TiC на поверхность сплава Ti6Al4V в атмосфере аргона. Исследование показало, что крошечные частицы TiC спонтанно образовывались на месте в композитном покрытии, и композитное покрытие имело превосходное трение и износ. В некоторых исследованиях установлено, что лазерная наплавка использовалась для нанесения бездефектных покрытий из смесей Ti6Al4V и Ti6Al4V+TiC для улучшения титановых деталей. Наплавка Ti6Al4V на образцы TiGr2 увеличила твердость подложки со 120 HV до 300 HV. Улучшена поверхность образца, также улучшена стойкость к истиранию и стойкость к истиранию. Результаты показывают, что технология лазерной наплавки имеет определенную применимость для ремонта и изготовления механических компонентов из титана.

03 магниевая основа

Плакирующие материалы на основе магния в основном используются для лазерной наплавки поверхностей магниевых сплавов для повышения износостойкости и коррозионной стойкости поверхностей магниевых сплавов. J. Dutta Majumdar et al. плакировали порошок MEZ на основе магния (состав: Zn: 0,5%, Mn: 0,1%, Zr: 0,1%, RE: 2%, Mg: Bal) на обычный коммерческий магниевый сплав. Результаты исследований показывают, что микротвердость плакирующего слоя увеличивается от HV35 до HV 85~100. За счет измельчения зерна и перераспределения интерметаллидов коррозионная стойкость плакирующего слоя в 3,56 мас% растворе NaCl значительно повышается по сравнению с матрицей магниевого сплава.

04 На основе алюминия

Использование технологии лазерной наплавки для ремонта конструктивных деталей из алюминиевых сплавов позволяет эффективно избежать проблемы, связанной с выделением большого количества тепла и образованием трещин в процессе ремонта. Исследования показали, что на поверхности алюминиевого сплава АА6063 с использованием технологии лазерной наплавки было получено композитное покрытие Al3Ti, армированное TiC. Слой лазерной наплавки состоит из дендритного Al3Ti, междендритного α-Al и равномерно распределенных частиц TiC. материал имеет хорошую металлургическую связь; по сравнению с основным материалом значительно улучшается коррозионная стойкость слоя лазерной оболочки, а по мере увеличения содержания TiC улучшается коррозионная стойкость слоя оболочки. Сорин Игнат и др. использовал лазер Nd:YAG мощностью 3 кВт для боковой подачи порошка и плакировал алюминиевым порошком две подложки из магниевого сплава, WE43 и ZE41, и получил плакирующий слой с хорошими характеристиками сцепления. В результате исследования установлено, что значение твердости покрытия достигает HV0,05120~200, а основной причиной повышения твердости является наличие соединений металлов Al3Mg2 и Al12Mg17. ЗМей и др. Нанесенный лазером порошок Al-Zn на основе алюминия на подложку ZK60/SiC на основе магния и получен плакирующий слой с хорошей металлургией.