铸钢轴箱体激光熔覆修复粉末选型方法 |
|||||||
| 申请号 | CN202311762763.5 | 申请日 | 2023-12-19 | 公开(公告)号 | CN117761277A | 公开(公告)日 | 2024-03-26 |
| 申请人 | 中车青岛四方机车车辆股份有限公司; | 发明人 | 樊云杰; 武永寿; 韩晓辉; 曹金山; 林森; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及轨道车辆技术领域，具体涉及铸 钢 轴 箱体 激光熔覆 修复粉末选型方法。所述方法包括：初选粉末；工艺优化及试件制备； 无损检测 ；性能试验；宏观、微观组织观察；硬度、拉伸、冲击测试；摩擦磨损测试；盐雾、电化学 腐蚀 ；判断是否性能相近。本发明基于基体材质为G20Mn5QT钢的材料提出一种选型的流程和实验方法，通过该方法选出的粉末可以在同等工艺参数下达到最佳的熔覆层性能，同时熔覆层具有优佳的 耐磨性 、 耐腐蚀性 、冲击韧性、疲劳等性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.铸钢轴箱体激光熔覆修复粉末选型方法，其特征在于，包括： |
||||||
| 说明书全文 | 铸钢轴箱体激光熔覆修复粉末选型方法技术领域背景技术[0002] 激光熔覆修复工艺具有能量密度高、稀释率低、界面结合好、自动化程度高及质量均一性好的特点，适合表面修复与改性。G20Mn5QT钢的激光熔覆修复粉末材料的选型工艺，要求稀释率低，机械性能高，并能实现批量修复零部件。因此，修复后部件性能的优劣与激光熔覆工艺和选用的粉末成分类型有很大的关系，如何形成选型规则，快速有效地选出合适的粉末，对于激光熔覆修复工艺的开发，保证修复层质量状态与服役性能具有重要意义。 [0003] 目前没有一种明确的方法说明如何进行粉末的选型。 发明内容[0004] 本发明提供一种修复和提升轨道车辆轴箱体(G20Mn5QT)耐磨损、耐腐蚀涂层粉末材料的选型方法。本发明通过对比不同粉末材料熔覆层的显微组织、无损检测、稀释率、搭接率、拉伸、冲击、硬度、磨损、腐蚀等研究，选出熔覆层性能相当于待修复部件材料性能的粉末材料，同时具备耐疲劳性能和耐腐蚀性能。完成对轴箱体基体的尺寸修复和服役性能的提升，并为激光熔覆修复粉末的选用提供合理的方法。 [0005] 本发明铸钢轴箱体激光熔覆修复粉末选型方法包括： [0006] S1：初选粉末；所述初选粉末基于工艺性原则和物理性能相近原则； [0007] S2：工艺优化及试件制备； [0008] S3：无损检测； [0009] S4：性能试验； [0010] S41：宏观观察和微观组织观察； [0011] S42：硬度测试、拉伸测试、冲击测试； [0012] S43：摩擦磨损测试； [0013] S44：盐雾腐蚀、电化学腐蚀； [0014] S5：判断是否性能相近。 [0015] 具体地，所述初选粉末基于工艺性原则和物理性能相近原则。 [0016] 具体地，所述工艺性原则包括：考察待选粉末(熔覆材料)的自溶性、润湿性以及抗裂性。 [0017] 具体地，所述物理性能相近原则包括：考察待选粉末(熔覆材料)的熔覆材料的热膨胀系数、熔点等与基材相近。 [0018] 所述粉末流动性15‑20s/50g、松装密度3‑5g/cm3、粒径范围40‑105um，热膨胀系数与基体接近且稍小于基体。 [0019] 优选地，所述粉末还具有良好的润湿性。 [0020] 优选地，所述粉末的稀释率低于5％；通过试样宏观金相分析发现，粉末的稀释率不超过5％，结合界面熔合良好。 [0022] 具体地，所述工艺优化是指激光熔覆修复时，以激光功率、扫描速度、送粉速率三者为主要影响因素，通过正交耦合试验，并结合极差分析，最终确定优佳工艺参数。在一些实施例，确定的工艺优化条件为，激光功率：1500‑2500W；扫描速度：250‑400mm/min；送粉速率为1‑2r/min。 [0023] 本文中，送粉速率1r/min≈6.4g/min。 [0024] 具体地，所述试件制备是指将待选的粉末采用激光熔覆修复方法在轴箱体基体上制备熔覆层。在一些实施例，在基体表面进行激光熔覆，制备单道熔覆试样。 [0025] 具体地，对于各待选的粉末采用相同的工艺进行试件制备。 [0026] 具体地，所述无损检测包括：渗透检测及X射线检测。在一些实施例，检测方法参照：TB/T 1558.5‑2010《机车车辆焊缝无损检测第5部分：渗透检测》对熔覆层的表面裂纹进行渗透检测；对于轴箱体熔覆层，还需依据TB/T 1558.3《机车车辆焊缝无损检测第3部分：射线照相检》。通过无损检测可筛选出熔覆层内部出现裂纹、气孔等缺陷的金属粉末，进一步缩小选粉范围。 [0027] 具体地，所述宏观观察是指对所述单道熔覆试样的熔覆层进行表面形貌目视观察；观察所述熔覆层表面是否光滑平整、外观成型是否良好、是否开裂。具体地，若所述熔覆层表面光滑平整、外观成型良好、无开裂，则所述粉末满足选型要求；反之，则不满足选型要求。具体地，通过对所述熔覆层进行表面形貌目视观察，对比开裂现象，筛除熔覆时表面易出现开裂现象的粉末。 [0028] 具体地，所述微观组织观察是指对所述单道熔覆试样的熔覆层进行渗透探伤，观察所述熔覆层内部是否无气孔、是否已熔合。具体地，若所述熔覆层内部无气孔、且已熔合，则所述粉末满足选型要求；反之，则不满足选型要求。进一步地，所述微观组织观察还包括：通过对所述熔覆层宏观金相分析，观察搭接量是否大于或等于40％，例如搭接量40％‑ 50％；具体地，若所述熔覆层搭接量大于或等于40％(例如搭接量40％‑50％)则所述粉末满足选型要求；反之，则不满足选型要求。具体地，通过对所述熔覆层(熔覆后的粉末)进行渗透探伤，筛除熔覆后存在大量气孔及未熔合缺陷的粉末。 [0029] 具体地，所述硬度测试是指将所述试件与基体进行HV0.2硬度测试。 [0030] 具体地，若所述熔覆层与基体的HV0.2硬度值相当，则所述粉末满足选型要求；反之，则不满足选型要求。 [0031] 具体地，所述熔覆层与基体的HV0.2硬度值相当是指两者差值范围在±20HV以内。 [0032] 具体地，所述HV0.2硬度测试时测量点不少于9个。 [0033] 具体地，所述HV0.2硬度测试方法参考标准GB/T 4340.1‑2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》对熔覆层的维氏硬度进行测试。维氏硬度要求试样上下表面光滑平整，且保持平行。测试载荷为200g，载荷保持时间15s，测试方向为从熔覆层近表面开始垂直于熔覆层表面方向，测试点之间间隔不大于0.2mm，依次沿着熔覆层、热影响区、基体方向分布测试点。 [0034] 具体地，所述拉伸测试是指将所述试件与基体进行拉伸测试。 [0035] 具体地，若所述熔覆层与基材的抗拉性能相近，则所述粉末满足选型要求；反之，则不满足选型要求。 [0037] 具体地，所述冲击测试是指将所述熔覆层与基材进行‑40℃冲击性能测试。 [0038] 具体地，若所述熔覆层与基材的‑40℃冲击性能是否相近，则所述粉末满足选型要求；反之，则不满足选型要求。 [0039] 具体地，所述熔覆层与基材的‑40℃冲击性能是否相近是指所述熔覆层与基材的‑40℃冲击吸收功差值在正负10J之内。 [0040] 具体地，所述摩擦磨损测试是指将所述熔覆层与基材进行摩擦磨损测试。 [0041] 具体地，若所述熔覆层与基材的耐磨性能相近，则所述粉末满足选型要求；反之，则不满足选型要求。 [0042] 具体地，所述熔覆层与基材的耐磨性能相近是指所述熔覆层与基材的摩擦系数差值在正负0.12之内。 [0043] 具体地，所述盐雾腐蚀是指在3.5wt.％NaCl溶液中进行盐雾腐蚀，检测所述熔覆层的盐雾腐蚀质量损失率和基材的盐雾腐蚀质量损失率。 [0044] 具体地，若所述熔覆层的盐雾腐蚀质量损失率与基材相近，则所述粉末满足选型2 2 要求。具体地，此处相近是指质量损失率在250g/m～300g/m之间。 [0045] 进一步地，还包括观察盐雾腐蚀后的表面形貌，若所述熔覆层表面腐蚀坑少于基材，则所述粉末满足选型要求；反之，则不满足选型要求。 [0046] 具体地，所述盐雾腐蚀的时间大于或等于100小时，例如100‑480小时。 [0047] 具体地，所述盐雾腐蚀的检测方法参照GB/T 10125‑2021《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》进行熔覆层的耐腐蚀性能研究。 [0048] 具体地，所述电化学腐蚀是指检测所述熔覆层和基材的电化学腐蚀性能和/或电偶腐蚀等级。 [0049] 在本发明一些实施例，将待测样品(例如金属材料熔覆层和基材)与电解质溶液(3.5wt％NaCl溶液)接触，通过电极反应产生腐蚀。具体地，试验通过电化学工作站，以3.5wt％NaCl溶液作为电解质，分别连接熔覆层/基体试样与参比电极形成回路，通过采集电位‑电流曲线及金属表面形貌情况判断腐蚀情况。 [0050] 具体地，若所述熔覆层的电化学腐蚀性能高于基材，并且电偶腐蚀等级属于B级别，在一定条件下可以接触，则所述粉末满足选型要求； [0051] 具体地，电偶腐蚀等级的评定标准依据标准T/CSCP 0035.12‑2007《低合金结构钢实验室腐蚀试验第12部分：低合金结构钢电偶腐蚀试验方法》。 [0052] 具体地，根据最终修复性能目标的不同，性能测试试验可有所调整，如基体材料的服役环境若无严重腐蚀，在本选型方法中试样的电化学腐蚀试验可省去。 [0053] 具体地，所述选型方法的S4性能试验中还包括S45疲劳试验。 [0054] 具体地，所述疲劳试验是指检测所述熔覆层和/或基材的疲劳性能。 [0055] 具体地，若所述熔覆层的107疲劳性能不低于基材，则所述粉末满足选型要求； [0056] 具体地，所述疲劳性能的检测方法参考标准GB/T 3075‑2021《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》。在本发明一些实施例，利用QBG‑100高频疲劳试验机，在常温常压环境中，采用应力比为0、振动频率为80‑100HZ的试验参数对G20Mn5QT基体试样和熔覆层试样进行疲劳试验。 [0057] 具体地，所述判断是否性能相近是指上述性能试验中，若任一指标不符合，则不满足选型要求；若全部指标均符合，则满足选型要求。 [0058] 具体地，本发明铸钢轴箱体激光熔覆修复粉末选型方法，包括： [0059] S1：初选粉末； [0060] 所述粉末流动性15‑20s/50g、松装密度3‑5g/cm3、粒径范围40‑105μm，热膨胀系数与基体接近且稍小于基体； [0061] S2：工艺优化及试件制备； [0062] 在激光功率为1500‑2500W，扫描速度为250‑400mm/min，送粉速率为1‑2r/min条件下，在基体表面进行激光熔覆，制备单道熔覆试样； [0063] S3：无损检测；具体包括：渗透检测及X射线检测； [0064] S4：性能试验； [0065] S41：宏观观察和微观组织观察； [0066] 所述宏观观察是指对所述单道熔覆试样的熔覆层进行表面形貌目视观察；观察所述熔覆层表面是否光滑平整、外观成型是否良好、是否开裂； [0067] 具体地，若所述熔覆层表面光滑平整、外观成型良好、无开裂，则所述粉末满足选型要求；反之，则不满足选型要求； [0068] 所述微观组织观察是指对所述单道熔覆试样的熔覆层进行渗透探伤，观察所述熔覆层内部是否无气孔、是否已熔合； [0069] 具体地，若所述熔覆层内部无气孔、且已熔合，则所述粉末满足选型要求；反之，则不满足选型要求； [0070] S42：硬度测试、拉伸测试、冲击测试； [0071] 将所述试件与基体进行HV0.2硬度测试； [0072] 具体地，若所述熔覆层与基体的HV0.2硬度值相当，则所述粉末满足选型要求；反之，则不满足选型要求； [0073] 将所述试件与基体进行拉伸测试； [0074] 具体地，若所述熔覆层与基材的抗拉性能相近，则所述粉末满足选型要求；反之，则不满足选型要求； [0075] 将所述熔覆层与基材进行‑40℃冲击性能测试； [0076] 具体地，若所述熔覆层与基材的‑40℃冲击性能是否相近，则所述粉末满足选型要求；反之，则不满足选型要求； [0077] S43：摩擦磨损测试； [0078] 将所述熔覆层与基材进行摩擦磨损测试； [0079] 具体地，若所述熔覆层与基材的耐磨性能相近，则所述粉末满足选型要求；反之，则不满足选型要求； [0080] S44：盐雾腐蚀、电化学腐蚀； [0081] 在3.5wt.％NaCl溶液中进行盐雾腐蚀，检测所述熔覆层的盐雾腐蚀质量损失率和基材的盐雾腐蚀质量损失率； [0082] 具体地，若所述熔覆层的盐雾腐蚀质量损失率与基材相近，则所述粉末满足选型2 2 要求；此处相近是指质量损失率在250g/m～300g/m之间。 [0083] 进行电化学腐蚀，检测所述熔覆层和基材的电化学腐蚀性能和/或电偶腐蚀等级； [0084] 具体地，若所述熔覆层的电化学腐蚀性能高于基材，并且电偶腐蚀等级属于B级别，在一定条件下可以接触，则所述粉末满足选型要求； [0085] S45：疲劳试验； [0086] 进行疲劳实验，检测所述熔覆层和基材的疲劳性能； [0087] 具体地，若所述熔覆层的107疲劳性能不低于基材，则所述粉末满足选型要求； [0088] S5：判断是否性能相近； [0089] 上述性能试验中，若任一指标不符合，则不满足选型要求；若全部指标均符合，则满足选型要求。 [0090] 具体地，所选熔覆粉末化学成分中Ni含量不低于12wt.％、Cr含量不低于4wt.％。 [0091] 具体地，所述铸钢轴箱体的材料为铸钢G20Mn5QT。 [0092] 本发明中，所述基体与基材的含义相同，例如均为铸钢轴箱体。 [0093] 本发明中，粉末满足选型要求是指所述粉末可用于基材表面激光熔覆修复。 [0094] 本发明基于基体材质为G20Mn5QT钢的材料提出一种选型的流程和实验方法，通过该方法选出的粉末可以在同等工艺参数下达到最佳的熔覆层性能，同时熔覆层具有优佳的耐磨性、耐腐蚀性、冲击韧性、疲劳等性能。 [0095] 与现有技术相比，本发明的优点至少在于： [0096] 1)使用本发明选型方法可以快速高效得到合理的熔覆粉末，并保证熔覆层的最优性能。 [0097] 2)使用本发明选型方法得到的粉末材料制备的熔覆层其耐磨损性能与基材相当，耐腐蚀性能优于基材。 [0099] 图1为本发明实施例及对比例中不同粉末多层多道熔覆层表面形貌图。 [0100] 其中，(a)为103铁基合金粉末、104铁基合金粉末、410不锈钢粉末和Ni25镍基合金粉末；(b)为Ni25镍基合金粉末单层多道熔覆部分；(c)为17‑4PH不锈钢粉末；(d)为CX不锈钢粉末；(e)为某特殊牌号不锈钢粉末。 [0101] 图2为本发明实施例某特殊牌号多层多道熔覆层渗透探伤形貌图。 [0102] 图3为本发明实施例及对比例中基材及不同粉末熔覆层的硬度值。 [0103] 图4为本发明实施例及对比例中G20Mn5QT基材及不同熔覆层拉伸应力‑应变曲线；其中，(a)103；(b)104；(c)410；(d)CX；(e)17‑4PH；(f)某特殊牌号；“G20‑1”、“G20‑2”分别G20Mn5QT基材平行试样的编号；“CX‑1”、“CX‑2”、“CX‑3”分别为CX不锈钢粉末平行试样的编号；“17‑4PH‑1”、“17‑4PH‑”2、“17‑4PH‑3”分别为17‑4PH不锈钢粉末平行试样的编号；“特‑ 1”、“特‑2”分别为某特殊牌号不锈钢粉末平行试样的编号。 [0104] 图5为本发明实施例及对比例中盐雾腐蚀480h后试样表面形貌图。 [0105] 图6为本发明实施例及对比例中盐雾腐蚀480h试样表面SEM形貌图。 [0106] 图7为本发明实施例中G20Mn5QT基材与某特殊牌号熔覆层极化曲线。图7中的“特”表示实施例1中的某特殊牌号粉末；横坐标表示腐蚀电位，纵坐标表示腐蚀电流。 [0107] 图8为本发明实施例及对比例中G20Mn5QT基材与某特殊牌号熔覆层电化学腐蚀后表面形貌图。 [0108] 图9为本发明实施例及对比例中G20Mn5QT基材与某特殊牌号熔覆层电偶腐蚀电流电位图。其中，“G20/:特1:1”、“G20/:特3:1”、“G20/:特6:1”分别表示G20Mn5QT基材与某特殊牌号不锈钢粉末的面积比为1:1、3:1、6:1。 [0109] 左侧的图为混合电位‑时间图，横坐标T(s)表示时间(秒)，纵坐标galvanic potential表示电偶电位；右侧的图为电流‑时间图，横坐标T(s)表示时间(秒)；纵坐标galvanic current表示动电电流。 [0110] 图10为本发明实施例及对比例中不同面积比条件下G20Mn5QT基材与某特殊牌号熔覆层电偶腐蚀形貌。 [0111] 其中，“G20:某特殊牌号＝1:1”、“G20:某特殊牌号＝3:1”、“G20:某特殊牌号＝6:1”分别表示G20Mn5QT基材与某特殊牌号不锈钢粉末的面积比为1:1、3:1、6:1。 [0112] 图11为本发明实施例及对比例中G20/某特殊牌号不锈钢粉末面积比为3:1时电偶电流密度。其中，横坐标T(s)表示时间(秒)，纵坐标galvanic current表示动电电流；“G20:特/3:1”表示G20Mn5QT基材与某特殊牌号不锈钢粉末的面积比为3:1。 [0113] 图12为本发明实施例及对比例中电偶腐蚀等级评定标准。 [0114] 图13为本发明实施例铸钢轴箱体激光熔覆粉末选型流程图。 [0115] 图14为本发明实施例3中正交参数下单层单道涂层形貌。 具体实施方式[0116] 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 [0117] 对于铸钢G20Mn5QT轴箱体选用到合适的粉末非常困难。本发明经过选型对比、粉末配制试验等技术研究，开发了一种适用于铸钢轴箱体的不锈钢粉末，解决了铸钢轴箱体材料无粉末可用的困境。通过各种试验研究摸索，制定了铸钢轴箱体激光熔覆粉末选型原则，形成了一套粉末选型流程，设定了选型评价指标。 [0118] 本发明实施例铸钢轴箱体激光熔覆粉末选型流程图可参见图13。 [0119] 1.选型原则 [0121] 充分考虑粉末的流动性、热膨胀系数、润湿性、工艺性等重要参量的原则； [0122] 选出的粉末形成的熔覆层应具备耐磨性、耐蚀性、强韧性的原则； [0123] 该熔覆粉末具有更小粒径和较高的熔点，保证与基体结合较强，保证稀释率低于5％的原则； [0124] 粉末选择包括铁基合金粉末、镍基合金粉末、但不限于不锈钢粉末及模具钢粉末作为熔覆粉末的原则。 [0125] 通过控制稀释率在较低的水平进行粉末的筛选。 [0126] 通过对熔覆样件进行疲劳试验进行粉末的筛选。 [0127] 通过对熔覆样件进行腐蚀试验并进行粉末的筛选。 [0128] 2.选型流程 [0129] 基于粉末选型试验验证情况，形成了一套铸钢轴箱体激光熔敷粉末选型流程如图13所示。 [0130] 3.评价指标 [0131] 3.1粉末自身性能 [0132] 粉末流动性15‑20s/50g、松装密度4g/cm3、粒径范围40‑105um，热膨胀系数与基体接近且稍小于基体，良好的润湿性。 [0133] 3.2粉末熔覆性能 [0134] 熔覆层金相无任何缺陷，拉伸、弯曲、冲击、硬度性能与基体材料相当。 [0135] 3.3粉末服役性能 [0136] 107疲劳性能不低于基材、100小时盐雾腐蚀耐蚀性不低于基材、磨损性能与基材相当。 [0137] 4.选型要求 [0138] 铸钢轴箱体激光熔覆修复粉末选型具体方案为： [0139] 1、以G20Mn5QT铸钢作为基材，分析其化学成分、机械性能及实际应用工况； [0140] 2、一是从工艺性原则出发，重点考察熔覆材料的自溶性、润湿性以及抗裂性，二是从物理性能相近原则出发，即熔覆材料的热膨胀系数、熔点等与基材相近，选择采用气雾化制粉法制备的球形103、104铁基合金粉末、Ni25镍基合金粉末、410、17‑4PH、某特殊牌号不锈钢粉末及CX不锈钢粉末； [0141] 3、首先在相同的激光功率、扫描速度、送粉速度参数条件下，完成上述粉末的激光熔覆后，通过对其外观形貌，内部缺陷进行初次合适粉末的筛选。 [0142] 4、通过对熔覆层进行表面形貌目视观察，对比开裂现象，筛除熔覆时表面易出现开裂现象的粉末。 [0143] 5、同时通过对熔覆后的粉末进行渗透探伤，筛除熔覆后存在大量气孔及未熔合缺陷的粉末。 [0144] 6、进一步，将上述筛选出的粉末进行烘干处理(100℃，60min)。对不同激光功率、扫描速度和送粉速率三种参数下单道熔覆试样的宏观金相进行观察，获得具有成形良好、无裂纹、无气孔等缺陷的熔覆金属，在此基础上以激光功率、扫描速度、送粉速率三者为主要影响因素，进一步优化工艺参数，通过正交耦合试验，并结合极差分析，最终确定优佳工艺参数； [0145] 此步骤的试验激光功率为：1500‑2500W；扫描速度为：250‑400mm/min；送粉速率为1r/min、1.5r/min、2r/min。 [0146] 7、选用上述较优工艺参数在铸钢G20Mn5QT基板上对所选熔覆粉末进行多层多道熔覆试验，制备熔覆金属试件；进一步通过根据与基体材质力学性能相近原则，通过外观形貌检查，渗透探伤，测定熔覆层的硬度、拉伸、冲击、磨损及腐蚀性能等试验方法来进行评价从而进一步筛选粉末。 [0147] 此步骤要求： [0148] 1)对上述不同粉末熔覆后的试样进行渗透探伤，表面无任何缺陷； [0149] 2)通过试样宏观金相分析稀释率不超过5％，结合界面熔合良好。 [0150] 3)通过试样宏观金相分析搭接量40％‑50％。 [0151] 4)基体与试样的HV0.2硬度试验，测量点不少于9个，HV0.2硬度值与基材相当。 [0152] 5)基体与试样的拉伸性能试验，抗拉性能与基材性能相近，抗拉强度在正负40Mpa之内，屈服强度在正负30Mpa之内。 [0153] 6)基体与试样的冲击试验，‑40℃冲击性能与基材性能相近，相差在正负25J之内。 [0154] 7)基体与试样的磨损试验，试验条件为：室温、大气环境，载荷25N，转速300r/min，时间15min，耐磨性能与基材相当，摩擦系数相差不超过正负0.12。 [0155] 8)基体与试样的电化学腐蚀试验，具体为观察G20Mn5QT基板与熔覆层在3.5wt.％NaCl溶液中的腐蚀相关曲线及腐蚀后的表面形貌，腐蚀坑少于基材。 [0156] 9)对上述的试验样件通过疲劳试验进行粉末的筛选。 [0157] 10)通过上述步骤，最终选出最适宜的一种粉末。 [0158] 本发明G20Mn5QT基体激光熔覆修复的粉末选型方法，可应用在轨道交通车辆轴箱体或其他铸钢材质的增材修复中，提升基体在服役过程中的耐磨性、耐腐蚀性、抗冲击性能。 [0159] 1)本发明选型方法明确了铸钢轴箱体激光熔覆粉末选型原则，缩小粉末的初选范围； [0160] 2)本发明选型方法形成了粉末选型流程，能够快速高效选出适配的粉末材料； [0162] 4)除已筛选验证的粉末外，其他牌号的铁基、镍基及不锈钢等粉末均适用于本发明提供的熔覆粉末选型方法。 [0163] 此外，鉴于轴箱体在实际服役工况下需主要具有耐磨耐腐蚀抗疲劳等性能要求。钢中Cr元素能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，Ni对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。故所选熔覆粉末化学成分中Ni含量不低于12wt.％、Cr含量不低于 4wt.％。 [0164] 以下所用待选粉末： [0165] 103铁基合金粉末(以下简称103)，104铁基合金粉末(以下简称104)，Ni25镍基合金粉末(以下简称Ni25)，410不锈钢粉末(以下简称410)，CX不锈钢粉末(以下简称CX)，17‑4PH不锈钢粉末(以下简称17‑4PH)，某特殊牌号不锈钢粉末(以下简称特或特殊或某特殊牌号，由北京中航迈特粉体材料有限公司提供)。 [0166] 以上粉末均为球形，均市售购得。 [0167] 上述所用待选粉末的相关指标见下表： [0168] 3粉末 粉末流动性 松装密度g/cm 粒径范围 103铁基合金粉末 16 4.15 53‑150μm 104铁基合金粉末 17 4.20 53‑150μm Ni25镍基合金粉末 17 4.10 53‑150μm 410不锈钢粉末 17 4.10 53‑150μm CX不锈钢粉末 20.5 4.10 53‑150μm 17‑4PH不锈钢粉末 18.6 4.14 53‑150μm 某特殊牌号不锈钢粉末 16.7 4.08 53‑150μm [0169] 根据熔覆经验，膨胀系数、润湿性等数据相关工艺指标可根据粉末沉积过程中的外观成形质量进行判断。 [0170] 实施例1 [0171] 本实施例提供一种铸钢轴箱体激光熔覆粉末选型方法，具体如下： [0172] 1)以G20Mn5QT铸钢为基体材料，采用气雾化制粉法制备的球形某特殊牌号的不锈钢粉末进行激光熔覆试验。 [0173] 2)分别以激光功率1500‑2500W，送粉率1r/min‑2r/min，扫描速度250‑400mm/min，搭接率为40％开展单因素激光熔覆试验，进行工艺参数选择。如图1中的(e)、图2所示，通过外观形貌目视及渗透探伤，某特殊牌号的不锈钢粉末熔覆层表面光滑平整，外观成型良好，无气孔、裂纹及未熔合等缺陷产生。 [0174] 3)选用上述步骤中较优工艺参数(激光功率2300W，送粉率2r/min，扫描速度280mm/min)进行多层多道熔覆制备金属试件，开展硬度、拉伸、冲击等力学性能测试。如图3所示，某特殊牌号粉末熔覆层的硬度为224HV0.5，与G20Mn5QT基材硬度值228HV0.5接近；如图 4中的(e)及表1所示，抗拉强度及延伸率分别为618MPa、33.7％，与G20Mn5QT基材(613MPa、 2 28.4％)相近；如表2所示，某特殊牌号熔覆层低温冲击吸收功为52J/cm，满足G20Mn5QT基材标准值(≥27(‑45℃))要求。 [0175] 表1基材及不同粉末熔覆层的拉伸试验结果 [0176] 材料 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 断后延伸率/％G20Mn5QT 529 613 28.4 103 729 1110 3.83 104 348 473 4.31 410 1138 1296 3.85 某特殊牌号 491 618 33.7 CX 1039 1179 6.60 17‑4PH 988.29 1092 6.75 [0177] 表2基材及不同粉末熔覆层的冲击试验结果 [0178] 材料 冲击吸收功KV2(J/cm2)G20Mn5QT标准值 ≥27(‑45℃) 某特殊牌号 52(‑45℃) [0179] 4)进一步完成某特殊牌号熔覆层与G20Mn5QT基材的磨损和腐蚀性能对比研究。表3为磨损试验相关数据，结果显示某特殊牌号熔覆层的磨损量为95.1mg，G20Mn5QT基材的磨损量为72.4mg，某特殊牌号熔覆层的耐磨性能略低于G20Mn5QT基材；表4、图5、图6所示为G20Mn5QT基材及某特殊牌号熔覆层在3.5％NaCl溶液中经过盐雾腐蚀480h后试样质量损失率及表面形貌，其中某特殊牌号熔覆层、G20Mn5QT基材及G20Mn5QT+某特殊牌号熔覆层盐雾 2 2 2 腐蚀质量损失率分别为19g/m 、471g/m 、272g/m ，且某特殊牌号熔覆层腐蚀坑少于 G20Mn5QT基材。 [0180] 图7‑图11为电化学腐蚀试验相关数据。图12为电偶腐蚀等级评定标准，依据标准为：T/CSCP 0035.12‑2007《低合金结构钢实验室腐蚀试验第12部分：低合金结构钢电偶腐蚀试验方法》。 [0181] 表3基材及不同粉末熔覆层摩擦磨损测试结果 [0182]试样 磨损量(mg) 摩擦系数 G20Mn5QT 72.4 0.2038 103 56.0 0.2545 104 29.0 0.3659 某特殊牌号 95.1 0.2657 410 54.0 0.2688 [0183] 表4不同材料盐雾腐蚀后质量损失率 [0184] [0185] 通过分析G20Mn5QT基材和某特殊牌号熔覆层的极化曲线、电偶腐蚀曲线及电偶腐蚀等级评定标准，表明某特殊牌号熔覆层的电化学腐蚀性能高于G20Mn5QT基材，并且电偶腐蚀等级属于B级别，在一定条件下可以接触。 [0186] 综上所述，该某特殊牌号不锈钢粉末可选用于G20Mn5QT基材表面激光熔覆修复。 [0187] 实施例2 [0188] 在实施例1的基础上进一步进行疲劳试验。 [0189] 疲劳性能的检测方法参考标准GB/T 3075‑2021《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》。具体地，利用QBG‑100高频疲劳试验机，在常温常压环境中，采用应力比为0、振动频率为80‑100HZ的试验参数对G20Mn5QT基体试样和某特殊牌号粉末熔覆层试样进行疲劳试验。 [0190] 本实施例疲劳试验仅针对G20Mn5QT基体及筛选确定后的某特殊牌号粉末，具体试验数据见表5、表6。通过分别对G20Mn5QT基体及G20Mn5QT+某特殊牌号粉末熔覆层试样进行疲劳试验可得出，G20Mn5QT基体的疲劳极限为330MPa左右(疲劳源为铸造过程中留下的夹杂或气孔)，带基体的试样疲劳极限为340MPa左右(疲劳源为熔覆过程中留下的微小气孔)。因此，某特殊牌号粉末熔覆层的疲劳性能优于G20Mn5QT基体。 [0191] 表5G20Mn5QT基体疲劳试验数据 [0192] 编号 应力比 应力级/MPa 频率/HZ 疲劳寿命/万次G‑8 0 260 84.2 1000 G‑10 0 260 85.3 1000 G‑26 0 260 99.3 1000 G‑9 0 270 86.4 68.85 G‑13 0 270 86.9 1000 G‑25 0 270 99.9 1000 G‑7 0 280 86.1 1000 G‑23 0 280 99.7 1000 G‑24 0 280 99.6 1000 G‑5 0 290 87.7 1000 G‑21 0 290 96.9 1000 G‑22 0 290 88.4 48.55 G‑4 0 300 86.6 353.15 G‑6 0 300 87.3 39.74 G‑20 0 300 97.1 152.9 G‑27 0 300 100.8 32.54 G‑28 0 300 99.1 1000 G‑30 0 300 97.7 1000 G‑33 0 300 97.3 31.3 G‑3 0 310 86.7 1000 G‑16 0 310 86.5 1000 G‑19 0 310 96.7 1000 G‑31 0 310 98.9 27.05 G‑32 0 310 97.2 34.91 G‑15 0 320 89.1 175.65 G‑17 0 320 94.2 1000 G‑18 0 320 87.3 1000 G‑29 0 330 99.4 1000 G‑39 0 330 88.3 9.01 G‑40 0 330 99.8 16.96 G‑42 0 330 100.1 1000 G‑36 0 340 89.5 13.66 G‑37 0 340 101.3 21.18 G‑38 0 340 87.3 25.28 G‑34 0 350 87.4 24.26 G‑35 0 350 99.5 49.99 G‑41 0 350 89.4 14.84 [0193] 表6G20Mn5QT+某特殊牌号熔覆试样疲劳测试数据 [0194]编号 应力比 应力级/MPa 频率/HZ 疲劳寿命/万次 R‑14 0 270 84.8 1000 R‑40 0 270 93.7 1000 R‑41 0 270 82.6 1000 R‑15 0 280 83.7 73.52 R‑16 0 280 84.6 1000 R‑38 0 280 93.4 1000 R‑39 0 280 95.7 1000 R‑13 0 290 82.6 1000 R‑36 0 290 86.8 1000 R‑37 0 290 97.2 1000 R‑12 0 300 80.9 1000 R‑32 0 300 92.5 1000 R‑33 0 300 87.5 1000 R‑10 0 310 81.4 1000 R‑34 0 310 94.2 1000 R‑35 0 310 87.5 41.25 A1 0 310 87.4 1000 B1 0 310 95.8 1000 R‑11 0 320 81.3 107.62 R‑42 0 320 84.4 1000 R‑43 0 320 86.3 71.73 R‑44 0 320 85.1 44.59 R‑45 0 320 98.8 64.92 R‑46 0 320 95.4 1000 R‑47 0 320 95.9 35.11 R‑50 0 320 88.9 35.54 R‑51 0 320 87.5 67.62 R‑52 0 320 96.2 39.28 A2 0 320 88.3 1000 B2 0 320 96.8 1000 B3 0 330 85.1 1000 R‑48 0 330 86.8 449.63 R‑49 0 330 85.2 402.74 A3 0 330 84.7 33.69 A4 0 330 320 1000 B4 0 330 330 1000 A5 0 340 86.8 1000 B5 0 340 81.3 78.66 B6 0 340 87.4 1000 R‑53 0 350 83.5 27.32 R‑54 0 350 81.8 15.32 R‑55 0 350 82.6 17.18 [0195] 实施例3 [0196] 以某特殊牌号粉末为研究对象，在单因素试验(工艺参数为：激光功率1700‑2600W，送粉率1.0‑2.2r/min，扫描速度350‑600mm/min)结果中筛选出稀释率小于5％的工艺参数，设计正交试验参数，并对单层单道截面形貌和多层多道的组织和性能进行了研究。 所选正交试验工艺参数如表7，光斑直径选择4mm，保护气流量为40L/min，载粉气流量为7L/min。 [0197] 表7正交试验参数 [0198] [0199] 图14为正交参数下单层单道涂层形貌。从表7和图14可以看出，在正交参数下，单层单道试样稀释率均小于5％，满足工程要求。并且单道表面形貌平整光滑均匀，未见明显气孔和裂纹。从截面形貌可以看出，正交参数下未见孔洞和未熔合等缺陷。 [0200] 对比例1 [0201] 与实施例1相比，对比例1不遵循物理性能相近原则，即要求粉末材料与基材热膨胀系数相近。如图1中的(a)所示，从宏观形貌可以看出，在使用Ni25粉末进行多层多道大面积熔覆时，表面出现开裂现象，无法在G20Mn5QT基材上完成大面积激光熔覆修复。 [0202] 对比例2 [0203] 与实施例1相比，对比例2不遵循粉末熔覆层宏观形貌及无损检测原则，如图1中的(c)、图1中的(d)所示，分别为17‑4PH、CX粉末在G20Mn5QT基材表面的熔覆形貌，可见17‑4PH和CX粉末熔覆层表面出现大量未熔合及明显且尺寸较大的气孔等缺陷，导致其拉伸性能较差，相关力学性能测试数据见图3及表1，其延伸率仅为6.75％、6.6％，明显低于G20Mn5QT基材的28.4％，不满足铸钢轴箱体实际工况要求。 [0204] 对比例3 [0205] 与实施例1相比，对比例3不遵循粉末熔覆层相关力学性能(硬度与拉伸强度)与G20Mn5QT基材相近原则。图3为硬度测试对比的相关数据，其中103、104、410粉末熔覆层的硬度分别为408HV0.5、509HV0.5、391HV0.5，均与G20Mn5QT基材硬度值(228HV0.5)相差较大。图4表示拉伸应力与应变的对比曲线，其中103、104、410粉末熔覆层抗拉强度和延伸率分别为1110MPa、473MPa、1296MPa和3.83％、4.31％、3.85％，与G20Mn5QT基材(613MPa、28.4％)相差较大。 [0206] 由此说明，如果不遵循本发明中的选型方法和原则进行力学性能评价，则影响最优粉末的选择。 [0207] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈