本發明屬于金屬材料領域，具體涉及一種用于超高速率激光熔覆的工具鋼金屬粉末。

　　背景技術：

　　：傳統激光熔覆技術具有結合強度高，熱變形小等優點，且可以通過調整粉末成分獲得所需熔覆層性能，因此在諸多行業中開始實現應用，但是該技術加工效率較低，熔覆速率一般為0.5~3m/min，粉末利用率低，一般50%左右，并且激光能量聚焦在基體材料上，通過熔化基體材料來摻入和結合粉末，這使得激光能量利用效率和熔覆速率低，粉末與基體材料結合時仍為固態顆粒，成品表面平滑度差。由于其效率低下、成本高，限制了其大規模產業化應用，也是目前亟待解決的瓶頸問題。同時，傳統激光熔覆所用的粉末具有相應的粒度。該粒度粉末經熔覆頭輸送匯聚后，粉斑直徑通常較大。技術實現要素：本發明涉及一種超高速率激光熔覆方法，尤其是該方法所使用的工具鋼金屬粉末。超高速率激光熔覆是一種表面加工技術，通過同步送粉添料方式，利用高能密度的束流使添加材料與高速率運動的基體材料表面同時熔化，并快速凝固后形成稀釋率極低，與基體呈冶金結合的熔覆層，極大提高熔覆速率，顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等工藝特性的工藝方法。與傳統低速率高速熔覆相比較，超高速率激光熔覆高能束少部分能量作用在基體材料上形成較淺的熔池，而大部分能量作用在了粉末材料上，使粉末在進入熔池之前溫度升至熔點并熔化，以液滴的形式與基體材料結合，從而使得超高速激光熔覆加工比傳統熔覆效率提高40倍至上百倍。相應地，超高速率激光熔覆對粉末提出了新的要求。例如粉末的以下指標都存在新的要求：1.粒度范圍，金屬粉末顆粒的大小，通常用顆粒的直徑來表征；2.流動性，是指以一定量粉末流過規定孔徑的標準漏斗所需要的時間來表示，通常采用的單位為s/50g，其數值越小說明該粉末的流動性愈好；3.球形度，顆粒的形狀與球體相似的程度；4.d50，描述粉末平均粒度的指標，指一個樣品的累計粒度分布百分數達到50%時所對應的粒徑。需要說明的是，本申請的工具鋼是指用以制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的鋼。工具鋼具有較高的硬度和在高溫下能保持高硬度和紅硬性，以及高的耐磨性和適當的韌性，是針對耐磨環境表面改性的良好涂層材料。本發明中的超高速是相對于現有的激光熔覆速度而言的，該超高速具體是指激光掃描線速度大于等于25m/min。根據本發明一方面，本發明提供了一種用于超高速率激光熔覆的工具鋼粉末，其各元素的質量分數為：1.4－1.8%c，3.0－8.0%cr，1.0－3.0%mo，3.0－7.5%v，8.0－14.0%w，6.0－12.0%co，p≤0.030%，s≤0.030%，余量為fe和不可避免的雜質；其中，該粉末的d50為25-50μm，流動性為31-45s/100g。根據本發明一方面，w優選9.0－12.0%，co優選7.0－10.0%，v優選4.0－5.5%。根據本發明一方面，該金屬粉末粒度分布為：10-100μm。根據本發明一方面，制備上述超高速率激光熔覆用工具鋼粉末的方法為：原材料成分合金化配比，而后進行真空熔煉鋼錠，應用中頻感應加熱熔化鋼錠，熔煉室真空度10-1-10-2pa，采用氣霧化方法制粉，噴粉氣體氬氣壓力1.8-3.8mpa，收得粉末后進行粒度篩分。根據本發明一方面，真空度的控制對于粉末含氧量等指標有重大影響，噴粉氣體氬氣的壓力控制是控制粉末粒度、球形度和成粉率的核心參數，需要全面根據液流情況及各個噴粉時期做出精確調整。應用篩分后的粉末，采用超高速率激光熔覆技術，搭配不同工藝，進行表面制造及修復。根據本發明一方面，本發明的超高速率激光熔覆方法如下：對待加工零件表面進行機加工。用丙酮擦拭待加工零件表面，去除表面油脂。根據零件表面幾何形狀進行激光熔覆路徑規劃，制定工藝參數。采用超高速率激光熔覆系統對待加工零件表面進行熔覆加工，采用如下工藝參數：激光功率1~2kw，光斑直徑1mm，送粉速率5~8kg/h，激光掃描速率20m~500m/min，搭接率30%~40%，單層熔覆厚度25~500μm，激光熔覆頭具有氬氣保護功能，氬氣流量15~30l/min。與現有技術相比，本發明的優點在于：1.該金屬粉末具有優選合金含量搭配，能夠適應超高速率激光熔覆，熔覆層能夠致密緊實地與基體結合，熔覆層具有優異的耐磨性能，經濟性能良好。2．超高速激光熔覆技術可極大提高激光熔覆表面加工速率，得到表面平整光滑、無氣孔、無裂紋的熔覆層，該技術對金屬粉末粒度、流動性等指標有特殊要求，本發明所涉及的超高速率激光熔覆用工具鋼粉末適用于該加工技術。具體實施方式下面結合實施例對本發明作進一步描述，但不局限于下列實施例。實施例中目標產物中各元素的質量分數如表1所示，性能參數如表2所示，應用實施例進行超高速率激光熔覆加工后表面性能如表3所示。表1超高速率激光熔覆用工具鋼粉末成分（質量分數，%）實施例ccrmovwcopsfe實施例11.423.21.63.89.27.5≤0.03≤0.03余量實施例21.554.82.44.911.19.2≤0.03≤0.03余量實施例31.676.73.56.813.511.6≤0.03≤0.03余量表2超高速率激光熔覆用工具鋼粉末性能參數實施例粒度μm流動性s/50g球形度%d50/μm實施例110-100189344實施例210-100169841實施例310-100169739表3超高速率激光熔覆加工后表面性能實施例表面硬度（hrc）耐磨性能提高百分比%壽命延長百分比%實施例151110152實施例262146181實施例371187221實施例1本實施例提供了一種超高速率激光熔覆方法以及該方法所使用的工具鋼金屬粉末。該超高速激光熔覆工藝，包括以下步驟：控制激光的少部分能量作用在基體材料上表面形成較淺的熔池，激光大部分能量作用在基體材料上方的合金粉末上；合金粉末在進入熔池之前溫度升至熔點并熔化，以液滴的形式滴入熔池與基體材料結合。可以理解的是，由于傳統的工藝都是將激光能量聚焦在基體材料上來熔化致密的基體本身，在相同的激光能量作用下，熔化基體所耗費的時間需要大大增加，這極大程度地限制了熔覆速度，降低了粉末的利用率，相反，本發明中巧妙地將激光能量作用在合金粉末上，使得粉末以液滴而非顆粒的方式與基體材料結合，既減少了昂貴粉末的浪費，更提高了熔覆速度，獲得了更高的結合牢固度和表面光滑度。將激光能量作用在合金粉末上例如可以通過控制和調整激光能量的聚焦位置來實現。優選的，合金粉末以液滴的形式滴入熔池與基體材料結合后依靠基體材料自身冷卻凝固。優選的，聚焦激光束使80%以上的激光能量作用在合金粉末上。優選的，相對于基體材料的上表面設置激光離焦量在基體材料上方1~2mm，激光光斑尺寸φ1.0~φ1.5mm。優選的，工具鋼金屬粉末各元素的質量分數為：1.42%c，3.2%cr，1.6%mo，3.8%v，9.2%w，7.5%co，p≤0.030%，s≤0.030%，余量為fe和不可避免的雜質。優選的，該金屬粉末粒度分布為：10-100μm，流動性：18s/50g，球形度≥93%，d50=44μm。優選的，粉末粒度區間為15~45μm。球形度≥94%，含氧量≦150ppm。流動性為20s/50g。空心粉率＜1%。優選的，還提供了一種用于超高速率激光熔覆的工具鋼金屬粉末，其各元素的質量分數為：1.4－1.8%c，3.0－8.0%cr，1.0－3.0%mo，3.0－7.5%v，8.0－14.0%w，6.0－12.0%co，p≤0.030%，s≤0.030%，余量為fe和不可避免的雜質；其中，該粉末的d50為25-50μm，流動性為31-45s/100g。優選的，w優選9.0－12.0%。優選的，co優選7.0－10.0%。優選的，v優選4.0－5.5%。優選的，制備方法為：原材料成分合金化配比，而后進行真空熔煉鋼錠，應用中頻感應加熱熔化鋼錠，熔煉室真空度10-1-10-2pa，采用氣霧化方法制粉，噴粉氣體氬氣壓力1.8-3.8mpa，收得粉末后進行粒度篩分。應用篩分后的粉末，采用超高速率激光熔覆技術，搭配不同工藝，進行表面制造及修復。對待加工零件表面進行機加工。用丙酮擦拭待加工零件表面，去除表面油脂。根據零件表面幾何形狀進行激光熔覆路徑規劃，制定工藝參數。采用超高速率激光熔覆系統對待加工零件表面進行熔覆加工，采用如下工藝參數：激光功率1~2kw，光斑直徑1mm，送粉速率5~8kg/h，激光掃描速率20m~500m/min，搭接率30%~40%，單層熔覆厚度25~500μm，激光熔覆頭具有氬氣保護功能，氬氣流量15~30l/min。目標產物中各元素的質量分數如表1中實施例1所示。實施例1的性能參數如表2所示。應用實施例1進行超高速率激光熔覆加工后表面性能如表3所示。實施例2其各元素的質量分數為：1.55%c，4.8%cr，2.4%mo，4.9%v，11.1%w，9.2%co，p≤0.030%，s≤0.030%，余量為fe和不可避免的雜質。該金屬粉末粒徑為：10-100μm，流動性：16s/50g，球形度≥98%，d50=41μm。制備方法為：原材料成分合金化配比，而后進行真空熔煉鋼錠，應用中頻感應加熱熔化鋼錠，熔煉室真空度10-1-10-2pa，采用氣霧化方法制粉，噴粉氣體氬氣壓力1.8-3.8mpa，收得粉末后進行粒度篩分。應用篩分后的粉末，采用超高速率激光熔覆技術，搭配不同工藝，進行表面制造及修復。對待加工零件表面進行機加工。用丙酮擦拭待加工零件表面，去除表面油脂。根據零件表面幾何形狀進行激光熔覆路徑規劃，制定工藝參數。采用超高速率激光熔覆系統對待加工零件表面進行熔覆加工，采用如下工藝參數：激光功率1~2kw，光斑直徑1mm，送粉速率5~8kg/h，激光掃描速率20m~500m/min，搭接率30%~40%，單層熔覆厚度25~500μm，激光熔覆頭具有氬氣保護功能，氬氣流量15~30l/min。目標產物中各元素的質量分數如表1中實施例2所示。實施例2的性能參數如表2所示。應用實施例2進行超高速率激光熔覆加工后表面性能如表3所示。實施例3其各元素的質量分數為：1.67%c，6.7%cr，3.5%mo，6.8%v，13.5%w，11.6%co，p≤0.030%，s≤0.030%，余量為fe和不可避免的雜質。該金屬粉末粒徑為：10-100μm，流動性：16s/50g，球形度≥97%，d50=39μm。制備方法為：原材料成分合金化配比，而后進行真空熔煉鋼錠，應用中頻感應加熱熔化鋼錠，熔煉室真空度10-1-10-2pa，采用氣霧化方法制粉，噴粉氣體氬氣壓力1.8-3.8mpa，收得粉末后進行粒度篩分。應用篩分后的粉末，采用超高速率激光熔覆技術，搭配不同工藝，進行表面制造及修復。對待加工零件表面進行機加工。用丙酮擦拭待加工零件表面，去除表面油脂。根據零件表面幾何形狀進行激光熔覆路徑規劃，制定工藝參數。采用超高速率激光熔覆系統對待加工零件表面進行熔覆加工，采用如下工藝參數：激光功率1~2kw，光斑直徑1mm，送粉速率5~8kg/h，激光掃描速率20m~500m/min，搭接率30%~40%，單層熔覆厚度25~500μm，激光熔覆頭具有氬氣保護功能，氬氣流量15~30l/min。目標產物中各元素的質量分數如表1中實施例3所示。實施例3的性能參數如表2所示。應用實施例3進行超高速率激光熔覆加工后表面性能如表3所示。與傳統的激光熔覆技術相比，超高速激光熔覆工藝在原理上有顯著不同，其高能束少部分能量作用在基體材料上形成較淺的熔池，而大部分能量作用在了粉末材料上，使粉末在進入熔池之前溫度升至熔點并熔化，以液滴的形式滴入熔池與基體材料結合，再依靠基體自身冷卻凝固。基于這一原理，超高速激光熔覆大大縮短了粉末熔化時間，從而使熔覆效率成倍提高，一般可達到傳統激光熔覆的10倍以上。相應的，顆粒增強鈷基金屬粉末聚焦點距離基體表面可以達到0.2~2mm，該粉末經熔覆頭輸送匯聚后，粉斑尺寸較小，例如可以達到φ0.5~1mm，能夠適應和實現激光掃描線速度大于等于25m/min。當前第1頁12

　　技術特征：

　　技術總結

　　本發明涉及一種用于超高速率激光熔覆的工具鋼金屬粉末，屬于鋼鐵材料制造領域，上述金屬粉末化學成分質量分數為：1.4－1.8%C，3.0－8.0%Cr，1.0－3.0%Mo，3.0－7.5%V，8.0－14.0%W，6.0－12.0%Co，P≤0.030%，S≤0.030%，余量為Fe和不可避免的雜質。該粉末粒度分布：10?100μm，D50：25?50μm，流動性：31?45s/100g，原材料成分合金化配比，而后進行真空熔煉鋼錠，應用中頻感應加熱熔化鋼錠，熔煉室真空度10?1?10?2Pa，采用氣霧化方法制粉，噴粉氣體氬氣壓力1.8?3.8MPa，收得粉末后進行粒度篩分。應用篩分后的粉末，采用超高速率激光熔覆技術，搭配不同工藝，進行表面制造及修復。

　　技術研發人員：范斌;葛學元;王淼輝;郭瑞峰;梁金明;杜博睿

　　受保護的技術使用者：北京機科國創輕量化科學研究院有限公司

　　技術研發日：2017.12.22

　　技術公布日：2018.09.21