激光熔覆粉末材料的制备和轴类零件的激光熔覆修复方法

本发明涉及激光熔覆，具体而言，涉及一种激光熔覆粉末材料及其制备方法和合金钢轴类零件的激光熔覆修复方法。

背景技术：

1、风电主轴主要使用的材料是合金结构钢，可以满足承受高速旋转和大负荷的要求。合金结构钢具有优异的强度和韧性，更重要的是其在低温环境下具有较好的抗疲劳性能，能够保证主轴运转时的稳定性和寿命。35crmoa合金钢具有较高的静力强度、冲击韧性和疲劳极限，同时在高温下还拥有优秀的持久强度，被广泛应用于高负荷下工作的重要结构件，比如风电主轴。风力发电机组主轴在机组运行过程中，承受着由叶轮传递而来的周期性载荷与随机性载荷，以及传动链自身的扭转振动等载荷，在复杂多变的载荷作用下，主轴的失效破坏形式主要有两种：一是由于极限载荷过大而导致主轴局部屈服产生破坏；二是由于交变载荷过大而导致主轴在使用期限内产生疲劳损伤。而风力发电机组通常设计要求在20年以上，甚至更长时间内安全可靠地运行，因此，主轴的极限强度和疲劳强度必须满足要求，并有一定的安全储备。

2、主轴在制造时可能存在金属夹杂、裂纹、粗糙表面等缺陷，这些缺陷会在主轴运行时逐渐扩大并导致主轴提前失效。主轴在长时间的运行中也会受到各种环境因素的影响，如温度、湿度、振动等。同时，主轴的几何形状会因为长时间的运行而发生微小的变形，这也会导致主轴的失效，最终造成风电主轴的报废。而进入检修周期的产品经过一段时间的服役后，部件尺寸变形及过度磨损的情况也越来越严重，在极端载荷的情况下甚至出现裂纹等破坏性缺陷。因此，经过一段时间的运行后，需要对风电主轴的损伤部位进行修复。目前，主要是通过堆焊的方式对受损伤的主轴进行尺寸修复，但是堆焊后的主轴残余应力高，堆焊层的表面硬度高，硬度随着背离表层距离增加而降低。并且传统的堆焊在施焊过程中焊接热输入大，焊接热影响区大，修复后不能保证金属零部件产品原有的机械性能，此外，焊接过程中自动化程度低，堆焊时容易产生二次缺陷，在对检修产品和精密加工产品修复时，产品尺寸精度难以保证，从而使得该方法受到极大的限制。

3、此外，主轴因不满足服役条件或其他原因导致的废旧主轴零件，可以通过再制造进行再次利用。但再制造是以回收的废旧主轴零件为原材料，其质量的不稳定性导致了再制造过程与新品制造过程的差异性很大，工艺不确定性因素较多。因此，零件的再制造质量和产品质量一致性控制相对于新品具有更多的复杂性。激光熔覆技术主要用于金属零部件的表面修复和改性，也可被用于主轴的再制造。但主轴再制造过程由于主轴原始质量、服役工况等都不同，其再制造工艺存在不确定性，尤其是激光再制造过程，工艺参数多、影响因素多、过程复杂，导致再制造过程难以控制，再制造质量一致性较差。

4、鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种激光熔覆粉末材料及其制备方法和合金钢轴类零件的激光熔覆修复方法，以改善上述技术问题。

2、本发明是这样实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种激光熔覆粉末材料，包括40wt.％～85wt.％的镍基合金粉末、10wt.％～30wt.％的高熵合金粉末以及5wt.％～30wt.％的陶瓷增强颗粒；其中，镍基合金粉末的化学组成为：cr:3wt.％～18wt.％、b:1wt.％～4wt.％、si:1wt.％～6wt.％、fe:5wt.％～20wt.％、c:0.2wt.％～0.9wt％以及v:0.1wt.％～0.3wt.％，余量为ni；高熵合金粉末的化学组成为：zr:16wt.％～18.5wt.％、al:8wt.％～20wt.％、ni:9.5wt.％～13wt.％、fe:19wt.％～23wt.％、cr:18wt.％～22wt.％以及co:20wt.％～24wt.％。

4、可选地，镍基合金粉末的化学组成为：cr:3wt.％～5wt.％、b:1wt.％～3wt.％、si:2wt.％～4wt.％、fe:8wt.％～12wt.％、c:0.2wt.％～0.6wt％以及v:0.1wt.％～0.3wt.％，余量为ni。

5、可选地，镍基合金粉末在激光熔覆粉末材料中的含量为55wt.％～65wt.％，高熵合金在激光熔覆粉末材料中的含量为15wt.％～25wt.％，陶瓷增强颗粒在激光熔覆粉末材料中的含量为15wt.％～25wt.％。

6、可选地，陶瓷增强颗粒为碳化钨增强颗粒。

7、可选地，激光熔覆粉末材料的粒径为15μm～50μm。

8、第二方面，本发明提供了一种上述激光熔覆粉末材料的制备方法，其包括：将按比例称取的镍基合金粉末、高熵合金粉末以及陶瓷增强颗粒通过球磨机球磨。

9、可选地，球磨机为行星式球磨机，转速为10r/min～400r/min，球磨时间为2h～24h。

10、可选地，球磨在惰性气体的保护下进行。

11、可选地，用于球磨的镍基合金粉末的粒径为15μm～75μm，球形度≥88％，用于球磨的高熵合金粉末的粒径为16～50μm，球形度≥92％，氧含量≤150ppm，用于球磨的陶瓷增强颗粒的粒径为3μm～15μm。

12、可选地，在球磨完成后，通过筛分分级获得15μm～50μm的激光熔覆粉末材料。

13、第三方面，本发明还提供了一种合金钢轴类零件的激光熔覆修复方法，其包括：采用超高速激光熔覆对合金钢轴类零件的损伤部位进行修复，所用激光熔覆材料为上述激光熔覆粉末材料。

14、可选地，激光熔覆操作条件包括：采用惰性气体为保护气体，送粉气压0.05mpa～0.9mpa，送粉量5g/min～45g/min；激光熔覆设备的功率为1kw～6kw；熔覆层厚度为0.2mm～5mm；激光熔覆的路径轨迹采用正反向的螺旋轨迹运动的方式，激光熔覆和激光重熔交替进行，激光重熔的功率为激光熔覆的2～3倍。

15、可选地，激光光斑直径0.5mm～2mm，扫描速率20m/min～200m/min，搭接率为45～60％。

16、采用氩气为保护气体，送粉气压为0.2～0.4mpa，送粉量为18～25g/min；激光熔覆设备的功率为1.8～2.5kw，激光重熔的功率为3.6～5kw；激光光斑直径0.8～1.2mm，扫描速率18～25m/min，搭接率为45～55％。

17、可选地，该合金钢轴类零件的激光熔覆修复方法还包括：在激光熔覆之前，去除主轴表面的锈渍、失效部位、疲劳层，并车削至表面无磨损或裂纹层，然后对主轴进行激光预热。

18、可选地，在激光熔覆之后，对主轴直线度和圆度进行激光清洗和退火矫正，保证车削和磨削的加工余量，再采用机械加工将主轴修复至预设尺寸。

19、可选地，激光清洗的功率为1kw～2kw，清洗速度为0.5m/min～5m/min，退火矫正的表面温度为900℃～1000℃，主轴的加工余量为0.3mm～0.5mm，表面粗糙度ra≤0.3。

20、本发明具有以下有益效果：通过引入特定比例的陶瓷增强颗粒和高熵合金粉末来改善熔覆粉末的综合性能，使得混合后的合金粉末具有脱氧、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、低含氧量等优良特性。陶瓷增强颗粒的加入可以改善镍基合金的高镍含量带来的硬度和耐磨性能下降，而高熵合金是通过增加合金的构型熵来稳定化学无序的固溶体相，抑制与之竞争的有序金属间化合物的形成，形成的单相固溶合金具有较高的强度和良好的塑性。且高熵合金新颖独到的成分设计，能够很好的与镍基合金的成分相契合，增强镍基合金和陶瓷增强颗粒的分散相容性。除了引入合金元素和间隙元素来增强基体外，其还利用原位生成的al3zr粒子，作为晶粒内新的成核位点，可有效地抑制晶粒的长大，改善熔覆层的性能。该激光熔覆粉末能够对损伤失效的主轴表面受损位置进行激光熔覆修复，可实现连续多层修复，突破了常规粉末和工艺修复层数的限制，修复后的组织致密，无裂纹和未熔融粉末等，焊道之间无明显高度差且结合良好。