不同制粉工艺制备激光熔覆用粉体性能研究

不同制粉工艺制备激光熔覆用粉体性能研究

翁子清

1，2

刘平

1，2

张腾辉

1，2

史金光

1，2

金莹

1，2

丁洪波

1，2

陆青松

3

（1.浙江省钎焊材料与技术重点实验室杭州310030；2.浙江亚通焊材有限公司

3.浙江银轮机械股份有限公司台州317200）

杭州310030；

摘

要：本文分别采用了水雾化、大气熔炼气雾化和真空气雾化的制粉方法制备了激光熔覆用粉体，对粉

体的形貌、氧含量和流动性进行了测试，结果表明，不同雾化方法制备的粉末颗粒形貌不同，真空

气雾化制备的粉末形貌、流动性均好于水雾化和大气熔炼气雾化，且真空气雾化粉末的氧含量最低，激光熔覆适用性最佳。

关键词：水雾化；气雾化；真空气雾化；激光熔覆；激光粉末

熔覆材料直接送入激光束中，使供料和激光熔覆

同时完成，熔覆材料的加入方法主要是以粉末的形式送入。实际生产应用中，大多采用同步送粉的方法进行熔覆。

用于同步送粉的粉末粒度要求一般在－100～+325目之间，水雾化、普通熔炼气雾化和真空气雾化的制粉方法均能获得该粒度范围的粉末，但对于这三种制粉工艺制备的粉体性能差异及其是否能满足激光熔覆工艺要求，尚未有较多的研究。为此，本文采用自行研制的Fe55合金配比，利用不同的制粉方案制备了Fe55合金粉末，并探究其激光熔覆的工艺使用性，这将为激光熔覆技术的深入研究和推广应用提供参考。

0前言

激光熔覆是表面工程中的先进技术之一，其研究起始于20世纪60年代，直到70年代初期大功率激光器才逐渐投入实际应用。近年来，激光表面改性技术因具有处理速度高效、无污染、材料消耗低等特点，在材料表面工程领域中引起了广

［1，2］

。泛关注

激光熔覆作为一种表面强化技术，是激光再

制造的基础，自美国AVCO公司在20世纪70年代采用激光熔覆技术在汽车发动机的易磨损零部件表面进行涂层处理以来，激光熔覆技术在大型并且价格昂贵的机器和设备的零部件修复中具有

［3，4］［5］

，很高的应用价值主要应用于航空航天、汽车

［7］

、轨道等领域。激光熔覆的工艺可以分为两种：一种是激光处理前供给添加材料，即粉末预［6］

1实验

置法；另一种是激光处理过程中同步供给添加材料，即同步送粉法。粉末预置激光熔覆是将材料事先放置于基体材料表面的熔覆部位，然后采用激光束辐射扫描熔化。同步送粉式激光熔覆是将

本实验设计的合金粉末的成分如表1所示，

Si，C的含量，Al合理控制B，并添加了微量的Mn、脱氧元素。本实验采用的水雾化、大气熔炼气雾化和真空气雾化制粉设备均为本公司自主设计开

发。

基金项目：浙江省科技计划项目（2018F10055）

32

表1

C0.15－0.25

Ni≤2

Mo≤1

Cr13－16

Fe55合金材料化学成分

Si1.5－2.0

B0.5－1.0

Mn0.2－0.6

2019年2月第一期w.t%

Al0.1－0.5

FeBal.

按照表1合金配比分别用纯铁棒、铬铁、钼铁、纯镍、硼铁、硅铁、电解锰、纯铝等配成合适质量的放入中频感应坩埚中熔化，所不同的是，水雾原料，

大气熔炼气雾化是在大气敞开的环境下熔炼，化、

然后炉体内充入惰性保护气体N2（纯度

99.999%），在气体保护的情况下将合金原料熔化待合金母液过热度达150℃后。分别采用水均匀，

N2气体雾化合金粉末，不同工艺雾化的工艺雾化、

而真空气雾化熔炼前，首先抽真空至0.1Pa以下，参数如表2所示。

表2不同雾化方法制备Fe55合金粉末的工艺参数

雾化方法水雾化普通气雾化真空气雾化

雾化介质高压水高压氮气高压氮气

3.5

6.0

150

雾化压力/MPa

导液管直径D/mm

过热度/℃

冷却介质

水空气氮气

制粉完成后，待粉末充分冷却，分别从收料桶

采用BT9300Z中取出（水雾化粉末还需烘干处理），

型激光粒度仪测试粉末的粒径分布，利用SNC－

1000型振动筛筛分适合激光熔覆粒度要求的粉末。采用蔡司EVO18型扫描电子显微镜对Fe55合金

利用BT－200型金属粉粉末进行显微形貌的观察，

以50g合金粉末末霍尔流速计测试粉末的流动性，

依据流过2.5mm孔径的标准漏斗计算所需时间，粉末在半国家标准GB1482－84进行测试。最后，导体直接输出激光器上进行激光熔覆单道次的激

基板为45号钢。光熔覆试验，

表3不同雾化方法制备的

Fe55合金粉末氧含量

雾化方法水雾化普通气雾化真空气雾化

氧含量15857282

ppm

图1为不同雾化方法制备的Fe55合金粉末的

在相同的雾化压力、导液管直径和过热粒度分布，

水雾化获得的粉末最细。粉末的中位径d50度下，

是筛下累积质量分数为50%相对应的颗粒直径，用，水雾化、普通气雾化和真空气雾化的中位径d50分别为63.67μm、78.83μm和.82μm。其可一定程度上反映粉末的粗细分布

［9］

2

2.1

结果与讨论

粉末氧含量与粒度分布

不同雾化方法制备的Fe55合金粉末氧含量如

其中真空气雾化制备的Fe55合金粉末表3所示，

在三种制备方法中具有最低的氧含量。这是因为

都与大气一方面Fe55合金从熔炼到雾化过程中，采用高纯氮气进行雾化，使得粉末不易氧化；隔绝，

另一方面，合金在真空环境下进行熔炼，熔炼时可以采用真空脱气的方法将熔液中的部分氧通过真

［8］

空脱气的方式去除。因此粉末具有最低的氧含而水雾化粉末由于采用高压水将熔融态金属液量，

粉末在水中冷却，自然氧含滴打成细小颗粒粉末，量很高。

图1不同雾化方法制备的Fe55合金粉末粒度分布

2019年2月2.2

第一期不同制粉工艺制备激光熔覆用粉体性能研究33

粉末形貌与流动性

不同雾化方法制备的Fe55合金粉末形貌如图2所示，由图可见，不同雾化方法制备的Fe55合金水雾粉末形貌有很大的差异。从图2（a）可看出，

化制备的Fe55合金粉末形貌主要为不规则的颗粒

而对比图2（b）和图2（c）可知，真空气雾化结构，

粉末表制备的Fe55合金粉末具有更好的球形度，

卫星球数量更少。面更光洁，

（a）水雾化（b）普通气雾化（c）真空气雾化

图2不同雾化方法制备的Fe55合金粉末形貌

用霍尔流速计测试粉末的流动性，依据国家标由图3可知，三种方法制备的Fe55合金粉末

结果表明，真空气雾化所不同的是水雾化准GB1482－84进行测试，熔覆层均具有较好的表面形貌，为17s/50g；普制备的Fe55合金粉末流动性最佳，

通气雾化制备的Fe55合金粉末流动性为19s/50g；而水雾化制备的Fe55合金粉末为25s/50g，水雾化

测试时粉末难制备的Fe55合金粉末流动性最差，

主要是粉末形貌较差导致了流动性以一次性流完，

差。2.3

激光熔覆试验

对不同雾化方法制备的Fe55合金粉末在45钢表面进行激光熔覆试验的参数为：激光功率2.0kW，扫描速度6mm/s，光斑直径4mm×4mm，焦送粉量30g/min。所得涂层的形貌如图距320mm，3所示。

该熔制备的Fe55合金粉末表面具有较多的熔渣，

而真空气雾化和普通气雾化制备渣比较难以去除，

连续、熔渣量少，采用的Fe55合金粉末表面光洁、

均未发现涂层有裂纹形着色探伤对涂层进行检测，

成。水雾化制备的Fe55合金粉末具有较多的熔

Al这是因为粉末中加入的Si和B元素与Mn、渣，

联合脱氧，可有效地减少熔池中的FeO，且Si和B的氧化物表面张力低，可增加熔池金属的流动性，使液态金属易于在基体表面上湿润铺开。此外，脱密度小，易氧形成的硅酸盐和硅硼酸盐的熔点低、

这也减少熔聚集长大。上浮至熔池表面形成保护，

合金粉中Si和B的存池中的FeO的形成。因此，

34

，但值得注意的是激光熔覆

快速加热和快速凝固的过程熔渣不一定完全浮出，在利于熔覆层成形

涂层表面含有较多的熔渣一定程度上也了粉

激光熔覆送粉过程中，水雾化制末的应用。另外，

［10］

2019年2月第一期

备的粉末也容易出现送粉堵粉的现象。而普通气

雾化和真空气雾化制备的Fe55合金粉末在激光熔涂层都具有比较好的焊道，满足特定的应覆过程，

用场合。

图3Fe55合金粉末激光熔覆涂层宏观形貌

（A）：420～423

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3结语

1）分别采用水雾化、普通气雾化和真空气雾化

相同的雾的制粉方法制备了激光熔覆用粉末Fe55，

水雾化获得的Fe55合金粉末最细，化工艺参数下，

其中中位径d50为63.67μm。

2）在水雾化、普通气雾化和真空气雾化三种方

真空雾化制备的Fe55法制备的Fe55合金粉末中，

合金粉末具有最低的氧含量（282ppm）和较好的粉

末形貌及流动性。

3）对水雾化、普通气雾化和真空气雾化三种方

真空法制备的Fe55合金粉末进行激光熔覆试验，雾化制备的Fe55合金粉末熔覆层具有较好的焊道

而水雾化制备的粉末熔覆层有较多的熔渣，形貌，

熔覆送粉过程易发生堵粉。不同雾化方法，激光熔覆涂层的性能需更进一步测试。

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收稿日期：20190110

审稿：金霞编辑：吴彩霞