[发明专利]一种激光熔敷用复合碳化物碳氮化物合金

说明书

技术领域

本项发明属于高新材料工艺科学技术领域，特别涉及一种激光熔敷用耐腐蚀耐磨高硬度复合碳化物碳氮化物合金。

背景技术

随着科技发展，各类工具，精密刀具，NC机床特种刀具，岩石切割用刀具以及石油钻井用工具，除要求直接切割金属或岩石的刀具（刀刃），要用超硬耐磨耐蚀材料的刀头（钻头）外，刀体、刀具的导入、引出部分，要有较高的硬度、耐磨、耐蚀，以保证切割和加工的精度，延长精密刀具或钻具的使用寿命。为此，希望在相关部位有较高的耐磨耐蚀性能。以往用焊接方法，包括TIG焊、Plasma焊或PTA焊，这些方法虽能得到有较好的耐磨耐蚀堆焊层，但因热源不集中，热影响区较大，影响刀体的性能，甚至刀体的变形。用高能量密度的激光束进行激光熔敷（Lasercladding或Lasermelting），可减少热输入，明显减小热影响区，减少工件变形。但目前可选用的熔敷材料，虽可保证熔敷层高的硬度和耐磨性，但熔敷后熔敷层常出现裂纹。寻求激光熔敷后熔覆层无裂纹的又保证满足激光熔敷层高硬度耐磨耐蚀的合金材料是该领域研发的目标。

发明内容

本项专利申请，研发了一种激光熔敷用耐腐蚀耐磨高硬度复合碳化物碳氮化物合金。研发的复合碳化物碳氮化物合金的成分组成保证在功率1.5kW-2.0kW，光斑4-5mm的激光熔敷条件下，得到的熔敷层合金的显微组织为：MC型、M2C型、M23C6型，M7C3（M为金属元素，C为碳和/或氮）复合碳化物、碳氮化物较均匀的分布在γ相基体组织上。图1，给出激光熔敷的这类合金的金相显微组织照片。碳化物和碳氮化物的总量在40-75vol%(体积百分数)。涂层的宏观硬度50-65HRC,其中硬质相（合金碳化物、碳氮化物）的显微硬度在1050-2100HV，高于工程条件下遇到的淬火钢（700HV）或岩石物料的硬度（500-850HV），保证熔敷层有较高的耐磨性。合金有较高的含铬量和含镍量，从而保证这种复合碳化物碳氮化物合金有较好的耐蚀性。

另，从该类合金的激光熔敷层的金相组织看到，组织中没有容易导致产生裂纹的网状碳化物及网状组织。保证在激光熔敷条件下这类合金的激光熔敷层没有裂纹。

本项申请的激光熔敷用耐腐蚀耐磨高硬度复合碳化物碳氮化物合金的成分为（质量百分数wt%）为：含Cr：15-35wt%，W：8.0-50wt%，Mo：2.0-25wt%，V：0.5-3.0wt%，Ti：0.5-4.0wt%，Ni：4.0-20wt%，C：1.0-6.0wt%，N：0.2-1.5wt%,Mn:1.0-15wt%，Si≤2.0wt%，S≤0.03wt%，P≤0.03wt%，余为Fe。

该合金按成分要求配料，用感应炉熔炼，高压氮气雾化制粉，制得复合碳化物碳氮化物合金粉末。合金成分设计中，Cr，W，Mo，V，Ti均为碳化物碳氮化物形成金属元素，在合金中随其含量以及含C量的不同，可形成MC型碳化物、M2C型、M23C6型、M7C3型碳化物以及碳氮化物（M为金属元素，C为碳和/或氮），几种元素适量配合可保证形成多种碳化物和碳氮化物，且拟制容易产生裂纹的网状共晶碳化物的形成。Ti和V的碳化物及碳氮化物有阻止晶粒长大的作用，从而也有防止产生裂纹的作用。在激光熔敷过程中，能量密度高的激光束的快速加热，合金中的高熔点碳化物、碳氮化物未来得及熔化，在随后的快速凝固过程中起到分散的晶核的作用，减少凝固收缩，减少热裂纹。合理的选择激光参数，包括：功率、光斑、离焦距，激光扫描速度（即激光束移动速度），调控熔池存在的时间，减少熔深、减少基体金属的熔化、减小热影响区，减少热应力。保证得到激光熔敷无裂纹高硬度耐磨耐蚀的复合碳化物碳氮化物合金涂层。

附图说明：附图1给出以装于“机器人”臂上的IPG光纤激光头进行激光熔敷照片；附图2给出作为具体实施方式，有激光熔敷该类碳化物碳氮化物合金层的特殊刀具照片；附图3给出作为具体实施方式，有激光熔敷该类碳化物碳氮化物合金层的特殊刀具照片。

具体实施方式：特种成型刀具的要求耐磨损的部位要求有高硬度耐磨层，预覆复合碳化物合金粉末，然后用装于机器臂上的IPG光纤激光器激光头（附图1），按编制好的路径程序在工件表面进行激光扫描熔敷，在特种成型刀具要求的部位制得无裂纹的激光熔敷复合碳化物、碳氮化物合金涂层。附图2、3给出该类特殊成型刀具的照片。