一種專用于激光修復不銹鋼表面微小裂紋的微納米復合粉末的制作方法

本發明屬于激光修復技術領域，特別是指一種專用于激光修復不銹鋼表面微小裂紋的微納米復合粉末。

背景技術：

由于不銹鋼高強度和優異力學性能的特點，其被廣泛的用于生產各種設備和部件。然而，在制造或工件服役的過程中，微裂紋將不可避免地產生，而且微裂紋是結構部件失效的主要原因之一。裂紋的萌生和擴展降低了工件的使用壽命，甚至可能帶來不可預知的災難性風險。如果將失效的工件直接廢棄，這將造成巨大的經濟損失和資源浪費，相比之下，修復是最經濟和環保的方式。

通常，鐵基、鎳基和鈷基粉末主要用于激光修復鋼或類似其他的材料。但是傳統的復合粉末在修復的過程中也有出現一些缺陷，比如修復層中出現孔隙和裂縫等等。甚至修復層和基體的結合面融合性差導致出現縫隙，為裂紋的擴展提供了一個方便的路徑。目前，沒有專用于激光修復的金屬粉末使修復層表現出令人滿意的致密化程度，也沒有專用于激光修復的金屬粉末來提高斷裂性能，尤其是對不銹鋼零件。

因此，我們有必要提供一種復合粉末用于激光修復不銹鋼的表面上的微裂紋，以實現修復層與基體結合緊密，提高修復層中致密化程度，達到高強度、強韌性，改善其斷裂性能。

技術實現要素：

為了克服上述激光修復過程中的缺陷，本發明的目的是提供一種微納米復合粉末，用于激光修復不銹鋼表面微裂紋，得到無裂紋的修復層，修復層具有優越的強度和斷裂性能；本發明的另一個目的是獲得冶金結合的界面和含有細小晶粒的修復層。

為了達到上述目的，本發明的技術方案為：

一種專用于激光修復不銹鋼表面微小裂紋的微納米復合粉末，所述的復合粉末包括重量百分比為3％-7％的納米WC，0.5％-2％的納米Al₂O₃，余量為微米級的不銹鋼粉末；所述的不銹鋼粉末包含重量百分比為0.08％的C，0.5％的Si，1.46％的Mn，0.03％的P，0.005％的S，19％的Cr，9.5％的Ni，0.5％的Mo，余量為Fe。

所述納米WC粉末和納米Al₂O₃粉末為近乎完美的球形粒子，Al₂O₃粉末、納米WC粉末和不銹鋼粉末通過機械球磨充分混合，然后利用無水乙醇調和后進一步混合均勻。所述的WC納米粉末，粉末顆粒的粒徑為50-80nm，純度為99.99％；所述的不銹鋼粉末顆粒的粒徑為30-50μm，純度為99.9％，不銹鋼粉末具有與基體融合性好，性能優于基體的特性；所述的納米Al₂O₃粉末顆粒的粒徑為30-50nm，純度為99.99％。

納米WC粉末在激光修復的過程中，由于激光束的高能量會熔解一部分。未熔解的納米WC作為強化顆粒存在于修復層中，起著填充和橋聯的作用，同時阻礙其中晶粒的長大，最終形成均勻細小的晶粒，提高了組織的致密化程度。分解的納米WC顆粒，與其它元素結合，不僅凈化了晶界，還會形成各種碳化物，起到固溶強化的作用。

激光修復試件后，形狀近似球形的納米Al₂O₃粒子彌散分布在微細晶粒之間，均勻地分布在修復層中，起到了彌散強化的作用。同時細小的納米Al₂O₃顆粒的添加也提高了成核濃度，加快了激光修復層中晶粒細化和組織致密化的進程。細小晶粒使單位體積內有更多的晶界總面積，有助于提高材料的力學性能。另外納米Al₂O₃顆粒能抑制修復層中裂紋的形成。

不銹鋼粉末成分與基體材料成分相似，增加修復層與基體的親和性，提高修復層與基體冶金結合的強度，使該復合粉末在不銹鋼表面微小裂紋處充分均勻融合。

本發明相比現有技術具有如下優點：

本發明提出的上述成分的復合粉末，特別適用于有高強韌性要求的不銹鋼零件表面微小裂紋的激光修復。利用此復合粉末進行激光修復時，在無需預熱和后續熱處理的條件下即可獲得無裂紋的激光修復涂層，修復了零件中的微小裂紋。激光修復后，復合粉末可與基材充分融合，修復層和基體的界面發生冶金結合，無裂紋、無夾雜；同時修復層中獲得了均勻細小的晶粒組織，各成分均勻分布，提高了修復層的致密性。另外，經過激光修復后，材料的斷裂性能得到提高。

附圖說明

圖1為激光修復不銹鋼試件裂紋尖端處Y方向應變值e_yy分布云圖；

圖2為未修復不銹鋼試件裂紋尖端處Y方向應變值e_yy分布云圖；

圖3為不銹鋼激光修復層與基體的界面圖；

圖4為不銹鋼激光修復層中的晶粒圖。

具體實施方式

下面通過具體實例對本發明作進一步的詳細描述，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

實施例1：按重量百分比計，包含5％的納米WC(50-80nm)，1％的納米Al₂O₃(30-50nm)，余量為微米級的不銹鋼粉末(30–50μm)。其中不銹鋼粉末中，含有0.08％的C，0.5％的Si，1.46％的Mn，0.03％的P，0.005％的S，19％的Cr，9.5％的Ni，0.5％的Mo，余量為Fe。采用上述配方，將各種粉末通過機械球磨充分混合，然后利用無水乙醇調和后進一步混合均勻。

在激光修復工藝前，對復合粉末進行溫度為150℃、時間為2h的干燥處理；利用400-2000號的砂紙依次對待修復區域進行打磨，接著用無水乙醇清洗，然后烘干；將配比的復合粉末均勻預置在基體不銹鋼待修復的表面微小裂紋處，預置厚度控制在0.8-1.2mm，保證表面平整、孔隙率低；采用激光技術，修復不銹鋼基體表面微小裂紋，工藝參數為：激光功率1.5-3KW，激光修復時間為1-2s，光斑直徑3.0-5.0mm，離焦量為220-240mm。

經過激光修復后，各個載荷下緊湊拉伸試樣的斷裂參量COD均有所減小，其中20kN的載荷下，激光修復試件與未修復試件裂紋尖端處Y方向應變值e_yy由數字圖像相關軟件測得結果分別如圖1和圖2所示，由圖可知激光修復試件裂紋尖端處Y方向應變值e_yy比未修復試件裂紋尖端處Y方向應變值e_yy要小。經過數字圖像相關分析軟件VIC-2D的計算，試件的斷裂參量COD減小21.9％，表明修復后試件的斷裂性能有所提高。另外，基體與預置在裂紋尖端的復合粉末呈現冶金結合，如圖3所示，結合區無裂紋、氣孔等缺陷；同時如圖4所示，裂紋尖端修復層的晶粒得到細化，組織的致密性得到顯著地提高。

實施例2：按重量百分比計，包含3％的納米WC(50-80nm)，2％的納米Al₂O₃(30-50nm)，余量為微米級的不銹鋼粉末(30–50μm)。其中不銹鋼粉末中，含有0.08％的C，0.5％的Si，1.46％的Mn，0.03％的P，0.005％的S，19％的Cr，9.5％的Ni，0.5％的Mo，余量為Fe。采用上述配方，將各種粉末通過機械球磨充分混合，然后利用無水乙醇調和后進一步混合均勻。激光修復裂紋方法同實施例1。修復后界面呈現冶金結合；修復層中的晶粒得到細化，組織的致密性得到提高；在20kN的載荷下，試件的斷裂參量COD減小19.3％，斷裂性能提高。

實施例3：按重量百分比計，包含7％的納米WC(50-80nm)，0.5％的納米Al₂O₃(30-50nm)，余量為微米級的不銹鋼粉末(30–50μm)。其中不銹鋼粉末中，含有0.08％的C，0.5％的Si，1.46％的Mn，0.03％的P，0.005％的S，19％的Cr，9.5％的Ni，0.5％的Mo，余量為Fe。采用上述配方，將各種粉末通過機械球磨充分混合，然后利用無水乙醇調和后進一步混合均勻。激光修復裂紋方法同實施例1。修復后界面呈現冶金結合；修復層中的晶粒得到細化，組織的致密性得到提高；在20kN的載荷下，試件的斷裂參量COD減小18.6％，斷裂性能提高。