一种复合钢板及基于超声震荡辅助激光熔覆后选择诱导形核制备复合钢板的方法与流程

本发明属于复合钢板制备
技术领域：
，尤其涉及一种复合钢板及基于超声震荡辅助激光熔覆后选择诱导形核制备复合钢板的方法。
背景技术：
：复合钢板是指两种以上钢材复合而成的钢板，因同时具有不同钢种的特性而具有广泛的应用前景。常规复合钢板的制造方法为爆炸焊接或金属熔覆等方式，爆炸焊接容易使基材受损，且爆炸过程存在一定的危险因素和污染。常规复合钢板的制造方法在复合过程中容易因交界处过热而产生m23c6脆化相，导致复合界面复合不紧密；基材产生过热现象还容易使融合线处基材晶粒粗大、组织老化、强度和韧性降低；因覆材和基材存在成分差异，导致覆材与基材因金属融合性不好而存在覆层脱落的风险；由于覆材和基材两侧热胀系数差异大，又无明显融合过渡区域，导致其易在高温使用环境下失效，这些因素都容易导致复合钢板交界处界面出现脱开的问题。常规复合方式除存在上述缺陷外，其质量还受到基材钢板表面加工粗糙度、复合过程熔敷和爆炸过程热输入大小和冷却过程的诸多因素影响，导致复合交界处易产生失效问题，限制了复合钢板性能的进一步提升。近些年大面积激光熔覆方式引入复合钢板制造领域，激光熔覆属于表面增材制造范畴，虽然能够实现钢板表面材质的转变，但仍属于异种钢连接过程。激光熔覆常规的诱导形核剂pt和pd均为贵金属，成本高；因元素稳定性较好，不易增加周围液相区的形核动力；另外其润湿性较差，与待形核铁素体基体晶格结构差异过大，不易形核。同时诱导形核剂的添加过程为纳米级粉末注入熔池，不能够保证熔池中添加形核剂后弥散的均匀性，如形核不均匀，容易在冷却过程中出现孔洞和开裂，导致熔覆层性能不均匀和失效风险。技术实现要素：为解决现有复合钢板容易出现交界处界面脱开、失效的问题，本发明提供了一种复合钢板及基于超声震荡辅助激光熔覆后选择诱导形核制备复合钢板的方法。本发明的技术方案：一种基于超声震荡辅助激光熔覆后选择诱导形核制备复合钢板的方法，以铁素体不锈钢为基材，惰性气体保护下采用激光熔覆设备对基材表面进行激光熔覆，在超声振荡条件下向激光熔覆所得铁素体不锈钢表层熔池区域添加诱导形核剂，控制表层熔池区域过冷度△t＝-85℃，然后使表层熔池区域在诱导形核剂作用下形核并生成奥氏体相，表层熔池凝固后获得以铁素体不锈钢为基层、含有奥氏体相的不锈钢为覆层的复合钢板。进一步的，通过控制形核剂添加量控制奥氏体形核转变量，获得的含有奥氏体相的不锈钢覆层中奥氏体相占比为50～100％。进一步的，通过控制形核剂添加量控制奥氏体形核转变量，获得的含有奥氏体相的不锈钢覆层中奥氏体相占比为50％。进一步的，通过控制形核剂添加量控制奥氏体形核转变量，获得的含有奥氏体相的不锈钢覆层中奥氏体相占比为100％。进一步的，所述激光熔覆的参数为光纤激光器发射波长范围1070～1090mm、激光功率3000w、扫描速度10mm/s、光斑直径2mm。进一步的，所述超声振荡频率为20～50khz。进一步的，所述惰性气体的气体流量为1.2l/min。进一步的，所述铁素体不锈钢为tp430、tp431或tp439铁素体不锈钢。进一步的，所述诱导形核剂为fe50ni50镍基粉末，其粒径为50～100nm。进一步的，所述诱导形核剂fe50ni50镍基粉末的添加量为每1kg铁素体不锈钢基材添加0.06～0.14kg。进一步的，为满足待形成覆层钢种牌号的成分值，在添加诱导形核剂fe50ni50镍基粉末的同时向熔池区添加所需成分元素的粉末。一种本发明所述基于超声震荡辅助激光熔覆后选择诱导形核制备复合钢板的方法制备的复合钢板。进一步的，所述复合钢板的基层为铁素体不锈钢，覆层为奥氏体相和铁素体相各占50％的双相不锈钢。进一步的，所述复合钢板的基层为铁素体不锈钢，覆层为奥氏体相占比为100％的奥氏体不锈钢。本发明的有益效果：本发明与常规异种钢激光熔覆方式不同，通过选择诱导形核改进基材表层奥氏体相的占比，获得以铁素体不锈钢为基层、含有奥氏体相的不锈钢为覆层的复合钢板。本发明属于本体改性，熔池也在本体的表层区域内产生，不属于异种钢连接过程，避免了连接处的开脱问题和失效风险。本发明通过熔池超声震荡使诱导形核剂弥散的更加均匀，同时加速激光熔覆层气泡的溢出，防止覆层和连接处出现孔洞和裂纹缺陷，进一步提高了复合钢板的性能，提升了复合钢板的抗覆层开裂能力、覆层抗剪切应力能力、抗冲击应力能力，并通过组织均匀化，提升了复合钢板的持久服役的能力。附图说明图1为实施例3制备的复合钢板覆层的金相照片；图2为实施例4制备的复合钢板覆层的金相照片。具体实施方式下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置，若未特别指明，本发明实施例中所用的原料等均可市售获得；若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。实施例1本实施例提供了一种基于超声震荡辅助激光熔覆后选择诱导形核制备复合钢板的方法，以tp430、tp431或tp439铁素体不锈钢为基材，在气体流量为1.2l/min的氩气保护下采用激光熔覆设备对基材表面进行激光熔覆，激光熔覆的具体参数为光纤激光器发射波长范围1070～1090mm、激光功率3000w、扫描速度10mm/s、光斑直径2mm。在振荡频率为20～50khz的超声振荡条件下向激光熔覆所得铁素体不锈钢表层熔池区域添加粒径为50～100nm的诱导形核剂fe50ni50镍基粉末，每1kgtp430铁素体不锈钢基材添加0.06～0.14kgfe50ni50镍基粉末，然后控制表层熔池区域瞬时降温85℃，使表层熔池区域在诱导形核剂作用下形核并生成奥氏体相，表层熔池凝固后获得以铁素体不锈钢为基层、奥氏体相占比为50～100％的不锈钢为覆层的复合钢板。本实施例中fe50ni50镍基粉末为试制粉末，由石家庄利德粉末材料有限责任公司试制。本实施例通过激光熔融后即时喷射的形式在熔池中添加诱导形核剂，通过形核诱导完成基体表层析出定向相组成，并且能够通过控制形核剂添加量控制奥氏体形核转变量，从而实现表层区域得到指定的相组成，获得含有奥氏体相的不锈钢覆层。本实施例使用的诱导形核剂为纳米级含镍粉末，对形核具有良好的润湿性及活性，能够增加周围液相形核驱动力，同时能够补充基体中奥氏体形核所需的ni元素。常规激光熔覆的熔池在20s内冷却，但缓冷过程不利于诱导形核过程的奥氏体转变，容易得到近于平衡的珠光体组织，不满足形核要求。本实施例的形核过程控制过冷度在-85℃时，过冷度较大导致冷却速度较快，产生过冷奥氏体转变，在较快冷却速度中，碳原子尚可扩散，铁原子不能扩散，形成奥氏体相区。同时通过超声震荡方式，加速形核剂的弥散均匀和熔池气泡溢出，克服了爆炸焊接和金属熔敷可能存在的复合交界处的气孔、裂纹等缺陷及生产过程的人为因素影响，大大降低复合钢板运行过程的失效风险，一举多得。实施例2本实施例提供了一种基于超声震荡辅助激光熔覆后选择诱导形核制备复合钢板的方法，以tp430、tp431或tp439铁素体不锈钢为基材，在气体流量为1.2l/min的氩气保护下采用激光熔覆设备对基材表面进行激光熔覆，激光熔覆的具体参数为光纤激光器发射波长范围1070～1090mm、激光功率3000w、扫描速度10mm/s、光斑直径2mm。在振荡频率为20～50khz的超声振荡条件下向激光熔覆所得铁素体不锈钢表层熔池区域添加粒径为50～100nm的诱导形核剂fe50ni50镍基粉末，每1kgtp430铁素体不锈钢基材添加0.06～0.14kgfe50ni50镍基粉末，为满足待形成覆层钢种牌号的成分值，在添加诱导形核剂fe50ni50镍基粉末的同时向熔池区添加所需成分元素的粉末，然后控制表层熔池区域瞬时降温85℃，使表层熔池区域在诱导形核剂作用下形核并生成奥氏体相，表层熔池凝固后获得以铁素体不锈钢为基层、奥氏体相占比为50～100％的不锈钢为覆层的复合钢板。本实施例中fe50ni50镍基粉末为试制粉末，由石家庄利德粉末材料有限责任公司试制。本实施例中各牌号钢种成分百分含量如表1所示。表1牌号csimnpscrnimontp430≤0.071.001.000.0400.03017.0～19.0≤0.50—0.0432205≤0.030≤1.00≤2.00≤0.030≤0.02022.0～23.04.5～6.53.0～3.50.14～0.20tp316l≤0.035≤1.00≤2.00≤0.045≤0.03016.0～18.010.0～14.02.00～3.00—tp431≤0.201.001.000.0400.03015.0～17.01.50-2.50——为满足待形成牌号的成分含量，在添加诱导形核剂fe50ni50镍基粉末的同时向熔池区添加所需成分元素的粉末，通过送粉器进行实时送粉实现，最终确保通过诱导形核。实施例3本实施例提供了一种基层为tp430铁素体不锈钢，覆层为奥氏体相和铁素体相各占50％的32205双相不锈钢的复合钢板及其制备方法。以tp430铁素体不锈钢为基材，在气体流量为1.2l/min的氩气保护下采用激光熔覆设备对基材表面进行激光熔覆，激光熔覆的具体参数为光纤激光器发射波长范围1070～1090mm、激光功率3000w、扫描速度10mm/s、光斑直径2mm。在振荡频率为20khz的超声振荡条件下向激光熔覆所得铁素体不锈钢表层熔池区域添加粒径为50～100nm的诱导形核剂fe50ni50镍基粉末，每1kgtp430铁素体不锈钢基材添加0.06kgfe50ni50镍基粉末，然后控制表层熔池区域瞬时降温85℃，使表层熔池区域在诱导形核剂作用下形核并生成奥氏体相，表层熔池凝固后获得以铁素体不锈钢为基层、奥氏体相和铁素体相各占50％的32205双相不锈钢为覆层的复合钢板。本实施例中fe50ni50镍基粉末为试制粉末，由石家庄利德粉末材料有限责任公司试制。鉴于铁素体向奥氏体的转变主要基于基体中ni元素含量，因为ni元素是从铁素体中扩大奥氏体相区的元素。鉴于两种钢密度近似一致，排除其他元素添加的重量误差，确定诱导形核剂的添加量，当诱导形核剂的ni达到意向钢种时，ni含量即达到扩大奥氏体相区目的。图1为本实施例制备的复合钢板覆层的金相照片，覆层中含有tp430铁素体基体，黑色颗粒则为新诱导形核的奥氏体。实施例4本实施例提供了一种基层为tp430铁素体不锈钢，覆层为奥氏体相占比为100％的316l奥氏体不锈钢的复合钢板及其制备方法。本实施例提供了一种基于超声震荡辅助激光熔覆后选择诱导形核制备复合钢板的方法，以tp430铁素体不锈钢为基材，在气体流量为1.2l/min的氩气保护下采用激光熔覆设备对基材表面进行激光熔覆，激光熔覆的具体参数为光纤激光器发射波长范围1070～1090mm、激光功率3000w、扫描速度10mm/s、光斑直径2mm。在振荡频率为50khz的超声振荡条件下向激光熔覆所得铁素体不锈钢表层熔池区域添加粒径为50～100nm的诱导形核剂fe50ni50镍基粉末，每1kgtp430铁素体不锈钢基材添加0.14kgfe50ni50镍基粉末，然后控制表层熔池区域瞬时降温85℃，使表层熔池区域在诱导形核剂作用下形核并生成奥氏体相，表层熔池凝固后获得以铁素体不锈钢为基层、奥氏体相占比为100％的316l奥氏体不锈钢为覆层的复合钢板。本实施例中fe50ni50镍基粉末为试制粉末，由石家庄利德粉末材料有限责任公司试制。图2为本实施例制备的复合钢板覆层的金相照片，可见随着诱导形核剂添加量的增加，覆层为纯316l奥氏体不锈钢。实施例5本实施例提供了一种基层为tp431铁素体不锈钢，覆层为奥氏体相和铁素体相各占50％的32205双相不锈钢的复合钢板及其制备方法。本实施例提供了一种基于超声震荡辅助激光熔覆后选择诱导形核制备复合钢板的方法，以tp431铁素体不锈钢为基材，在气体流量为1.2l/min的氩气保护下采用激光熔覆设备对基材表面进行激光熔覆，激光熔覆的具体参数为光纤激光器发射波长范围1070～1090mm、激光功率3000w、扫描速度10mm/s、光斑直径2mm。在振荡频率为50khz的超声振荡条件下向激光熔覆所得铁素体不锈钢表层熔池区域添加粒径为50～100nm的诱导形核剂fe50ni50镍基粉末，每1kgtp431铁素体不锈钢基材添加0.06kgfe50ni50镍基粉末，同时单独添加差量元素cr、mo和n，通过送粉器进行实时送粉实现，由于需添加的cr和ni元素均为2％，即保证cr粉末与fe50ni50镍基粉末的重量添加比例为1:2即可。mo元素通过单独添加，n元素通过crn或mon进行添加，然后控制表层熔池区域瞬时降温85℃，使表层熔池区域在诱导形核剂作用下形核并生成奥氏体相，表层熔池凝固后获得以铁素体不锈钢为基层、奥氏体相和铁素体相各占50％的32205双相不锈钢为覆层的复合钢板。本实施例中fe50ni50镍基粉末为试制粉末，由石家庄利德粉末材料有限责任公司试制。本实施例添加的cr粉末、mo粉末、crn或mon粉末纯度均为99.999％，粒径均为50～150μm。实施例6本实施例提供了一种基层为tp431铁素体不锈钢，覆层为奥氏体相占比为100％的316l奥氏体不锈钢的复合钢板及其制备方法。本实施例提供了一种基于超声震荡辅助激光熔覆后选择诱导形核制备复合钢板的方法，以tp430铁素体不锈钢为基材，在气体流量为1.2l/min的氩气保护下采用激光熔覆设备对基材表面进行激光熔覆，激光熔覆的具体参数为光纤激光器发射波长范围1070～1090mm、激光功率3000w、扫描速度10mm/s、光斑直径2mm。在振荡频率为50khz的超声振荡条件下向激光熔覆所得铁素体不锈钢表层熔池区域添加粒径为50～100nm的诱导形核剂fe50ni50镍基粉末，每1kgtp430铁素体不锈钢基材添加0.14kgfe50ni50镍基粉末，同时单独添加差量元素cr即可，通过送粉器进行实时送粉实现，由于需添加的cr元素为1％，需添加ni元素为10％，即保证cr粉末与fe50ni50镍基粉末的重量添加比例为5:1即可，然后控制表层熔池区域瞬时降温85℃，使表层熔池区域在诱导形核剂作用下形核并生成奥氏体相，表层熔池凝固后获得以铁素体不锈钢为基层、奥氏体相占比为100％的316l奥氏体不锈钢为覆层的复合钢板，通过元素添加确保待形成材料的标准成分。本实施例中fe50ni50镍基粉末为试制粉末，由石家庄利德粉末材料有限责任公司试制。本实施例添加的cr粉末纯度为99.999％，粒径为50～150μm。当前第1页12