激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层及其制备方法

摘要

本发明公开了一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层及其制备方法，其制备方法包括以下步骤：将铁基合金粉末、钛和钒混合并干燥得到铁基复合粉末，将得到的铁基复合粉末采用激光辐照原位自生的方法激光熔覆于基材表面，其中，钛含量为铁基复合粉末的1‑3wt%，钒含量为铁基复合粉末的2‑5wt%；本发明还公开了一种通过上述方法得到的熔覆层，该方法具有成本更低，且可以显著提高铁基合金的表面硬度和耐磨损性能的优点，得到的熔覆层具有表面硬度和耐磨损性能更优的优点。

权利要求

1.一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将铁基合金粉末、钛添加物和钒添加物混合并干燥得到铁基复合粉末，将得到的铁基复合粉末采用激光辐照原位自生的方法，使铁基复合粉末激光熔覆于基材表面；

其中，钒含量为铁基复合粉末的1‑3wt%，钛含量为铁基复合粉末的2‑5wt%，铁基合金粉末各元素质量百分比为C：0.7‑1%，Cr：17‑20%，Ni：4‑5%，Mn：≤1%，Mo：1‑2%，B：1‑2%，Si：≤

1%，Nb：2‑3%，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的制备方法，其特征在于， 所述铁基合金粉末各元素质量百分比为C：0.7‑1%，Cr：17‑20%，Ni：4‑5%，Mn：0.5‑1%，Mo：1‑2%，B：1‑2%，Si：0.5‑1%，Nb：2‑3%，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的制备方法，其特征在于，所述铁基合金粉末的粒度范围为40‑100μm，平均粒度D50为50‑70μm，流动性为30‑40s/100g，氧含量≤300ppm。

4.根据权利要求1所述的一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的制备方法，其特征在于，铁基复合粉末通过以下方式获得：将铁基合金粉末、钛和钒混合均匀后在

70‑100℃下加热1.5‑2.5h，烘干得到。

5.根据权利要求1所述的一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的制备方法，其特征在于，所述钒添加物选用钒粉或钒含量为40wt%的钒铁粉。

6.根据权利要求1所述的一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的制备方法，其特征在于，所述钛添加物选用钛粉或钛含量为30wt%的钛铁粉。

7.根据权利要求1所述的一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的制备方法，其特征在于，基材进行基材预处理后进行激光熔覆，基材预处理操作为：将基材表面用角磨机打磨并用丙酮清洗。

8.根据权利要求1所述的一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的制备方法，其特征在于，激光熔覆工艺参数为：激光功率为1600‑3000W，扫描速度为6‑10mm/s，光斑直径为2.5‑5mm，送粉率为15‑25g/min。

9.根据权利要求1所述的一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的制备方法，其特征在于，激光熔覆过程中搭接率为30%‑70%，采用氩气作为保护气，氩气流量为2‑

10L/min。

10.一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层，其特征在于，由权利要求1‑9中任意一项制备方法得到。

说明书

激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光熔覆的技术领域，更具体地说，它涉及一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层及其制备方法。

背景技术

[0002] 激光表面改性是20世纪70年代发展起来的高新技术，它利用激光的高辐射强度、高方向性、高单色性特点作用于构件表面，使材料的表面性能得到提高。激光熔覆是激光表
面改性的一种，其原理是通过配制的合金粉末的激光融化，使之成为熔覆层的主体合金，同
时用高能激光束辐照金属表面，熔化一薄层基体金属，使金属基体表面薄层和熔覆合金一
起快速熔化、反应、凝固形成具有特殊性能如高硬度、耐磨耐蚀等熔覆层。因激光熔覆对基
体热变形小、熔覆层与基体为冶金结合、易实现自动化生产等特点而受到广泛关注，并已经
在诸多工业领域获得应用。

[0003] 铁基合金具有成本低廉，力学性能好，机加工和焊接性能好，耐腐蚀等一系列优点，用途广泛。铁基合金作为熔覆材料与钢铁材料表面结合强度高，因此常被用于表面防护
和表面修复领域。但是铁基合金的硬度和耐磨性有待提高。为了适应社会不断发展对材料
性能要求的逐渐提高，特别是在机械设备摩擦磨损工况条件下，向铁基合金中添加硬质微
粒是提高硬度和耐磨性的重要方法，陶瓷颗粒因其高硬度、高熔点，良好的热稳定性等优点
常被用作激光熔覆铁基合金熔覆层的增强相来强化涂层性能。增强相的添加方式主要有两
种，分别是外加增强相法和原位自生法。

[0004] 人工外加增强相法简单方便，便于调控增强相的含量，但是也存在不可避免的缺陷：首先，无法保证增强相颗粒在制备、包装、运输、添加的过程中不受污染，容易在涂层中
引进杂质，导致增强相颗粒与基体的结合界面结合不佳，甚至容易引发界面裂纹的产生，达
不到预期的强化效果；其次，难以控制增强相颗粒与涂层粉末充分均匀地混合，这主要由粉
末粒度不同和粉末密度存在差异所致，由此将会产生增强相颗粒在涂层中分布不均的现
象，强化效果大打折扣。而原位自生法是，通过合理配置强化层的化学成分，在强化层制备
形成的过程中通过化学反应，原位自生出强化层中原本没有的增强相颗粒，相较于外加增
强相法，原位自生法的增强相是从合金熔体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强
相表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高，通过选择合适的成分
和工艺，可以实现对增强相种类、大小、数量甚至分布情况进行调控；工艺简单且成本较低，
易于推广应用等优势具有广阔的应用空间。

[0005] 如授权公告号为CN108339976B的中国专利公开了一种激光熔覆原位自生碳化钒增强铁基合金用粉料及制备方法，通过真空雾化法制备的合金粉料各元素质量百分比为C 
4.00％～4.40％，V 16.00％～18.00％，Cr 8.00％～10.00％，Si 0.90％～1.30％，Mo 
1.00％～2.00％，Mn 0.90％～1.20％，Ni 0.40％～0.70％，Al 0.30％～0.50％，P和S的总
质量分数≤0.03％，O≤300ppm，其余为Fe。采用CO2激光加工系统同步送粉方式将合金粉末
激光熔覆于低碳合金钢基材表面，熔覆层粉末吸收激光能量在基材表面形成熔池，熔池中
的C元素和V元素发生反应生成原位自生V8C7陶瓷增强相，同时，熔覆层与基材形成良好的冶
金结合。制备原位自生V8C7颗粒增强铁基合金激光熔覆层，可显著提高低合金钢构件表面的
硬度及耐磨性，但是该种方法的陶瓷颗粒硬质相为VC，钒的成本较高，需要提供一种成本更
低、同时还可以提高铁基合金的表面硬度和耐磨损性能的方法。

发明内容

[0006] 针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的制备方法，其具有成本更低，且可以显著提高铁基合金的表
面硬度和耐磨损性能的优点。

[0007] 本发明的第二个目的在于提供一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层，其具有表面硬度和耐磨损性能更优的优点。

[0008] 为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的制备方法，包括以下步骤：

[0009] 将铁基合金粉末、钛添加物和钒添加物混合并干燥得到铁基复合粉末，将得到的铁基复合粉末采用激光辐照原位自生的方法，使铁基复合粉末激光熔覆于基材表面，其中，
钛含量为铁基复合粉末的1‑3wt％，钒含量为铁基复合粉末的2‑5wt％，铁基合金粉末各元
素质量百分比为C：0.7‑1％，Cr：17‑20％，Ni：4‑5％，Mn：≤1％，Mo：1‑2％，B：1‑2％，Si：≤
1％，Nb：2‑3％，余量为Fe。

[0010] 通过采用上述技术方案，本发明采用激光辐照原位自生的方法，通使铁基复合粉末在基材表面吸收激光束辐照能量形成熔池，熔池中的Ti、V元素和C发生反应原位生成大
量细小弥散的TiC和VC颗粒，同时熔覆层与基材形成良好的冶金结合，熔覆层显微硬度值达
800Hv以上，同时具有良好的耐磨性能，且钛的加入使得陶瓷颗粒硬质相为TiC和VC，进一步
增强熔覆层的硬度和耐磨性能，同时减小了钒的用量，降低了成本。

[0011] 本发明加入钒和钛，TiC颗粒具有高硬度，高弹性模量，热力学性能稳定，是一种理想的陶瓷增强相，V也是强碳化物形成元素，与碳的反应产物VC具有与TiC相近的性质，而且
它对钢基材具有更好的润湿性，且TiC和VC与铁基合金润湿性较好，界面结合强度高，采用
激光熔覆原位自生的方法形成陶瓷颗粒硬质相TiC和VC，原位自生的TiC和VC颗粒是从金属
熔体中直接形核、长大，热力学性质稳定，与基材的界面结合强度较高，不易产生裂纹，且增
强相表面无污染，纯净度较高，且增强相不易出现团聚或偏析，反应生成的颗粒尺寸细小且
相对弥散。此外，且TiC和VC均为面心立方结构，且其晶格常数接近，具有良好的相容性，细
小的TiC和VC颗粒在熔池凝固过程中极易相互结合依附成长形成复合碳化物增强体，更有
利于增强相的生成，从而对铁基合金的表面硬度和耐磨性能的提升具有非常显著的效果。

[0012] 此外，本发明提供特定比例体系的铁基合金粉末具有良好耐蚀性，通过加入钛和钒原位自生颗粒增强后，同时具有很好的耐磨性，且本发明中钒和钛复合加入时，钛能够促
使其他碳化物稳定元素与碳反应以碳化物的形式析出，使得最终熔覆层中碳化物数量多，
同时，钒的加入可以起到细化晶粒的效果，使得最终熔覆层中碳化物数量多，且晶粒细小，
更重要的是，钛和钒复合加入的时候，两种碳化物会在一定程度上起到互相抑制长大的效
果，阻碍晶界的迁移，从而使得生成的碳化物更加细小，最终熔覆层晶粒细小，碳化物较细，
硬度和耐磨性提高。最终，将该体系铁基合金粉末与特定比例的钒和钛组合得到的铁基复
合粉末，用于本发明提供的激光熔覆工艺中原位自生TiC和VC，得到的熔覆层碳化物形态、
分布以及数量最优，熔覆层的硬度和耐磨性能得到明显提高，且熔覆层无气孔裂纹，熔覆性
能好。

[0013] 本发明在以钒和钛原料原位自生形成TiC和VC增强相基础上，通过对铁基合金粉末、钛和钒的比例控制，最终得到的熔覆层组织致密、无气孔、裂纹等缺陷，与基材呈现良好
的冶金结合，原位自生的TiC和VC颗粒细小弥散。本发明的激光熔覆原位自生碳化物颗粒增
强铁基熔覆层的制备工艺简单、操作方便、易于实现自动化、无污染等优点，且熔覆不需要
在真空条件下进行，工件尺寸不受限制，因此可用于复杂表面的修复，在材料表面改性上具
有显著的经济和社会效益。

[0014] 本发明进一步设置为：所述铁基合金粉末各元素质量百分比为C：0.7‑1％，Cr：17‑20％，Ni：4‑5％，Mn：0.5‑1％，Mo：1‑2％，B：1‑2％，Si：0.5‑1％，Nb：2‑3％，余量为Fe。

[0015] 本发明进一步设置为：所述铁基复合粉末的粒度范围为40‑100μm，平均粒度D50为50‑70μm，流动性为30‑40s/100g，氧含量≤300ppm。

[0016] 通过采用上述技术方案，通过对铁基复合粉末粒度和流动性的控制，提高熔覆工艺的成功率，通过对氧含量的控制，使得熔覆层性能最佳，硬度和耐磨性能提高，且熔覆层
不会产生裂纹、气孔，熔覆层组织均匀。

[0017] 本发明进一步设置为：铁基复合粉末通过以下方式获得：将铁基合金粉末、钛和钒混合均匀后在70‑100℃下加热1.5‑2.5h，烘干得到。

[0018] 本发明进一步设置为：所述钒添加物选用为钒粉或钒铁粉，优选为钒含量为40％的钒铁粉。

[0019] 本发明进一步设置为：所述钛添加物选用为钛粉或钛铁粉，优选为钛含量为30％的钛铁粉。

[0020] 通过采用上述技术方案，如此设置可以提供特定比例的钒和钛，提高熔覆层的硬度和耐磨性，此外，纯钛粉或纯钒粉相较于钒铁粉和钛铁粉，虽然最终添加的钒含量和钛含
量相同，但是钒铁粉和钛铁粉的价格远低于纯钛粉或纯钒粉。

[0021] 本发明进一步设置为：基材进行基材预处理后进行激光熔覆，基材预处理操作为：将基材表面用角磨机打磨并用丙酮清洗。

[0022] 本发明进一步设置为：激光熔覆工艺参数为：激光功率为1600‑3000W，扫描速度为6‑10mm/s，光斑直径为2.5‑5mm，送粉率为15‑25g/min。

[0023] 本发明进一步设置为：激光熔覆过程中搭接率为30％‑70％，采用氩气作为保护气，氩气流量为2‑10L/min。

[0024] 通过采用上述技术方案，通过对激光熔覆过程中工艺参数的控制，尤其是激光功率、扫描速度和送粉率以及光斑直径的控制，最终得到宏观形貌、微观组织以及力学性能均
符合要求的熔覆层。

[0025] 为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层，由上述方法制备得到。

[0026] 通过采用上述技术方案，金属铁资源丰富、价格低廉、应用广泛，本发明中以铁基合金为熔覆层基本相，碳化钛和碳化钒为增强相，通过本发明提供的方法得到的熔覆层组
织致密、无气孔、裂纹等缺陷，与基材呈现良好的冶金结合，对铁基合金的表面硬度和耐磨
性能的提升具有非常显著的效果。

[0027] 综上所述，本发明具有以下有益效果：

[0028] 1、本发明采用激光辐照原位自生的方法，铁基复合粉末在基材表面吸收激光束辐照能量形成熔池，熔池中的Ti、V元素和C发生反应原位生成大量细小弥散的TiC和VC颗粒，
同时熔覆层与基材形成良好的冶金结合，熔覆层显微硬度值达800Hv以上，同时具有良好的
耐磨性能，且钛的加入使得陶瓷颗粒硬质相为TiC和VC，进一步增强熔覆层的硬度和耐磨性
能，同时减小了钒的用量，降低了成本；

[0029] 2、本发明将特定比例体系铁基合金粉末与特定比例的钒和钛组合得到的铁基复合粉末，用于本发明提供的激光熔覆工艺中原位自生TiC和VC，得到的熔覆层碳化物形态、
分布以及数量最优，原位自生的TiC和VC颗粒细小弥散，得到熔覆层的硬度和耐磨性能得到
明显提高，且熔覆层组织致密、无气孔裂纹，熔覆性能好；

[0030] 3、本发明的激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的制备工艺简单、操作方便、易于实现自动化、无污染等优点，且熔覆不需要在真空条件下进行，工件尺寸不受限
制，因此可用于复杂表面的修复，在材料表面改性上具有显著的经济和社会效益。

附图说明

[0031] 图1是本发明中摩擦磨损试验示意图。

具体实施方式

[0032] 以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

[0033] 针对目前激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层，以铁基合金作为基本相，以TiC和VC为增强相，若是直接加入TiC和VC颗粒在激光熔覆时易出现气孔、裂纹等缺
陷，或是增强相与熔覆层润湿性差，增强相发生团聚等问题，导致熔覆层易剥落，力学性能
恶化，影响熔覆层的使用，故选用原位自生的方法得到TiC和VC增强相，并通过大量试验得
到以下技术方案：

[0034] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，包括以下步骤：

[0035] 基材预处理：将基材表面用角磨机打磨并用丙酮清洗，此处的基材可以是低碳钢基材、中碳钢基材或高碳钢基材，以下实施例中以45#钢基材为例进行阐述；

[0036] 铁基复合粉末的制备：将通过真空气雾化制得的铁基合金粉末、钒添加物和钛添加物在混料机中混合90‑150min，混合均匀后在70‑100℃下加热1.5‑2.5h，烘干得到铁基复
合粉末，铁基复合粉末的粒度范围为40‑100μm，平均粒度D50为50‑70μm，流动性为30‑40s/
100g，氧含量≤300ppm；

[0037] 其中，钒含量为铁基复合粉末的1‑3wt％，钛含量为铁基复合粉末的2‑5wt％，钒添加物可以是钒粉也可以是钒铁粉，此处的钒铁粉可以是钒含量为40％的钒铁粉，也可以是
其它钒含量的钒铁粉，只需要控制铁基复合粉末中钒含量为1‑3wt％即可，优选为粒径为
40‑100μm的钒粉或钒铁粉，更加优选为粒径为40‑100μm、钒含量为40％的钒铁粉；同理，钛
添加物可以是钛粉也可以是钛铁粉，优选为粒径为40‑100μm的钛粉或钛铁粉，此处的钛铁
粉可以是钒含量为30％的钛铁粉，也可以是其它钛含量的钛铁粉，只需要控制铁基复合粉
末中钛含量为2‑5wt％即可，更加优选为粒径为40‑100μm、钛含量为30％的钛铁粉，如需要
制备100g、钒含量为铁基复合粉末的1wt％的铁基复合粉时，可以添加1g钒粉或2.5g钒含量
为40％的钒铁粉；

[0038] 铁基合金粉末通过真空气雾化制得，制得铁基合金粉末后进行粒度筛分，筛选粒度范围为40‑100μm的铁基合金粉末与粒径为40‑100μm的钒添加物和钛添加物混合，铁基合
金粉末各元素质量百分比为C：0.7‑1％，Cr：17‑20％，Ni：4‑5％，Mn：≤1％，Mo：1‑2％，B：1‑
2％，Si：≤1％，Nb：2‑3％，余量为Fe，更加优选为C：0.7‑1％，Cr：17‑20％，Ni：4‑5％，Mn：
0.5‑1％，Mo：1‑2％，B：1‑2％，Si：0.5‑1％，Nb：2‑3％，余量为Fe；

[0039] 激光熔覆：采用激光辐照原位合成方法，将铁基复合粉末送入同轴送粉器中，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，采用同轴送粉激光熔覆的方式在基材表面制得熔覆层，
激光熔覆使用CO2激光加工系统。激光熔覆工艺参数会影响熔覆层的宏观形貌、微观组织以
及力学性能，影响熔覆层质量的主要参数包括激光功率、扣描速度、送粉率以及光斑直径
等。激光功率增加、扫描速度减小，会使更多粉末熔化，提高结合强度降低开裂倾向，但激光
功率过大、扣描速度过慢会造成部分硬质相合成元素烧损，也会使稀释率增加。送粉率增
大，熔覆层厚度增加，稀释率降低，但裂纹敏感性增加。

[0040] 经过大量实验，得到以下激光熔覆工艺参数，制得符合要求的熔覆层，采用的激光熔覆参数为：采用氩气作为保护气，激光功率为1600‑3000W，扫描速度为6‑10mm/s，光斑直
径为2.5‑5mm，搭接率为30％‑70％，送粉率为15‑25g/min，氩气流量为2‑10L/min。

[0041] 上述铁基合金粉末制备是按照铁基合金成分将金属原材料混合后在真空状态下进行熔炼，获得液态金属，将液态金属气雾化获得铁基合金粉末，真空气雾化的原理是用高
速气流将液态金属流破碎成小液滴并凝固成粉末的过程，为现有技术，铁基合金粉末的制
备为现有技术，本发明中不再详述。

[0042] 实施例1

[0043] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，包括以下步骤：

[0044] 机材预处理：将45#钢基材表面用角磨机打磨并用丙酮清洗，得到平整洁净的表面；

[0045] 铁基复合粉末的制备：通过真空气雾化制得铁基合金粉末并进行粒度筛选，得到铁基合金粉末的粒度范围为40‑100μm，平均粒度D50为65.8μm，流动性为35.5s/100g，氧含
量285ppm，铁基合金粉末的组成和质量分数为：C：0.8％，Cr：17.82％，Ni：4.32％，Mn：
0.54％，Mo：1.33％，B：1.74％，Si：0.77％，Nb：2.51％，余量为Fe；

[0046] 然后将铁基合金粉末、粒径为40‑100μm的钛铁粉和粒径为40‑100μm钒铁粉在混料机中机械混合2h，混合均匀后在80℃下加热2h，烘干得到铁基复合粉末，其中，钛铁粉选用
钛含量为30％的钛铁粉，钒铁粉选用钒含量为40％的钒铁粉，钛铁粉的添加量为铁基复合
粉末质量的10％，钒铁粉的添加量为铁基复合粉末质量的4.3％；

[0047] 激光熔覆：采用激光辐照原位合成方法，将熔覆用铁基复合粉末送入同轴送粉器中，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，采用同轴送粉激光熔覆的方式在基材表面制得
熔覆层，激光熔覆使用CO2激光加工系统，采用的激光熔覆参数为：采用氩气作为保护气，激
光功率为2400W，扫描速度为8mm/s，光斑直径为3.18mm，搭接率为50％，送粉率为20g/min，
氩气流量为3L/min。

[0048] 实施例2

[0049] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于：

[0050] 铁基复合粉末的制备：通过真空气雾化制得铁基合金粉末并进行粒度筛选，筛选得到的铁基合金粉末的粒度范围为40‑100μm，平均粒度D50为68.9μm，流动性为32.3s/
100g，氧含量293ppm，铁基合金粉末的组成和质量分数为：C：0.82％，Cr：17.25％，Ni：
4.89％，Mn：0.66％，Mo：1.61％，B：1.59％，Si：0.72％，Nb：2.12％，余量为Fe；

[0051] 然后将铁基合金粉末、粒径为40‑100μm的钛铁粉和钒铁粉在混料机中机械混合2h，混合均匀后在80℃下加热2h，烘干得到铁基复合粉末，其中，钛铁粉选用钛含量为30％
的钛铁粉，钒铁粉选用钒含量为40％的钒铁粉，钛铁粉的添加量为铁基复合粉末质量的
12％，钒铁粉的添加量为铁基复合粉末质量的2.5％；

[0052] 激光熔覆：采用激光辐照原位合成方法，将熔覆用铁基复合粉末送入同轴送粉器中，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，采用同轴送粉激光熔覆的方式在基材表面制得
熔覆层，激光熔覆使用CO2激光加工系统，采用的激光熔覆参数为：采用氩气作为保护气，激
光功率为2400W，扫描速度为8mm/s，光斑直径为3.18mm，搭接率为50％，送粉率为20g/min，
氩气流量为3L/min。

[0053] 实施例3

[0054] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于，

[0055] 铁基复合粉末的制备：通过真空气雾化制得铁基合金粉末并进行粒度筛选，筛选得到的铁基合金粉末的粒度范围为40‑100μm，平均粒度D50为58.4μm，流动性为36.1s/
100g，氧含量279ppm，铁基合金粉末的组成和质量分数为：C：0.73％，Cr：17.55％，Ni：
4.13％，Mn：0.72％，Mo：1.31％，B：1.67％，Si：0.81％，Nb：2.24％，余量为Fe；

[0056] 然后将铁基合金粉末、粒径为40‑100μm的钛铁粉和钒铁粉在混料机中机械混合2h，混合均匀后在80℃下加热2h，烘干得到铁基复合粉末，其中，钛铁粉选用钛含量为30％
的钛铁粉，钒铁粉选用钒含量为40％的钒铁粉，钛铁粉的添加量为铁基复合粉末质量的
6.7％，钒铁粉的添加量为铁基复合粉末质量的6.3％；

[0057] 激光熔覆：采用激光辐照原位合成方法，将熔覆用铁基复合粉末送入同轴送粉器中，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，采用同轴送粉激光熔覆的方式在基材表面制得
熔覆层，激光熔覆使用CO2激光加工系统，采用的激光熔覆参数为：采用氩气作为保护气，激
光功率为2400W，扫描速度为8mm/s，光斑直径为3.18mm，搭接率为50％，送粉率为20g/min，
氩气流量为3L/min。

[0058] 实施例4

[0059] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，包括以下步骤：

[0060] 机材预处理：将45#钢基材表面用角磨机打磨并用丙酮清洗，得到平整洁净的表面；

[0061] 铁基复合粉末的制备：通过真空气雾化制得铁基合金粉末并进行粒度筛选，筛选得到的铁基合金粉末的粒度范围为40‑100μm，平均粒度D50为63.1μm，流动性为34.6s/
100g，氧含量285ppm，铁基合金粉末的组成和质量分数为：C：0.78％，Cr：17.62％，Ni：
4.56％，Mn：0.78％，Mo：1.55％，B：1.48％，Si：0.79％，Nb：2.36％，余量为Fe；

[0062] 然后将铁基合金粉末、粒径为40‑100μm的钛铁粉和钒铁粉在混料机中机械混合90min，混合均匀后在70℃下加热2.5h，烘干得到铁基复合粉末，其中，钛铁粉选用钛含量为
30％的钛铁粉，钒铁粉选用钒含量为40％的钒铁粉，钛铁粉的添加量为铁基复合粉末质量
的6.7％，钒铁粉的添加量为铁基复合粉末质量的2.5％；

[0063] 激光熔覆：采用激光辐照原位合成方法，将熔覆用铁基复合粉末送入同轴送粉器中，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，采用同轴送粉激光熔覆的方式在基材表面制得
熔覆层，激光熔覆使用CO2激光加工系统，采用的激光熔覆参数为：采用氩气作为保护气，激
光功率为1600W，扫描速度为6mm/s，光斑直径为2.5mm，搭接率为30％，送粉率为15g/min，氩
气流量为2L/min。

[0064] 实施例5

[0065] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，包括以下步骤：

[0066] 机材预处理：将45#钢基材表面用角磨机打磨并用丙酮清洗，得到平整洁净的表面；

[0067] 铁基复合粉末的制备：通过真空气雾化制得铁基合金粉末并进行粒度筛选，筛选得到的铁基合金粉末的粒度范围为40‑100μm，平均粒度D50为67.2μm，流动性为37.8s/
100g，氧含量300ppm，铁基合金粉末的组成和质量分数为：C：0.82％，Cr：17.69％，Ni：
4.71％，Mn：0.83％，Mo：1.62％，B：1.72％，Si：0.83％，Nb：2.61％，余量为Fe；

[0068] 然后将铁基合金粉末、粒径为40‑100μm的钛铁粉和钒铁粉在混料机中机械混合150min，混合均匀后在100℃下加热1.5h，烘干得到铁基复合粉末，其中，钛铁粉选用钛含量
为30％的钛铁粉，钒铁粉选用钒含量为40％的钒铁粉，钛铁粉的添加量为铁基复合粉末质
量的17％，钒铁粉的添加量为铁基复合粉末质量的7.5％；

[0069] 激光熔覆：采用激光辐照原位合成方法，将熔覆用铁基复合粉末送入同轴送粉器中，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，采用同轴送粉激光熔覆的方式在基材表面制得
熔覆层，激光熔覆使用CO2激光加工系统，采用的激光熔覆参数为：采用氩气作为保护气，激
光功率为3000W，扫描速度为10mm/s，光斑直径为5mm，搭接率为70％，送粉率为25g/min，氩
气流量为10L/min。

[0070] 实施例6

[0071] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于：

[0072] 铁基复合粉末的制备：通过真空气雾化制得铁基合金粉末并进行粒度筛选，筛选得到的铁基合金粉末的粒度范围为40‑100μm，平均粒度D50为64.3μm，流动性为37.3s/
100g，氧含量300ppm，铁基合金粉末的组成和质量分数为：C：0.7％，Cr：17％，Ni：4％，Mn：
0.5％，Mo：1％，B：1％，Si：0.5％，Nb：2％，余量为Fe。

[0073] 实施例7

[0074] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于：

[0075] 铁基复合粉末的制备：通过真空气雾化制得铁基合金粉末并进行粒度筛选，筛选得到的铁基合金粉末的粒度范围为40‑100μm，平均粒度D50为68.8μm，流动性为34.1s/
100g，氧含量300ppm，铁基合金粉末的组成和质量分数为：C：1％，Cr：20％，Ni：5％，Mn：1％，
Mo：2％，B：2％，Si：1％，Nb：3％，余量为Fe。

[0076] 实施例8

[0077] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于：铁基复合粉末的制备中，将铁基合金粉末、粒径为40‑100μm的钛粉和
钒粉在混料机中机械混合，钛粉的添加量为铁基复合粉末质量的5％，钒粉的添加量为铁基
复合粉末质量的3％。

[0078] 对比例

[0079] 对比例1

[0080] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，包括以下步骤：

[0081] 通过真空气雾化制得铁基合金粉末，铁基合金粉末的粒度范围为40‑100μm，平均粒度D50为67.7μm，流动性为37.1s/100g，氧含量300ppm，铁基合金粉末的组成和质量分数
为：C：0.8％，Cr：17.82％，Ni：4.32％，Mn：0.54％，Mo：1.33％，B：1.74％，Si：0.77％，Nb：
2.51％，余量为Fe。

[0082] 激光熔覆：采用激光辐照原位合成方法，将熔覆用铁基合金粉末送入同轴送粉器中，在氩气保护下，调节激光熔覆工艺参数，采用同轴送粉激光熔覆的方式在基材表面制得
熔覆层，激光熔覆使用CO2激光加工系统，采用的激光熔覆参数为：采用氩气作为保护气，激
光功率为3000W，扫描速度为10mm/s，光斑直径为5mm，搭接率为70％，送粉率为25g/min，氩
气流量为10L/min。

[0083] 对比例2

[0084] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于，

[0085] 铁基复合粉末的制备：将铁基合金粉末、粒径为40‑100μm的钛铁粉在混料机中机械混合2h，混合均匀后在80℃下加热2h，烘干得到铁基复合粉末，其中，钛铁粉为钛含量为
30％的钛铁粉，钛铁粉的添加量为铁基复合粉末质量的10％。

[0086] 对比例3

[0087] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于，

[0088] 铁基复合粉末的制备：将铁基合金粉末、粒径为40‑100μm的钒铁粉在混料机中机械混合2h，混合均匀后在80℃下加热2h，烘干得到铁基复合粉末，其中，钒铁粉为钒含量为
40％的钒铁粉，钒铁粉的添加量为铁基复合粉末质量的4.3％。

[0089] 对比例4

[0090] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于，

[0091] 制备铁基复合粉末时，钛铁粉的添加量为铁基复合粉末质量的20％，钛铁粉为钛含量为30％的钛铁粉。

[0092] 对比例5

[0093] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于，

[0094] 制备铁基复合粉末时，钛铁粉的添加量为铁基复合粉末质量的3.4％，钛铁粉为钛含量为30％的钛铁粉。

[0095] 对比例6

[0096] 一种激光熔覆原位自生碳化物颗粒增强铁基熔覆层的方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于，钒铁粉的添加量为铁基复合粉末质量的1％，钒铁粉为钒含量为40％
的钒铁粉。

[0097] 性能检测

[0098] 对实施例1‑8和对比例1‑6中得到的激光熔覆层进行硬度值和耐磨性能的检测。

[0099] 硬度值检测方法为：采用HVS‑1000型维氏硬度计测试其显微硬度分布，法向载荷300g，加载时间15s。激光熔覆层界面由表面到基材的方向，每隔100μm测量一个点，为确保
数据的准确性，同一深度测量3个点取平均值作为该深度下的熔覆层显微硬度值，测得的维
氏硬度如下表1所示。

[0100] 表1显微硬度表

[0101]

[0102] 由上表1和表2中可以看出，通过本发明提供的方法得到的熔覆层的硬度和耐磨性能优良。

[0103] 耐磨性能检测方法为：采用MRH‑3W型高速环块摩擦磨损试验机，根据GB/T12444‑2006《金属材料磨损试验方法试环‑试块滑动磨损试验》对熔覆层的耐磨性进行测试，环块
摩擦磨损试验示意如图1所示，测试参数为施加载荷150N，对磨时间60min，转速200r/min。
3
测试样品尺寸为19×12×12mm ，对磨副选择表面洛氏硬度为62.5HRC的GCr15钢，测试前对
样品表面进行机加工处理，保证相近的表面光洁度。测试前后分别对样品进行清洗烘干处
理，而后通过分析天平称重并计算磨损失重(磨损失重＝磨损前重量‑磨损后重量)，分析天
平精度为0.0001g，测量结果如下表2所示。

[0104] 表2耐磨损性能检测

[0105]

[0106] 由上表1和表2中可以看出，通过本发明提供的方法得到的熔覆层的硬度和耐磨性能优良，实施例1中将铁基合金粉末与钛铁粉和钒铁粉混合后用于激光熔覆得到熔覆层，而
对比例1中直接将铁基合金粉末用于激光熔覆得到熔覆层，参考对比例1和实施例1中的检
测结果，可以看到对比例1中熔覆层的硬度远低于实施例1中得到的熔覆层，而对比例1中磨
损失重远高于实施例1中熔覆层，可以看出对比例1中未添加钛和钒得到的熔覆层的硬度和
耐磨损性能远低于实施例1中添加钛和钒后得到的熔覆层；再参考实施例1和对比例2以及
对比例3中的检测数据，可以看出，将铁基合金粉末只与钛铁粉混合或只与钒铁粉混合后熔
覆得到的熔覆层的硬度和耐磨性能均低于将铁基合金粉末与钛铁粉和钒铁粉混合后熔覆
得到的熔覆层；再参考对比例4，可以看出当钛铁粉添加量过多，即铁基复合粉末中钛含量
过高的时候，虽然激光熔覆后硬度明显提升，但是一方面由于碳化物粗大且分布不均，熔覆
层的耐磨性会恶化，另一方面，当钛含量过多的时候，碳化物形态较大，得到的熔覆层也容
易开裂；再参考对比例5，当钛铁粉添加量过少，即铁基复合粉末中钛含量过少的时候，熔覆
层的硬度和耐磨性能远低于实施例中熔覆层的力学性能；参考对比例6中的设置，可以看
出，钒铁粉添加量过低，即铁基复合粉末中钒含量过低时，熔覆层的力学性能低于实施例中
熔覆层，不能起到明显的细化晶粒和颗粒增强的作用。

[0107] 最终铁基复合粉末选用铁基合金粉末、钒和钛混合，钛含量为铁基复合粉末的1‑3wt％，钒含量为铁基复合粉末的2‑5wt％时，得到的熔覆层的组织、力学性能以及熔覆性能
即熔覆成功率最佳。

[0108] 再参考实施例1和实施例8中检测数据，在制备铁基复合粉末的时候，钒和钛的添加形式选用钒粉和钒铁粉以及钛粉和钛铁粉的时候，最终得到熔覆层的硬度和耐磨性能相
近，从原料成本来说，目前市场上钒粉的价格是钒铁粉价格的十几倍，钛粉和钛铁粉类似，
添加钒粉和钒铁粉，即使铁基复合粉末的钒含量相同，钒粉的成本远高于钒铁粉的成本，
故，本申请文件中钒和钛的添加形式优选为钛铁粉和钒铁粉，可以进一步降低成本。

[0109] 本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本
发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。