一种针对海洋装备用921钢的增材修复专用粉体及工艺的制作方法

本发明属于增材制造领域，特别涉及到一种针对海洋装备用921钢的增材修复专用粉体及工艺。

背景技术：

1、大型舰艇、海上钻井平台、跨海大桥、油气输运管道等诸多海洋关键结构，在服役过程中都会面临日常维护和应急维修的需求(见参考文献：寇荣魁.921a舰船钢高压干法水下激光熔覆修复工艺及性能研究[d].北京石油化工学院，2022.doi:10.27849/d.cnki.gshyj.2022.000116)。由于上述海洋结构服役环境恶劣，往往位于远海或深海，难以返港或上岸修理，因此开展日常维护及应急工况下的原位水下增材制造修复，可显著降低修复的经济成本，延长有效服役周期，是一种重要的技术手段。

2、921钢材是重要的高强度低合金结构钢(见参考文献：方志刚，刘斌，李国明，etal.舰船装备材料体系发展与需求分析[j].中国材料进展，2014，33(7):10.doi:10.7502/j.issn.1674-3962.2014.07.01.)，被广泛用于船舶、海洋工程、桥梁等领域。以船体为代表的水下结构，在服役过程中，钢材表面容易因海水腐蚀、异物冲刷、交变应力等外在因素导致裂纹、剥落、凹坑等缺陷，均需要及时修复。激光增材修复具有热输入小、稀释率低、冶金结合、变形量小的特点，较传统的堆焊、喷涂等工艺有显著优势。开展激光增材制造修复时，原材料与工艺参数是核心与难点：(1)由于激光工艺冷速较高，增材部分的晶粒尺寸细小且难以进行退火处理，相同合金成分条件下，导致增材部分的强度和硬度显著高于基材，产生较高的内应力和开裂倾向；(2)增材部位具有多道多层的结构特点，工艺参数不匹配会带来较多孔隙与裂纹等内在缺陷，严重影响增材部位的强韧性。因此，开发适配921钢材的粉体材料及增材工艺具有重要研究意义与应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种针对海洋装备用921钢的增材修复专用粉体及工艺，本发明针对现有921钢材表面增材修复需求，开发了增材专用粉末与配套的激光熔覆工艺，通过调节粉末成分与激光熔覆工艺参数，控制增材部位的力学性能，实现与基体的良好匹配，可在大尺寸曲面钢板表面完成修复，得到性能均匀、无开裂的增材修复层。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3、一种针对海洋装备用921钢的增材修复专用粉体，粉体中化学成分按重量百分比计为：c 0.03％～0.05％、si 0.3％～0.4％、mn 1.3％～1.5％、p≤0.01％、s≤0.004％、mo0.2％～0.5％、ni 3.3％～3.5％、o≤0.005％、n≤0.006％、h≤0.005％；其余为fe和不可避免的杂质。

4、本发明粉体成分设计以c、si、mn、mo、ni为主要合金元素；其中s、p、o、n、h等为杂质元素，在范围区间内尽可能降低；si、mn是常见的脱氧与强化元素，ni元素的加入可有效提高钢材的韧性与强度，mo元素是一种有效的强化元素，可与c元素形成特殊碳化物，实现二次硬化作用；本发明在其他元素含量基本不变的情况下，通过控制mo元素的含量变化来控制材料的强度与硬度，实现对钢材强韧性的调控，元素变量少，可控程度高。

5、将合金成分原料置入气雾化制粉炉坩埚，通过熔炼、气雾化、筛分等工艺制备成粉末，粉体粒径在35～150μm范围内筛分选择。

6、一种针对海洋装备用921钢的增材修复专用粉体在921钢材表面进行激光增材制造的工艺，采用同轴式激光送粉设备开展激光熔覆，根据粉末原料的尺寸不同及行走速度快慢，匹配适当的激光功率，可获得质量良好的熔覆层。具体工艺包括：

7、1)选择粉末粒度为75～100μm的专用粉体，激光功率为800～1000w，载粉气流量8～12l/min，激光头行走速率≤1m/min；

8、2)选择粉末粒度为35～75μm的专用粉体，激光功率为1200～2400w，载粉气流量10～15l/min，激光头行走速率1～5m/min。

9、经过上述工艺增材，能够获得抗拉强度为600～800mpa，-50℃冲击功≥80j，硬度200～300hv，延伸率为10％～30％的熔覆层。

10、对于工艺参数的选择，在行走速度和送粉量一定的情况下，增加激光功率，会降低熔覆层的硬度与强度，使熔覆单道趋于扁平，搭接率增加；在功率和送粉量一定的情况下，增加行走速度，会提升熔覆层的硬度与强度，降低搭接率；可见上述多个工艺参数会互相影响，为确保熔覆层的力学性能与熔覆质量，经反复匹配实验，上述参数组合可确保熔覆层的力学性能在设计区间，避免内部出现开裂、孔隙等宏观缺陷。

11、与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

12、本发明通过合理调控合金组分，利用气雾化工艺，获得尺寸均匀的球形雾化粉末；利用激光同轴送粉设备在921钢基材上进行增材制造，优化工艺参数，可获得力学性能匹配良好，无宏观缺陷的熔覆层，实现对921钢基材的增材与修复目的。经测试，修复层力学性能满足相关修复指标要求，化学成分与设定保持一致，无开裂分层等缺陷，具备良好机加工性能，有助于实现大型海洋结构的自主修复，提高服役可靠性。

技术特征：

1.一种针对海洋装备用921钢的增材修复专用粉体，其特征在于，粉体中化学成分按重量百分比计为：c 0.03％～0.05％、si 0.3％～0.4％、mn 1.3％～1.5％、p≤0.01％、s≤0.004％、mo 0.2％～0.5％、ni 3.3％～3.5％、o≤0.005％、n≤0.006％、h≤0.005％；其余为fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种针对海洋装备用921钢的增材修复专用粉体，其特征在于，所述粉体粒径在35～150μm范围内筛分选择。

3.一种利用如权利要求1或2所述的针对海洋装备用921钢的增材修复专用粉体在921钢材表面进行激光增材制造的工艺，其特征在于，包括：

4.一种利用如权利要求1或2所述的针对海洋装备用921钢的增材修复专用粉体在921钢材表面进行激光增材制造的工艺，其特征在于，包括：

5.根据权利要求3或4所述的一种利用针对海洋装备用921钢的增材修复专用粉体在921钢材表面进行激光增材制造的工艺，其特征在于，经过上述工艺增材，能够获得抗拉强度为600～800mpa，-50℃冲击功≥80j，硬度200～300hv，延伸率为10％～30％的熔覆层。

技术总结本发明涉及一种针对海洋装备用921钢的增材修复专用粉体及工艺，粉体中化学成分按重量百分比计为：C 0.03％～0.05％、Si 0.3％～0.4％、Mn 1.3％～1.5％、P≤0.01％、S≤0.004％、Mo 0.2％～0.5％、Ni 3.3％～3.5％、O≤0.005％、N≤0.006％、H≤0.005％；其余为Fe和不可避免的杂质。本发明针对现有921钢材表面增材修复需求，开发了增材专用粉末与配套的激光熔覆工艺，通过调节粉末成分与激光熔覆工艺参数，控制增材部位的力学性能，实现与基体的良好匹配，可在大尺寸曲面钢板表面完成修复，得到性能均匀、无开裂的增材修复层。技术研发人员：王一甲,张大越,李彬周,刘宝权,孙瑞琪,司姗姗,姜圆博受保护的技术使用者：鞍钢集团北京研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5