盘星新金属技术白皮书

钴铬合金概述

钴铬合金起初是美国建立的国家材料标准（AWS）中的一个系列，分CoCrMo系列和CoCrW系列，以肯纳金属公司的司太立(Stellite)牌号为代表。CoCrMoW是开发应用于骨科植入、齿科修复等医学领域的一种钴铬合金，该合金中的金属Cr元素能够在合金表面形成连续、致密的氧化膜，提高其抗氧化性能和耐腐蚀性能。Mo和W元素可在合金中产生固溶强化，提高材料强度，且能降低材料的热膨胀系数，提高其与陶瓷的匹配性。

钴铬粉末生产工艺

目前行业内主流用真空感应熔炼气雾化（VIGA）法进行规模化CoCrMoW粉末生产，该方法具有较好的性价比，满足3D打印用粉的要求，即类球形粉和好的流动性。但也有部分厂家采用电极感应熔炼气雾化（EIGA）法等方式进行钴铬粉末生产，本文主要介绍VIGA法制备CoCrMoW粉末的工艺特点。

真空感应熔炼气雾化-VIGA

真空感应熔炼气雾化（VIGA）是一种应用较多的工业化制备金属粉末的技术，按浇注方式可分为侧注式和底注式，前者较为常用。盘星公司采用侧注式VIGA设备制备钴铬合金粉末，选用高纯度原材料金属钴、金属铬、金属钼、金属钨、硅进行熔炼，雾化时金属溶液通过导流孔流经“紧耦合式-环缝-亚音速/超音速”雾化喷盘时，与从喷盘喷出的高压气体耦合并发生能量交换，金属溶液流被剧烈急速冲击破碎，并在雾化室飞行的过程中冷却凝固，受表面张力作用形成球形或类球形金属粉末。

图1真空感应熔炼气雾化法示意图

钴铬合金粉末激光熔覆应用

激光表面熔覆是近年来发展较快的一种熔覆技术，该工艺是利用激光能量把合金粉末熔覆在基材上获得厚度可控的、达到冶金结合的熔覆层。熔覆层具备耐腐蚀性或耐磨性，或二者兼顾。激光熔覆具有其热影响区适中、变形小、稀释率低、熔融凝固快等特点，主要应用于金属表面改性，现今在汽车、船舶、石油化工、煤矿、工程机械及航空航天领域得到广泛应用。应用的熔覆材料为以Fe、Ni、Co基为主，Fe基占大半份额。激光熔覆铁基合金粉末适用于要求耐磨性而且性价比高。镍基合金粉末适用于要求耐磨性、耐腐蚀性。钴基合金粉末适用于要求耐磨性、耐腐蚀性及高温稳定性。

图2 钴铬粉末激光熔覆试样

盘星新金属CoCrMoW粉末特性

盘星新金属采用真空感应熔炼气雾化VIGA工艺制备CoCrMoW粉末，其粉末主要成分范围如下表1所示，不同成分的CoCrMoW粉末主元素均为Co、Cr、Mo、W、Si。

表1 CoCrMoW化学成分（wt.%）

CoCrMoW粉末激光熔覆用的主要粒度为100-270目，不同成分粉末的筛分粒度如下表2所示：

表2 CoCrMoW筛分粒度（wt.%）

CoCrMoW粉末激光熔覆用时对粉末流动性要求严格，不同成分粉末的流动性及形貌见下表3和图3-5。从表3可知，不同成分粉末具有较好流动性，分别为15.3s/50g、15.2s/50g和15.3s/50g。粉末形貌显示：不同成分粉末整体呈现球形，存在一定数量的卫星粉、包覆粉等。

表3 CoCrMoW流动性及形貌

图3 成分D（100-270目）粉末形貌

图4 成分E（100-270目）粉末形貌

图5 成分F（100-270目）粉末形貌

在国产6kW的固体光纤激光器上，选用激光光斑Φ4mm，扫描速度1.0m/min，偏移1.5mm，激光功率为2400W的工艺参数。熔覆过程中火花飞溅较少，状态正常，见图6所示。试验完成后试样熔覆层无气孔、裂纹，采用洛氏硬度计进行试样熔覆层硬度测试，结果见表4所示。结果显示：成分D钴铬合金粉末熔覆层硬度分布为19.6~34.5HRC，均值为28.3HRC。成分E钴铬合金粉末熔覆层硬度分布为13.2~34.8HRC，均值为28.3HRC。成分F钴铬合金粉末熔覆层硬度分布为23.5~34.3HRC，均值为28.9HRC。从结果来看，CoCrMoW各成分可用于阀门密封面、内燃机气门等修复场景。

图6 激光熔覆试验过程

表4 CoCrMoW激光熔覆试样硬度值（HRC）

盘星致力粉末研发和生产

盘星新金属致力于新型金属材料、球形金属粉末的研发生产，是一家以研发为导向，精密制造为核心的国家高科技创新企业。在粉末业务方面，盘星新金属现有10条真空气雾化生产线，年产钛合金、高温合金等高品质粉末逾1000吨，产品广泛应用于增材制造、MIM、表面处理等领域。未来，盘星将推出更多元化、低成本的粉末种类，以优越稳定的产品质量，向客户提供有效的一体化的技术解决方案。