CN105522264A - 一种利用氮弧和氮化物3d打印高氮钢制品的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置及其方法，实现了常压下采用氮弧送丝增材制造的方法进行设定层高氮钢的堆焊成形，同时利用氮气送粉向熔池中添加氮化物合金粉末。同轴螺旋气粉罩内壁镗有螺旋气粉槽，氮化物合金粉末在焊枪口形成旋转气粉流，减小了氮化物合金粉末流出枪口时散射造成的损失，同时保证了氮化物合金粉末与焊丝端部的熔滴充分冶金熔炼后进入熔池。通过控制3D打印的参数匹配，可获得不同氮含量的高氮钢打印层。采用氮化物合金粉末与焊丝同步同轴添粉送丝的方式，实现在常压下利用普通钢焊丝-氮化物合金粉末-氮弧复合技术3D打印高氮钢制品。

Description

一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置

技术领域

本发明属于快速成形技术领域，具体涉及一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置及其方法，适用于高氮钢材料的增材制造、焊接和零件修复。

背景技术

高氮钢中的间隙元素氮与其他合金元素(Mn、Cr、Mo、V、Nb和Ti等)协调作用，能改善钢的强度、韧性、蠕变抗力、耐磨性能、耐腐蚀性能等。但是氮在大气压下氮溶解度非常低，加入很困难，由于加入量少，其有利影响不太明显，高氮钢的普遍生产方式是加压冶炼，需要特殊的生产设备，产量受限且成本高。另外，高氮钢的加工性能恶化，加工硬化情况严重，对加工刀具的设计、质量以及工艺参数控制要求严格。两方面因素结合使得高氮钢的应用受到限制。

电弧3D打印技术，即电弧送丝增材制造技术，是利用电弧堆焊原理将金属丝材熔化，在计算机的控制下直接制造全密度三维金属零件的工艺方法。与铸造技术和机械加工方法等传统方法相比，电弧送丝增材制造技术的工序简化、材料利用率提高、生产成本降低、机械加工难度低，同时可以控制零件中的宏观缺陷以及成分偏析，后续加工工序简化，适用于新型产品快速研制以及批量生产。

现有的电弧3D打印技术一般包括：同轴或旁轴送丝电弧3D打印和送粉电弧3D打印，没有丝粉同轴添加，且添粉时粉末不能旋转。激光3D打印技术中有采用丝粉同步送进的方式，但是没有实现丝粉同轴送进，且焊缝成分的均匀性不好。

中国专利(200710141482.2)公开了一种基于氩弧焊的熔覆装置，其采用的是同轴送粉方式，所获得的熔覆层的稀释率高，一般约5％～10％，其熔覆层面积大，用于3D打印工艺时，则不能实现打印制品尺寸的精确控制。中国专利(201210250419.3)公开了一种高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，其采用了双层氮气保护，但是其增氮效果差，且不能送丝添粉。中国专利(94240533.1)公开了一种气体旋转式油漆喷枪，其气管的内表面镗有螺纹旋线，使雾状油漆形成定向作用，使其散射面变小，但实用新型专利实则是在管状结构内壁镗螺纹旋线，其对气粉流的流向限制作用较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，

本发明一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的方法的技术方案为：

一种采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置，其主要包括：

一熔化极气体保护焊枪；

一气粉同轴传送装置内设有与熔化极气体保护焊枪同轴的螺旋气粉罩，同轴螺旋气粉罩内开有与熔化极气体保护焊枪紧固连接的螺纹；气粉同轴传送装置内、螺旋气粉罩外设有与螺旋气粉罩外壁相切的送粉送气通道；送粉送气通道分别开有送气口与送粉口；所述的螺旋气粉罩的内壁开有螺旋气粉槽；

如上所述的螺旋气粉槽在螺旋气粉罩的，其结构可为变螺线-变螺距-变截面结构，所述的螺旋气粉槽为半圆槽，槽直径为2mm～7mm，自顶而下梯度减小；螺旋升角在0°～60°区间自顶而下梯度减小，所述的螺旋气粉罩采用耐热材料SiC陶瓷制造。

如上所述的送粉口和送气口上分别装有送粉调速器和气体流量计。

如上所述的螺旋气粉罩的气粉出口呈缩颈状，且缩颈面的延长线指向电弧中心。

如上所述的熔化极气体保护焊枪喷嘴用耐热材料SiC陶瓷制造，所述的熔化极气体保护焊枪，其外侧上部加工的螺纹长度至少为其直径的两倍。

如上所述的一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的方法，其方法具体步骤如下：

步骤1，通过目标高氮钢制品的目标合金成分，确定铁元素含量W_Fe％；选择低碳钢焊丝作为送丝原料；

根据目标高氮钢制品的目标合金成分，确定所需的作为送粉原料的合金粉末中合金元素i的含量Wif％比，经修正关系式Wif_修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)修正后得到粉末中合金元素i含量的修正值Wif_修正％；其中μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％；送粉原料的合金粉末中的合金元素不为铁；

步骤2，根据目标高氮钢中合金元素i的含量Wi％与铁元素含量的关系式得到所有合金元素与铁元素的成分比α:β，确定送入熔池的送粉原料的质量与送丝原料的质量比α:β，设进入熔池中的原料粉末质量m_粉＝Vf×Δt，进入熔池的送丝原料的质量其中Vf为添粉速率，单位为g/min；Vs为送丝速率，单位为m/min；d为焊丝直径，单位为m；ρ为焊丝密度，单位为g/m³；Δt为时间，单位为min；

步骤3，根据公式m_粉:确定送粉速率Vf与送丝速率Vs参数匹配关系， $Vf:(\frac{\mathrm{\π}}{4}{\mathrm{\ρd}}^2\×Vs)=\mathrm{\α}:\mathrm{\β};K=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\mathrm{\ρd}}^2,$ 得简化公式Vf:(K×Vs)＝α:β；

步骤4，选取送丝送率Vs为1.5m/min～12m/min；根据公式Vf:(K×Vs)＝α:β，得出送粉速率Vf；

步骤5，启动氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，在气粉同轴传送装置上调节送粉速率为Vf、送气速率为V_气1，调节熔化极气体保护焊枪的送丝速率为Vs，保护气速率为V_气2，进行焊接；

步骤6，根据目标高氮钢制品形状尺寸确定3D打印路线，以焊接速率v进行堆焊，每一层堆焊完时，将焊枪提高一个层厚，重复堆焊过程最终获得高氮钢制品。

优选的，气粉同轴传送装置上的送气速率V_气1与焊枪保护气速率V_气2满足V_气1≈V_气2＝15～40L/min。

优选的，焊接速率v为3～16mm/s。

本发明与现有技术相比具有如下显著优点：

(1)采用氮化物合金粉末与焊丝同步同轴添粉送丝的方式，实现了在常压下气-粉-丝三项同步同轴电弧3D打印高氮钢；

(2)添加的氮化物合金粉末会在焊枪口形成旋转气粉流，有利于氮化物合金粉末与焊丝端部的熔滴和熔池充分冶金熔炼，同时保证氮化物合金粉末准确送至熔池中，而减少散射和飞溅带来的损失，所得的高氮钢制品成分均匀；

(3)通过调节氮化物合金粉末的合金成分及添粉送丝的参数匹配，可以3D打印出不同含氮量的高氮钢制品；

(4)氮弧与传送氮化物合金粉末的氮气协调作用，有助于氮分压的提高，有效控制了熔池中已熔入氮的逸出，增氮效果提高幅度大；

(5)与直接用高氮钢粉末3D打印高氮钢方法相比，本发明所用的普通钢焊丝加适量的氮化物合金粉末3D打印出高氮钢制品的方法，避免了将高氮钢加工成粉末难的问题，工艺简化、成本降低。

附图说明

图1为利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品装置结构示意图，

图2为同轴气粉罩的纵向剖视图；

图3为利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品装置的A-A截面剖视图。

其中，1为送气通道，2为送粉通道，3为螺旋气粉罩，4为螺旋气粉槽，5为熔化极气体保护焊枪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置及其方法作进一步描述。

一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，该装置包括一熔化极气体保护焊枪5；

一气粉同轴传送装置，其内设有与熔化极气体保护焊枪5同轴的螺旋气粉罩3，螺旋气粉罩3内开有与熔化极气体保护焊枪5紧固连接的螺纹；

气粉同轴传送装置内、螺旋气粉罩3外设有与螺旋气粉罩3外壁相切的送粉送气通道；

送粉送气通道分别开有送气口1与送粉口2；

螺旋气粉罩3的内壁开有螺旋气粉槽4。

螺旋气粉槽4的结构为变螺线-变螺距-变截面结构，所述的螺旋气粉槽4为半圆槽，槽直径为2mm～7mm，自顶而下梯度减小；螺旋升角在0°～60°区间自顶而下梯度减小，所述的螺旋气粉槽4采用耐热材料SiC陶瓷制造。

送粉口1和送气口2上分别装有送粉调速器和气体流量计。

所述的螺旋气粉罩3的气粉出口呈缩颈状，且缩颈面的延长线指向电弧中心。

所述的熔化极气体保护焊枪5用耐热材料SiC陶瓷制造，所述的熔化极气体保护焊枪5外壁加工的螺纹长度至少为其直径的两倍。

本发明采用氮弧送丝增材制造的方法进行设定层高氮钢的堆焊成形，同时利用氮气送粉向熔池中添加氮化物合金粉末。通过控制3D打印的参数匹配，可获得不同氮含量的高氮钢打印层。每层堆焊完成时，焊枪提高一个层厚，重复堆焊获得高氮钢制品。采用氮化物合金粉末与普通钢焊丝同步同轴添粉送丝的方式，实现在常压下利用普通钢焊丝-氮化物合金粉末-氮弧复合技术3D打印高氮钢制品。

增氮原理为，一方面，填充丝材在氮弧中燃烧并熔化，形成熔滴，氮弧中的氮进入熔滴，致使熔滴中氮含量增加，同时氮弧中氮分压较高，可以控制熔池已熔入氮的逸出；另一方面，氮化物合金粉末在氮弧中加热后熔入熔滴，进一步提高了熔滴的氮含量。氮化物合金粉末除氮化物外，还配有其他合金元素，如Mn、Cr、Mo等元素，以确保氮以原子形式固溶在高氮钢中。

实施例1

利用上述装置，采用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的方法制备高氮钢构件，其尺寸为100mm×100mm×40mm，由20层堆焊层构成，每层高为2mm，每层焊缝由7道焊缝组成。

采用本发明所述的利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的方法，其具体步骤为：

步骤1，通过目标高氮钢制品的目标合金成分，确定铁元素含量WFe％；选择低碳钢焊丝作为送丝原料；

根据目标高氮钢制品的目标合金成分，确定所需的作为送粉原料的氮化物合金粉末中合金元素i的含量Wif％比，经修正关系式Wif_修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)修正后得到粉末中合金元素[i]含量的修正值Wif_修正％，并配制氮化物合金粉末；其中μi为烧损系数，μi＝0.2％～5％，ξ为散射飞溅损失系数，ξ＝2％～8％；

氮化物合金粉末原料包括：氮化铬粉末、氮化锰粉末、铬粉、金属锰粉、钼粉。目标高氮钢的成分要求如表1所示。选用H08Mn2Si焊丝，其化学成分要求如表2所示。

当粉末按CrN:MnN:Cr:Mn:Mo＝4：4：18.85：11.8：1.5时，满足目标产品合金元素成分含量比。根据修正关系式Wif_修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)，修正得到原料粉末的配方为：CrN:MnN:Cr:Mn:Mo＝4：4：19：12：1.5时，与钢焊丝配合使用可以打印出高氮钢制品，且高氮钢制品的成分为N:1.66％,Mn:15％,Cr:22％,Mo:1.5％,余量为铁。

表1目标高氮钢的化学成分要求(％)

化学成分

N

Mn

Cr

Mo

Si

C

Fe

标准规范

0.8-2.4

12-18

18-23

1.0-2.5

≤1

≤0.1

余量

表2H08Mn2SiA焊丝化学成分(％)

步骤2，根据目标高氮钢除铁元素之外的合金元素i的含量Wi％与铁元素含量的关系式得到所有合金元素与铁元素的成分比α:β≈2:3，确定送入熔池的合金粉末质量与焊丝的质量比为2：3，进入熔池中的粉末质量m_粉＝Vf×Δt，进入熔池的焊丝质量其中Vf为添粉速率，单位为g/min；Vs为送丝速率，单位为m/min；d为焊丝直径，单位为m；ρ为焊丝密度，单位为g/m³；Δt为时间，单位为min。

步骤3，根据公式m_粉:确定送粉速率Vf与送丝速率Vs参数匹配关系， $Vf:(\frac{\mathrm{\π}}{4}{\mathrm{\ρd}}^2\×Vs)=\mathrm{\α}:\mathrm{\β};K=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\mathrm{\ρd}}^2,$ 得简化公式Vf:(K×Vs)＝α:β；焊丝的密度ρ＝7.85g/cm³，直径d＝1.6mm，代入计算得K＝15.78g/m。

步骤4，选取送丝速率Vs为5m/min；再通过公式Vf:(K×Vs)＝α:β，得出送粉速率Vf＝52.6g/min；

步骤5，启动氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，在气粉同轴传送装置上调节送粉速率为Vf、送氮气速率为V_气1，设定熔化极气体保护焊枪的送丝速率为Vs，调节熔化极气体保护焊枪的保护气速率为V_气2，两处气体的送气速率均为10L/min～20L/min。氮化物合金粉末用100％的氮气传送。氮弧为氮气氛围下的电弧，其中氮气参有5％～10％的Ar，以确保电弧能够顺利引弧和稳定燃烧。并进行焊接；

步骤6，根据目标高氮钢制品形状尺寸确定3D打印路线，焊接速率v取58.3cm/min。进行堆焊，每一层堆焊完时，将焊枪提高一个层厚，重复堆焊过程，最终由20层高氮钢层叠加形成高氮钢制品。在高氮钢3D打印制品完成结束焊接时，需先停止送丝添粉，然后再停止送气，以防止发生粉尘爆炸。

Claims (5)

1.一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，其特征在于，包括：

一熔化极气体保护焊枪(5)；

一气粉同轴传送装置，其内设有与熔化极气体保护焊枪(5)同轴的螺旋气粉罩(3)，螺旋气粉罩(3)内开有与熔化极气体保护焊枪(5)紧固连接的螺纹；

气粉同轴传送装置内、螺旋气粉罩(3)外设有与螺旋气粉罩(3)外壁相切的送粉送气通道；

所述的送粉送气通道分别开有送气口(1)与送粉口(2)；

所述的螺旋气粉罩(3)的内壁开有螺旋气粉槽(4)。

2.根据权利要求1所述的利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，其特征在于，所述的螺旋气粉槽(4)的结构为变螺线-变螺距-变截面结构，所述的螺旋气粉槽(4)为半圆槽，槽直径为2mm～8mm，自顶部至底部梯度减小；螺旋升角为0°～60°，所述的螺旋气粉罩(3)采用耐热材料SiC陶瓷制造。

3.根据权利要求1所述的利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，其特征在于，所述的送粉口(1)和送气口(2)上分别装有送粉调速器和气体流量计。

4.根据权利要求1所述的利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，其特征在于，所述的螺旋气粉罩(3)的气粉出口呈缩颈状，且缩颈面的延长线指向电弧中心。

5.根据权利要求1所述的利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，其特征在于，所述的熔化极气体保护焊枪(5)喷嘴耐热材料SiC陶瓷制造，所述的熔化极气体保护焊枪(5)外壁加工的螺纹长度至少为其直径的两倍。