CN107876768A - 一种等离子3d打印装置和方法及其在特种耐磨材料修复中的应用 - Google Patents

一种等离子3d打印装置和方法及其在特种耐磨材料修复中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种等离子3D打印装置，包括自动送粉装置、3D打印头、打印平台和控制装置，所述控制装置包括放电等离子体发生器和控制器；所述控制装置与自动送粉装置、3D打印头、打印平台通讯连接。该等离子3D打印装置用来修复特种耐磨工件，具有设备简单、控制方便、生产效率高、成本低等优点，可有效实现覆层与基体冶金结合，覆层及界面组织致密，晶粒细小，无孔洞、夹杂、裂纹等缺陷；同时，等离子3D打印装置可在特种耐磨材料修复中应用，本技术能有效提高覆层表面质量和耐磨性能、大大降低基体热影响区的厚度，能显著延长修复工件的使用寿命，实现废物再利用，具有巨大的经济效益。

Description

一种等离子3D打印装置和方法及其在特种耐磨材料修复中的 应用
技术领域
本发明涉及材料修复领域，更具体地，涉及等离子3D打印装置和方法及其在特种耐磨材料修复中的应用。
背景技术
增材制造（即3D打印）技术依照材料累加的快速成型原理，以计算机软件所设计出的立体加工模型为基础，运用液化、粉末化、丝化的可粘性固体材料（如金属、高分子材料等），逐层制造出产品，该技术具有不受零件复杂程度限制，完全数字化控制等特点，彻底颠覆了传统制造业锻造、切削加工的减材制造模式，变革了大规模生产线的工业生产方式，带来个性化、低消耗、小批量、高难度等制造新理念和新方式，具有诱发新一次工业革命的巨大意义。
在实际工程应用中，对于较低档的产品通常采用堆焊的方法对工件进行增材制造和修复，设备简单，成本较低，但存在堆焊层厚度不均、表面不平整、覆层组织不均匀、晶粒粗大等问题，尤其是堆焊过程中覆层温度高、散热慢，导致工待加工工件的热影响区较厚，严重影响了产品的使用性能。
对于要求表面精度高、产品性能好的产品，通常采用激光熔覆或激光3D打印的方法，该方法能有效提高覆层表面质量、大大降低热影响区的厚度，从而显著提高产品的性能。但由于存在激光设备价格昂贵、生产效率低、成本高等问题，导致该技术难以实现低成本、大规模工业化生产推广。
发明内容
本发明针对上述现有技术的缺点，提供一种等离子3D打印装置及使用方法，该等离子3D打印装置用来修复特种耐磨工件，具有设备简单、控制方便、生产效率高、成本低等优点，可有效实现覆层与基体冶金结合，覆层及界面组织致密，晶粒细小，无孔洞、夹杂、裂纹等缺陷；同时可根据产品使用特点定量添加陶瓷增强颗粒，实现增强颗粒在覆层中的均匀分布，从而显著提高产品表面的耐磨性能。
本发明的另一目的在于公开等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用，该技术能有效提高覆层表面质量、大大降低热影响区的厚度，能有效提高修复产品的性能，具有巨大的经济效益。
本发明特种耐磨材料的修复的方法结合等离子3D打印装置，可以应用于矿山工具、水泥行业、钻井工具、工程机械设备的表面耐磨层处理。
本发明的发明目的通过以下技术方案予以实现：
本发明公开的等离子3D打印装置，包括自动送粉装置、3D打印头、打印平台和控制装置，所述控制装置包括放电等离子体发生器和控制器；
所述自动送粉装置从上到下依次包括进料口、传送装置和输料管，所述传送装置连接的输料管连接在所述3D打印头内，所述3D打印用粉末通过传送装置输送至输料管中，所述3D打印头为多层结构，所述3D打印头的外壁设有冷却循环区，所述3D打印头的最外层设有保护气体输送区；所述控制装置与自动送粉装置、3D打印头和打印平台通讯连接。
进一步地，所述传送装置包括调速电机和蜗轮蜗杆，用于将3D打印用粉末根据成分配比定量输送到输料管中。
本发明的另一目的在于，公开上述等离子3D打印装置的使用方法，包括以下步骤：
Y1. 将所述3D打印用粉末通过调速电机带动蜗轮蜗杆运动，定量输送至输料管中；
Y2. 同时，将增强颗粒粉末通过调速电机带动蜗轮蜗杆运动，定量输送增强颗粒粉末至输料管中，与合金粉末充分混合，进入等离子射流中；
Y3. 通过等离子发生器及控制装置控制离子气及温度至8000~15000℃，通过循环冷却水和氩气保护气来降低3D打印头的温度至100~300℃，通过氩气保护气体来保护合金覆层不被氧化；所述修复用材形成粒子射流，喷射到待修复工件表面，形成与待修复工件冶金结合的致密覆层。
本发明基于廉价的等离子3D打印装置来修复特种耐磨工件，具有设备简单、控制方便、生产效率高、成本低等优势，可有效实现覆层与基体冶金结合，覆层及界面组织致密，晶粒细小，无孔洞、夹杂、裂纹等缺陷；同时可根据产品使用特点定量添加陶瓷增强颗粒，实现增强颗粒在覆层中的均匀分布，从而显著提高产品表面的耐磨性能。
本发明另一目的在于等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用，包括以下步骤：
S1. 待修复工件预处理：首先将特种耐磨材料表面清洁处理，打磨；
S2. 修复用材的配制：根据产品需要配制3D打印用粉末，定量添加同步定量添加的增强颗粒；所述3D打印用粉末与增强颗粒的质量为5:5~7:3；
S3. 将上述修复用材导入等离子3D打印装置中，所述修复用材形成粒子射流，喷射到待修复工件表面形成与待修复工件冶金结合的致密覆层。
进一步地，所述3D打印用粉末为铁基、镍基、钛基粉末的至少一种；所述增强颗粒为陶瓷增强颗粒，所述陶瓷增强颗粒为碳化钨、碳化硅、碳化硼的至少一种。
进一步地，经步骤S3处理后的待修复工件由表至里的结构为：致密覆层、微熔层、热影响区和基体；单道次覆层的厚度为0.1~3.5mm，所述微熔层为0.05～0.1mm，所述热影响区为0.1～0.2mm。
进一步地，步骤S3所述等离子3D打印装置的温度设定为8000~15000℃。
进一步地，步骤S3所述粒子射流的喷射速度为30~100mm/s。
进一步地，步骤S3所述粒子射流的喷射流量为5~40g/s。
本发明的特种耐磨材料的修复技术可以应用于矿山工具、水泥行业、钻井工具、工程机械设备的表面耐磨层处理，延长了重大设备和零部件的使用周期，具有了全寿命的使用价值，使失效和报废的设备和零部件获得了新生，为国家节约了宝贵的资源，取得了显著的经济效益和良好的社会效益。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1. 本发明的特种耐磨材料的修复使用自行设计的等离子3D打印装置和自行配制的合金粉末，可实现复杂形状产品的制备及工件表面修复，尤其是可实现对硬质合金表面修复，覆层组织致密均匀，晶粒细小，覆层与基体冶金结合，对基体的热影响区小；覆层厚度可控，易实现自动化生产，设备成本仅为激光熔覆的1/5，生产效率约为激光熔覆的5～10倍；生产成本为硬质合金产品的1/2，使用寿命是硬质合金产品的2~5倍；具有巨大的商业价值。
2. 本发明的等离子3D打印装置，设备简单、廉价，操作方便，生产效率高，可实现低成本、大规模化工业生产。
3. 本发明的特种耐磨材料的修复方法可根据产品需要，调配添加修复用材，实现基体粉末和陶瓷增强颗粒的定量添加，显著提高产品表面的耐磨性能。
附图说明
图1为本发明的等离子3D打印装置结构示意图。
图2为本发明的实施例1的等离子3D打印装置修复产品表面覆层及界面显微组织图片。
图3为修复前的石油钻具扶正器图片。
图4为本发明的等离子3D打印装置修复后的石油钻具扶正器图片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本发明。为方便说明，本发明下述实施例采用的试剂、仪器和设备等列举如下，但并不因此限定本发明。
发明人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
实施例1 等离子3D打印装置
本发明的等离子3D打印装置，包括自动送粉装置101、3D打印头102、打印平台103和控制装置104，控制装置104包括放电等离子体发生器和控制器；
自动送粉装置101从上到下依次包括进料口、传送装置和输料管12，传送装置连接的输料管12连接在3D打印头102的内，本实施例中，输料管12连接在3D打印头102的中心，3D打印用粉末通过传送装置输送至输料管12中。
传送装置包括调速电机5和蜗轮蜗杆11，用于将3D打印用粉末根据成分配比定量输送到输料管12中。
3D打印头102为多层结构，3D打印头102的外壁设有冷却循环区2，3D打印头102的最外层设有保护气体输送区3；控制装置104与自动送粉装置101、3D打印头102、打印平台103通讯连接。
本实施例的等离子3D打印装置的工作原理：
1）合金粉末6通过调速电机5带动蜗轮蜗杆11运动，定量输送合金粉末至输料管12中；陶瓷增强颗粒粉末7通过调速电机5带动蜗轮蜗杆11运动，定量输送陶瓷增强颗粒粉末至输料管12中，与合金粉末充分混合，进入等离子射流8中。
2）通过等离子发生器及控制装置104控制离子气及温度高低（一般是将氩气离子态），通过冷却循环区2的循环冷却水来降低装置的温度，通过氩气保护气体来保护合金覆层不被氧化，同时对待修复工件9有快速冷却的作用。
3）通过待修复工件9的运动实现工件的表面修复。
实施例2 等离子3D打印装置的使用方法
本实施例的等离子3D打印装置的使用方法，包括以下步骤：
Y1.将所述3D打印用粉末通过调速电机5带动蜗轮蜗杆11运动，定量输送至输料管12中；
Y2. 同时，将增强颗粒粉末通过调速电机5带动蜗轮蜗杆11运动，定量输送增强颗粒粉末至输料管12中，与合金粉末充分混合，进入等离子射流8中；
Y3. 通过等离子发生器及控制装置104控制离子气及温度至8000~15000℃，通过循环冷却水和氩气保护气来降低3D打印头102的温度至100~300℃，通过氩气保护气体来保护合金覆层不被氧化及实现覆层快速冷却；修复用材形成粒子射流，喷射到待修复工件9表面，形成与待修复工件冶金结合的致密覆层。
为了进一步说明等离子3D打印装置的应用，选取扶正器作为待修复工件。
石油钻具扶正器也称为稳定器，是接在石油钻井钻头上面或钻铤之间的多菱形或螺旋形短节。其作用是：扶正器与近钻头钻铤组合，能实现防斜、降斜、增斜和稳斜。此外，扶正器还可提高钻头工作的稳定性，延长钻头使用寿命。
扶正器的常规生产工艺，是采用粉末冶金工艺将硬质合金YG11C（HRA87）镶嵌在三筋螺旋带上，以提高扶正器耐磨损的性能。实践证明，由于硬质合金柱之间的基体不耐磨，工作时首先被损坏，导致硬质合金柱提前脱落，产品使用寿命短，一般扶正器工作150小时左右就不能继续使用，需停机更换。
为解决石油钻井螺杆钻具扶正器生产方面存在的不足，采用本发明的等离子3D打印装置，用自制的陶瓷增强合金粉末同步送到等离子射流中，扶正器三筋螺旋带上并喷射在形成与基体冶金结合的致密覆层，覆层硬质点分布均匀，HV达到3000以上。经钻井实际应用，使用寿命比镶嵌硬质合金的产品提高了3倍。具体实施如下。
实施例3 等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用
本实施例的等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用，包括以下步骤：
S1. 待修复工件预处理：首先将特种耐磨材料表面清洁处理，打磨；
S2. 修复用材的配制：根据产品需要配制3D打印用粉末，同步添加增强颗粒；3D打印用粉末与陶瓷增强颗粒的质量比为5:5；3D打印用粉末为铁基合金粉末至少一种；增强颗粒为碳化钨；
S3. 将上述修复用材导入等离子3D打印装置中，修复用材形成粒子射流，喷射速度为30mm/s，粒子射流的喷射流量为10g/s。喷射到待修复工件表面形成与待修复冶金结合的致密覆层。处理后的待修复工件由表至里的结构为：致密覆层、微熔层、热影响区和基体；单道次覆层的厚度为2mm，微熔层为0.05m，热影响区为0.1mm。等离子3D打印装置的温度设定为9000℃。检测结果表明，覆层表面硬度为HRC67。
陶瓷增强铁基覆层的硬度、致密性、结合强度与镍基合金粉末覆层大体相当，因此在不少场合下可代替镍基合金粉末，但覆层的韧性略低于镍基合金粉末覆层。陶瓷增强铁基覆层具有良好的耐磨性。
实施例4 等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用
本实施例的等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用，包括以下步骤：
S1. 待修复工件预处理：首先将特种耐磨材料表面清洁处理，打磨；
S2. 修复用材的配制：根据产品需要配制3D打印用粉末，同步添加增强颗粒；3D打印用合金粉末与增强颗粒的质量比为6:4；3D打印用粉末为镍基粉末的至少一种；增强颗粒为碳化钨；
S3. 将上述修复用材导入等离子3D打印装置中，修复用材形成粒子射流，喷射速度为50mm/s，粒子射流的喷射流量为20g/s。喷射到待修复工件表面形成与待修复工件冶金结合的致密覆层。已修复工件由表至里的结构成为：致密覆层、微熔层、热影响区和基体；单道次覆层的厚度为2.5mm，微熔层为0.07mm，热影响区为0.16mm。等离子3D打印装置的温度设定为12000℃。检测结果表明，覆层表面硬度为HRC66。
实施例5 等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用
本实施例的等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用，包括以下步骤：
S1. 待修复工件预处理：首先将特种耐磨材料表面清洁处理，打磨；
S2. 修复用材的配制：根据产品需要配制3D打印用粉末，同步定量添加的增强颗粒；3D打印用合金粉末与增强颗粒的质量比为7:3；3D打印用粉末为钛基粉末的至少一种；增强颗粒为碳化钨；
S3. 将上述修复用材导入等离子3D打印装置中，修复用材形成粒子射流，喷射速度为70mm/s，粒子射流的喷射流量为40g/s。喷射到待修复工件表面形成与待修复工件冶金结合的致密覆层。处理后的待修复工件由表至里的结构为：致密覆层、微熔层、热影响区和基体；单道次覆层的厚度为3.0mm，微熔层为0.1mm，热影响区为0.2mm。等离子3D打印装置的温度设定为10000℃。检测结果表明，覆层表面硬度为HRC61。
将实施例2中的实施例1的等离子3D打印装置修复产品表面进行微观分析，由图2可见，覆层组织均匀、晶粒细小，靠近基体覆层的组织为垂直于界面生长的柱状晶结构，没有发现较粗的树枝晶组织；覆层与基体之间的界面平整、清晰可见，两者的结合处没有观察到气孔、裂纹及夹渣现象，这说明覆层与基体间形成了良好的冶金结合。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护之内。

Claims (10)

1.一种等离子3D打印装置，其特征在于，包括自动送粉装置、3D打印头、打印平台和控制装置，所述控制装置包括放电等离子体发生器和控制器；
所述自动送粉装置从上到下依次包括进料口、传送装置和输料管，所述传送装置连接的输料管连接在所述3D打印头内，所述3D打印用粉末通过传送装置输送至输料管中，所述3D打印头为多层结构，所述3D打印头的外壁设有冷却循环区，所述3D打印头的最外层设有保护气体输送区；所述控制装置与自动送粉装置、3D打印头和打印平台通讯连接。
2.根据权利要求1所述等离子3D打印装置，其特征在于，所述传送装置包括调速电机和蜗轮蜗杆，用于将3D打印用粉末根据成分配比定量输送到输料管中。
3.一种根据权利要求1或2所述等离子3D打印装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
Y1. 将所述3D打印用粉末通过调速电机带动蜗轮蜗杆运动，定量输送至输料管中；
Y2. 同时，将增强颗粒粉末通过调速电机带动蜗轮蜗杆运动，定量输送增强颗粒粉末至输料管中，与合金粉末充分混合，进入等离子射流中；
Y3. 通过等离子发生器及控制装置控制离子气及温度至8000~15000℃，通过循环冷却水和氩气保护气来降低3D打印头的温度至100~300℃，通过氩气保护气体来保护合金覆层不被氧化；所述修复用材形成粒子射流，喷射到待修复工件表面，形成与待修复工件冶金结合的致密覆层。
4.一种根据权利要求1或2所述等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 待修复工件预处理：首先将特种耐磨材料表面清洁处理，打磨；
S2. 修复用材的配制：根据产品需要配制3D打印用粉末，同步定量添加的增强颗粒；所述3D打印用粉末与增强颗粒的质量比为5:5~7:3；
S3. 将上述修复用材导入等离子3D打印装置中，所述修复用材形成粒子射流，喷射到待修复工件表面形成与待修复工件结合的致密覆层。
5.根据权利要求4所述等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用，其特征在于，所述3D打印用粉末为铁基、镍基、钛基粉末的至少一种；所述增强颗粒为陶瓷增强颗粒，所述陶瓷增强颗粒为碳化钨、碳化硅、碳化硼的至少一种。
6.根据权利要求4所述等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用，其特征在于，经步骤S3处理后的工件由表至里的结构为：致密覆层、微熔层、热影响区和基体。
7.根据权利要求4所述等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用，其特征在于，单道次覆层的厚度为0.1~3.5mm，所述微熔层为0.05～0.1mm，所述热影响区为0.1～0.2mm。
8.根据权利要求4所述等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用，其特征在于，步骤S3所述等离子3D打印装置的温度设定为8000~15000℃。
9.根据权利要求4所述等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用，其特征在于，步骤S3所述粒子射流的喷射速度为30~100mm/s。
10.根据权利要求4所述等离子3D打印装置在特种耐磨材料修复中的应用，其特征在于，步骤S3所述粒子射流的喷射流量为5~40g/s。
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