CN107876948A - 一种金属间化合物零件的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种金属间化合物零件的增材制造方法。本发明包括以下步骤：1)根据零件形状，合理设计高能束热源行走路径；2)调节不同丝状材料的送丝速度、粉状材料的送粉量或者是粉末配比，使其满足金属间化合物成分配比；3)选择合适的工艺参数，将填充材料送入热源内同时熔化，随后凝固冷却成形；4)根据每层沉积厚度，改变热源与沉积件间的高度，使之与设定值保持一致，随后继续堆积成形；5)不断重复步骤3、4，最终得到金属间化合物零件。本发明采用两种不同类别的丝状材料，或采用一种丝状材料与一种粉状材料，或完全采用粉末状材料。本发明制造金属间化合物生产周期短、材料利用率高而且零件性能相对铸件也有所提高。

Description

一种金属间化合物零件的增材制造方法

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，具体涉及一种金属间化合物零件的增材制造方法。

背景技术

金属间化合物是由两个或多个金属组元按比例组成的具有不同于其组成元素的晶体结构与金属基本特性的化合物。金属间化合物拥有高硬度、高熔点、高的抗蠕变性能、良好的抗氧化性等优点；有些还具有特殊的物理化学性质如电学、磁学、声学性质等，这些特点使其在航空航天、生物医疗等领域有着极大的应用前景。

金属间化合物类零件传统的制造方法有熔铸法、燃烧合成法、机械合金化法、定向凝固法等，这些传统方法的制造工艺复杂、制造周期长，并且难以制造复杂结构件。而近年来发展较快的增材制造技术如WAAM(Wire and arc additive manufacture)、SLM(Selective laser melting)、LMD(Laser Metal Deposition)与EBSM(Electron beamselective melting)等是基于离散－堆积原理，通过既定热源对金属材料的逐层熔化，沉积生长，直接由CAD模型一步制备高性能结构件的制造技术。它具有工艺简单、综合力学性能优异和单件小批量成本相对较低等特点，在航空航天复杂结构件中的应用前景开阔。

目前，关于金属间化合物的增材制造研究已取得一些进展。例如，专利CN105081533A中公开了一种基于TIG焊的变成分比例金属间化合物材料制造系统，在该专利中提出了两种焊丝在不同层间交替送丝的方法制造金属间化合物。但是，由于该方法采用的是层间交替送丝的方式，因此，金属间化合物只会在层间形成，而难以制造出完全由金属间化合物组成的零件，无法完全发挥出金属间化合物的优异性能。

发明内容

针对现有技术存在问题，本发明提出一种金属间化合物零件的增材制造方法，解决现有技术存在的工艺复杂、生产周期长，并且难以制造复杂结构件，以及相关交替送丝方式难以制备纯金属间化合物零件等技术问题。

本发明提出一种金属间化合物零件的增材制造方法，包括如下步骤：

(1)将基板固定，根据金属间化合物零件的形状，合理设计高能束热源行走路径，并选择合适的沉积起始点；行走路径可以用切片软件设计，也可以直接手动在操作面板内编程得到；通过不断试验分析最终可得出一个合适的沉积起始点，而好的沉积起始点可以减小零件内部的缺陷；

(2)调节不同丝状材料的送丝速度、粉状材料的送粉量或者粉末材料的配比，使其满足金属间化合物的成分配比；丝状材料用量以送丝速度来衡量控制，粉状材料用量以送粉量来衡量控制；粉状材料、丝状材料只是材料形态的不同，两者均是制造零件的生产原料，不同的形态影响的是零件的生产效率与内部是否混合均匀等问题；粉末的配比与送丝速度是依据金属间化合物的成分配比来确定的；

(3)首先，选择合适工艺参数，主要包括热输入和行走速度，这两个参数主要决定着零件的外观成形与内部质量，只有这两个参数相互协调好，才能制备一个符合质量要求的沉积件。其次，调整好双丝的空间位置或者焊丝与送粉管的空间位置；双丝是指金属间化合物组成元素的丝状材料，如制备金属间化合物Ni₃Al时，双丝就指的是镍丝与铝丝；

(4)沉积时，利用热源将填充材料同时熔化，随后凝固冷却成形；当热源沿着设定的行走路径沉积完一层时，停止沉积；所述填充材料，包括粉状材料与丝状材料；

(5)根据每层沉积的厚度，改变热源与沉积件间的高度，使之与设定值保持一致，随后继续沉积下一层；层厚可以在制造零件之前，进行工艺实验确定，而且参数不变的情况下层厚波动不大；沉积完一层后，改变热源与沉积件间的高度，这可通过抬高热源一个层厚高度或者降低沉积件一个层厚高度两个方式来实现，使热源与沉积件间的高度始终与设定值保持一致；

(6)不断重复(4)、(5)，直至完成设定的沉积层数，最终得到金属间化合物零件。

优选地，所述的沉积方法包括电弧增材制造、激光增材制造与电子束增材制造。

优选地，步骤(3)中，工艺参数包括热源功率、行走速度、热源与沉积件间的高度和保护气流量；双丝的空间位置或者焊丝与送粉管的空间位置包括双丝夹角、双丝间距、焊丝与送粉管的夹角，双丝的空间位置关系决定低熔点丝材是否能够送入到溶池中。

优选地，步骤(4)中，根据两种材料的形态，确定材料的送入方式：

若是采用两种不同类别的焊丝，如镍丝与铝丝作为填充材料，则高熔点焊丝送入到热源的中心，主要由热源的热量熔化焊丝；而低熔点焊丝则直接插入熔池中，主要依靠熔池的热量熔化焊丝；

若是采用一种焊丝与一种粉末，如镍丝与铝粉作为填充材料，则焊丝与粉末状材料均是送入到热源中心，主要依靠热源的热量熔化填充材料；

若是完全采用粉末，如镍粉与铝粉作为填充材料，则粉末状材料直接送入热源中心。

优选地，步骤(4)中，不同的填充材料同时熔化，形成一个熔池。

优选地，制造该类零件的材料包括镍铝金属间化合物、钛铝金属间化合物和铁铝金属间化合物。

本发明基于离散－堆积原理，以丝状材料或者粉末材料作为主要填充材料，与现有技术方案相比，具有以下技术效果：

1、与传统的制造方法相比，本发明提出的金属间化合物零件的增材制造方法工艺简单，生产周期短；传统方法制备零件需要先设计模具，再制造模具，接着才能制备零件，而本方法无需制备模具，便可直接制备零件。并且一些结构复杂的结构件传统方法加工特别困难，而本方法可以直接成形，减少了加工难度。

2、本发明可通过调整丝状材料的送丝速度、粉状材料的送粉量或者粉状材料的成分来调节金属间化合物的成分配比，亦可改变填充材料从而实现不同类型金属间化合物的生产制造，生产实用性强；

3、针对金属间化合物的脆性强，难以直接拉拔成丝状材料，因此难以直接使用电弧熔丝增材制造的方法进行生产应用。本发明中采用两种不同类型的丝材或者一种丝材、一种粉材，同时熔化，在一个熔池中反应生成金属间化合物，确保了同时熔化，从而解决了金属间化合物难以使用电弧熔丝增材制造的难题；电弧熔丝增材制造采用的是丝材，而金属间化合物塑性太差难以拉拔成丝，因此无法使用单丝增材制造。本发明采用两种材料同时熔化，在熔池中反应形成金属间化合物，从而完成该种零件的制造。

4、在双丝增材制造过程中，提出以熔池的热量熔化低熔点焊丝，成功的解决了因低熔点焊丝提前熔化，而导致沉积件难以成形的难题。

附图说明

图1是金属间化合物零件的双丝增材制造加工过程示意图；

图2是金属间化合物零件的一种丝材与一种粉材的增材制造加工过程示意图；

图3实验试样组织的SEM图；

图4实验试样的XRD图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的结构，其中1-等离子焊抢，2-高熔点焊丝，3-低熔点焊丝，4-沉积件，5-氩气保护气，6-基板，7-送粉管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1：

本实施例要实现Ni-Al金属间化合物零件的电弧增材制造是以两种丝材为填充材料，其零件设计尺寸如下：底部内径为顶部内径为壁厚为8mm，高度为200mm，所用基板尺寸为400mm×400mm×20mm。焊丝为直径1.2mm的Ni-1纯镍焊丝与直径1.0mm的1070纯铝合金焊丝，基板材料为Q235钢。具体制造步骤如下：

(1)将基板固定在实验平台上，根据金属间化合物零件的形状确定焊枪的行走路径，并选择合适的沉积起始点；实施中，可利用零件的每个横截面是一个平面的图形，该平面图形由众多的线组成，将每条线作为一个行走路径；

(2)根据要制造的金属间化合物配比，调节镍丝的送丝速度使其为3.06m/min，调节铝丝的送丝速度使其为1m/min，调节氩气保护气流量为20L/min；

(3)选择焊接速度为2.5mm/s，焊接电流200A，镍丝与铝丝的夹角为30°，镍丝位于等离子弧的正下方，铝丝在镍丝的下方8mm处，镍丝与铝丝的投影交点位置在弧中心的后方2mm处；

(4)开始沉积时，等离子弧首先将镍丝熔化形成液态镍滴，铝丝同时插入到液态镍滴中熔化反应，形成一个稳定的熔池。当使焊枪沿着设定的行走路径沉积完一层时，停止沉积；本实施例中，两种丝是同时熔化的；镍丝是由等离子弧的热量熔化的，而铝丝是由熔池的热量熔化的。

(5)由于每层沉积厚度约为2.5mm，因此将焊枪抬高2.5mm后，继续沉积下一层；

(6)不断重复(4)、(5)，直至完成设定的沉积层数80层，最终得到金属间化合物零件；

实施例2：

本实施例要实现Ni-Al金属间化合物零件的电弧增材制造是以一种丝材与一种粉末材料为填充材料，其零件设计尺寸如下：圆柱形内径壁厚8mm、高度为100mm，所用基板尺寸为300mm×300mm×10mm。焊丝为直径1.2mm的Ni-1Z纯镍焊丝与150目的纯铝粉末，基板材料为Q235钢。具体制造步骤如下：

(1)将基板固定在实验平台上，根据金属间化合物零件的形状确定焊枪的行走路径，并选择合适的沉积起始点；

(2)调节镍丝的送丝速度使其为3.48m/min，调节铝粉的送粉量使其为1.39g/min，调节氩气保护气流量为20L/min；

(3)选择焊接速度为3mm/s，焊接电流200A，镍丝与送粉管的夹角为30°，镍丝位于等离子弧的正下方，送粉管对准等离子弧的正中心；

(4)开始沉积时，等离子弧首先将镍丝与铝粉同时熔化，形成一个稳定的熔池。当使焊枪沿着设定的行走路径沉积完一层时，停止沉积；

(5)由于每层的沉积厚度约为2mm，因此将焊枪抬高2mm后，继续沉积下一层；

(6)不断重复(4)、(5)，直至完成设定的沉积层数50层，最终得到金属间化合物零件；

以上实例的实验结果如图3、图4所示，根据扫描电子显微镜(ScanningElectronic Microscopy，简称SEM)、X射线衍射仪(X-Ray Diffractomer，简称XRD)结果可知，试样形成的是γ′-Ni₃Al+γ-Ni双相组织，晶内颗粒状的Ni₃Al组织在γ-Ni基体析出，晶间有粗大的块状Ni₃Al组织形成，这种组织属于典型Ni₃Al基金属间化合物组织。由此可知，采用本发明可以实现金属间化合物零件的制备。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种金属间化合物零件的增材制造方法，其特征在于，它包括如下步骤：

(1)将基板固定，根据金属间化合物零件的形状，设计高能束热源行走路径，并选择沉积起始点；

(2)调节不同丝状材料的送丝速度、粉状材料的送粉量或者粉末材料的配比，使其满足金属间化合物的成分配比；

(3)选择合适工艺参数，并调整好双丝的空间位置或者焊丝与送粉管的空间位置，使丝状材料或粉状材料能够同时熔化，并且只形成一个溶池；

(4)沉积时，利用热源将填充材料同时熔化，随后凝固冷却成形；当热源沿着设定的行走路径沉积完一层时，停止沉积；所述填充材料，包括粉状材料与丝状材料；

(5)根据每层沉积的厚度，改变热源与沉积件间的高度，使之与设定值保持一致，随后继续沉积下一层；

(6)不断重复(4)、(5)，直至完成设定的沉积层数，最终得到金属间化合物零件。

2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述的沉积方法包括电弧增材制造、激光增材制造与电子束增材制造。

3.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，步骤(3)中，工艺参数包括热源功率、热源行走速度、热源与沉积件间的高度和保护气流量；双丝的空间位置或者焊丝与送粉管的空间位置包括双丝夹角、双丝间距、焊丝与送粉管的夹角。

4.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，步骤(4)中，根据两种材料的形态，确定材料的送入方式：

若是采用两种不同类别的焊丝作为填充材料，则高熔点焊丝送入到热源的中心，主要由热源的热量熔化焊丝；而低熔点焊丝则直接插入熔池中，主要依靠熔池的热量熔化焊丝；

若是采用一种焊丝与一种粉末作为填充材料，则焊丝与粉末状材料均是送入到热源中心，主要依靠热源的热量熔化填充材料；

若是完全采用粉末作为填充材料，则粉末状材料直接送入热源中心。

5.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于：步骤(4)中，填充材料同时熔化，均是形成一个熔池。

6.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于：制造该类零件的材料包括镍铝金属间化合物、钛铝金属间化合物和铁铝金属间化合物。