CN108326463A - 一种利用缆式焊丝制备金属间化合物零件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种利用缆式焊丝制备金属间化合物零件的熔丝增材制造方法。该方法以满足金属间化合物成分配比的缆式焊丝为填充材料，采用熔丝增材制造设备制备金属间化合物零件，既可有效解决熔丝增材制造中金属间化合物难以拉拔成丝，以及送粉增材制造中沉积件致密度差、成分不均匀等问题，又可依据金属间化合物增材成分配比与制造需求灵活设计各种类型缆式焊丝，实现多类型金属间化合物的熔丝增材制造。本发明采用的缆式丝状材料为实心焊丝或药芯焊丝，能够实现金属间化合物零件的低成本、高效率、高质量制备，所制备的零件性能相对铸件也有所提高。

Description

一种利用缆式焊丝制备金属间化合物零件的方法

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，更具体地，涉及一种利用缆式焊丝制备金属间化合物零件的熔丝增材制造方法。

背景技术

金属间化合物是以两种金属或者一种金属与一种类金属以整数比(化学计量比)组成的化合物。金属间化合物内不再仅仅是金属键，还有共价键与离子键存在。金属间化合物特有的高熔点、低密度、优异的抗氧化性能与高温强度，预示着其在未来航空航天领域高温结构件中的应用前景广阔。

目前，制备金属间化合物类零件主要以定向凝固法、熔铸法等方法为主，这些传统方法有生产周期长、制备工艺复杂等缺点。而新型制造方法增材制造技术克服了传统方法的缺点，增材制造技术是利用热源对材料逐层熔化，无需开模，可直接制备高性能结构件的制造技术。当前，制备金属间化合物零件的增材制造技术主要是以粉末状材料作为填充材料，粉末状材料具有沉积效率低、材料成本高、易氧化、混合不均匀等缺点，阻碍了金属间化合物的实际推广应用。而熔丝增材制造以丝状材料为填充材料，不仅材料成本低，而且沉积效率高，这让增材制造技术的实际推广应用看到了希望。但是，金属间化合物的室温塑性差，难以拉拔成丝状材料。因此，金属间化合物类零件无法采用传统的焊丝进行熔丝增材制造。

关于金属间化合物的熔丝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，该专利提出以金属间化合物组成元素的丝状材料在层间交替送丝制备金属间化合物。但由于该方法采用层间交替送丝的方式，因此金属间化合物只能在层间生成，无法形成高纯的金属间化合物零件，难以完全发挥出金属间化合物的优势。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用缆式焊丝制备金属间化合物零件的熔丝增材制造方法，其目的在于以满足金属间化合物成分配比的缆式焊丝为填充材料，采用熔丝增材制造设备制备金属间化合物零件，由此解决现有技术金属间化合物零件制造方法存在的工艺复杂、生产周期长，并且难以制造复杂结构件，以及层间交替送丝难以制备高纯金属间化合物零件等技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用缆式焊丝制备金属间化合物零件的熔丝增材制造方法，包括如下步骤：

(1)将金属间化合物组成元素的丝状材料作为缆式焊丝的中心焊丝或外围焊丝，依据金属间化合物成分配比设计缆式焊丝，得到满足金属间化合物成分配比的缆式焊丝；

(2)将所述满足金属间化合物成分配比的缆式焊丝作为熔丝增材制造的填充材料，采用熔丝增材制造方法制备金属间化合物零件。

优选地，所述的增材制造方法，具体包括如下步骤：

(1)依据金属间化合物成分配比设计缆式焊丝，通过改变外围焊丝的直径、数量以及中心焊丝的直径，使缆式焊丝成分满足金属间化合物的成分配比；

(2)将基板固定，根据零件的三维形状，设计热源的行走路径，并选择沉积起始点；

(3)沉积开始后，热源将缆式焊丝熔化，随后凝固成型；当热源沿着设定的行走路径沉积完一层时，停止沉积；

(4)根据单层沉积的厚度，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；

(5)重复步骤(3)和(4)，直至完成所设定的沉积层数，得到所述金属间化合物零件。

优选地，所述熔丝增材制造方法为电弧熔丝增材制造、激光熔丝增材制造或电子束熔丝增材制造。

优选地，所述金属间化合物为镍钛金属间化合物、镍铝金属间化合物或钛铝金属间化合物。

优选地，所述缆式焊丝的中心焊丝为实心焊丝或药芯焊丝；所述缆式焊丝的外围焊丝为实心焊丝或药芯焊丝。

优选地，步骤(4)中，改变热源与沉积件的高度，使之与设定值保持一致，通过以下两种方式的任一种实现：(1)沉积件高度保持不变，抬高热源高度；(2)热源高度保持不变，降低沉积件高度。

优选地，所述熔丝增材制造设备的送丝机构中使用的是适用于缆式焊丝的送丝轮。

总体而言，本发明基于离散－堆积原理，以缆式焊丝作为主要填充材料，与现有技术方案相比，具有以下技术效果：

1、由于金属间化合物本身的脆性强，难以直接拉拔成丝状材料，因此难以直接使用传统熔丝增材制造的方法制备金属间化合物类零件。本发明利用缆式焊丝的中心焊丝与外围焊丝的不同，将金属间化合物组成元素的丝状材料制备成一根缆式焊丝，让其在熔池中反应生成金属间化合物，从而成功的解决了金属间化合物类零件难以使用熔丝增材制造的难题；

2、与传统的制造方法相比，本发明提出的利用缆式焊丝制备金属间化合物零件的熔丝增材制造方法有制备工艺简单，生产周期短等优点；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，可一步直接成形零件。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；

3、缆式焊丝融化时，外围焊丝将会发生逆焊丝缠绕方向的位移，从而使熔滴发生了旋转，形成了独特的旋转熔滴过渡形式，这有利于溶池中冶金反应的充分进行以及气泡的溢出，减少了沉积件中的冶金缺陷，从而提高了金属间化合物沉积件的综合性能；

4、组成缆式焊丝的中心焊丝与外围焊丝可用实心焊丝，也可用药芯焊丝，其中药芯焊丝中微量合金元素可调控缆式焊丝成分，进而调控沉积件的组织性能，实际应用的前景广阔；

5、采用缆式焊丝的单丝送丝系统相较于双丝层间交替送丝的双送丝系统，简化了实验装置，而且实现了高纯金属间化合物零件的制备，完全发挥了金属间化合物的优异性能。

附图说明

图1(a)是利用缆式焊丝制备金属间化合物零件的熔丝增材制造加工过程示意图，图1(b)为1+n型缆式焊丝截面图。

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-缆式焊丝，3-沉积件，4-基板，5-氩气保护气，6-实心中心焊丝，7-实心外围焊丝，8-药芯中心焊丝，9-药芯外围焊丝。

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。

本发明提出了一种利用缆式焊丝制备金属间化合物零件的熔丝增材制造方法，包括如下步骤：

(1)将金属间化合物组成元素的丝状材料作为缆式焊丝的中心焊丝和外围焊丝，依据金属间化合物成分配比设计缆式焊丝，得到满足金属间化合物成分配比的缆式焊丝。金属间化合物组成元素的丝状材料可以市购得到，依据金属间化合物成分配比自行加工或委托加工得到满足金属间化合物成分配比的缆式焊丝。

(2)将所述满足金属间化合物成分配比的缆式焊丝作为填充材料，采用熔丝增材制造方法制备金属间化合物零件。熔丝增材制造方法为电弧熔丝增材制造、激光熔丝增材制造或电子束熔丝增材制造；制造该类零件的材料可以但不限于镍钛金属间化合物、镍铝金属间化合物、钛铝金属间化合物等金属间化合物。

具体地，该制造方法包括如下步骤：

(1)设计金属间化合物缆式焊丝；该缆式焊丝由中心焊丝与外围焊丝组成，中心焊丝与外围焊丝采用金属间化合物组成元素的丝状材料，通过改变外围焊丝的直径、数量以及中心焊丝的直径，使缆式焊丝成分满足金属间化合物的成分配比；缆式焊丝的中心焊丝与外围焊丝两种焊丝可均为实心焊丝或者均为药芯焊丝，也可一种为实心焊丝，另一种为药芯焊丝。

(2)实验前准备工作，固定实验基板，并依据零件三维图形，合理设计热源的行走路径；行走路径可以由切片软件直接生成，也可以通过人工编程得到。

(3)选择合适工艺参数，开启熔丝增材制造设备，开始准备沉积；工艺参数主要包括热源功率、行走速度与送丝速度，这几个参数决定着沉积件的外观成形与内部质量；沉积方法送丝机构中使用的是特制的适用于缆式焊丝送丝轮，这样有利于提高送丝过程的稳定性，减少沉积过程中的缺陷，从而提高沉积件的综合性能。

(4)沉积开始后，热源沿着设定的行走路径行走同时将缆式焊丝熔化，即热源边移动边熔化缆式焊丝，从而形成连续均匀的沉积件，随后凝固冷却成形；沉积完一层后，停止沉积。

(5)根据单层沉积的厚度，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；单层沉积的厚度与工艺参数有关，在工艺参数不变的情况下，单层沉积的厚度变化不大。因此，单层沉积的厚度可在实验阶段先行测出来；沉积完一层后，改变热源与沉积件间的高度，这可通过保持沉积件高度不变，抬高热源高度或者保持热源高度不变，降低沉积件高度两个方式来实现，从而保证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。

图1(a)是本发明利用缆式焊丝制备金属间化合物零件的熔丝增材制造加工过程示意图，图1(b)为1+n型缆式焊丝截面图，具体为实心焊丝和药芯焊丝的四种组合类型；图1中1为等离子焊抢，2为缆式焊丝，3为沉积件，4为基板，5为氩气保护气，6为实心中心焊丝，7为实心外围焊丝，8为药芯中心焊丝，9为药芯外围焊丝。

本发明提出了一种利用缆式焊丝制备金属间化合物零件的熔丝增材制造方法，该缆式焊丝由中心焊丝与外围焊丝组成，中心焊丝与外围焊丝可以是同种材料，也可以是异种材料，可为实心焊丝，也可为药芯焊丝。该方法依靠缆式焊丝的外围焊丝与中心焊丝融化后在溶池中反应生成金属间化合物，成功的解决了金属间化合物难以拉拔成丝的难题，让熔丝增材制造制备金属间化合物类零件得以实现，同时也解决了送粉增材制造中沉积件致密度差、成分不均匀等问题，并且可依据金属间化合物增材成分配比与制造需求灵活设计各种类型缆式焊丝，实现多类型金属间化合物的熔丝增材制造。

本发明提出以金属间化合物组成元素的丝状材料作为缆式焊丝的中心焊丝与外围焊丝，并调整外围焊丝的直径和数量与中心焊丝直径使缆式焊丝成分满足金属间化合物成分配比，依靠外围焊丝与中心焊丝融化后在溶池中发生冶金反应生成金属间化合物，从而实现了金属间化合物零件的低成本、高效率、高质量制备，并且制备的零件性能相对铸件也有所提高。

以下为实施例：

本实施例要实现基于电弧熔丝增材制造方法，利用缆式焊丝制备Ti-Ni金属间化合物零件，缆式焊丝直径为1.6mm，实心镍丝为中心焊丝，直径为0.8mm的实心钛丝为外围焊丝，该缆式焊丝采用1+9的模式，即采用1根实心镍丝作为中心焊丝，9根实心钛丝作为外围焊丝，采用图1(b)左上角的焊丝组合类型。制备的该缆式焊丝直径为2.4mm。需要生产的零件设计尺寸如下：底部圆柱高为500mm、内径为顶部内径为壁厚为12mm，总高度为800mm，所用基板尺寸为400mm×400mm×20mm。焊丝为直径1.6mm的Ni-1纯镍焊丝与直径0.8mm的TA1纯钛焊丝，基板材料为Q235钢。具体制造步骤如下：

(1)依据金属间化合物配比，制备1+9模式的缆式焊丝，中心焊丝为直径1.6mm实心镍丝，外围焊丝由9根0.8mm的实心钛丝组成。因此，制备的该缆式焊丝直径为2.4mm；

(2)将基板固定在实验平台上，依据零件的形状，制定出合理的行走路径，并选择合适的沉积起始点；

(3)选择合适工艺参数：送丝速度为2m/min，焊接速度为2mm/s，焊接电流220A，调节氩气保护气流量为20L/min，沉积件离等离子热源的距离为6mm左右；

(4)沉积开始后，等离子弧一边沿设定的行走路径移动，一边将缆式焊丝熔化，随后凝固成形。当完成一层沉积时，停止沉积；

(5)由实验阶段的分析可知，在该参数下每层沉积厚度约为3.5mm。因此当沉积完一层后，保持沉积件的高度不变，将焊枪抬高3.5mm，随后继续沉积下一层；

(6)不断重复(4)、(5)，当完成设定的沉积层数230层后，停止沉积，最终便可得到Ti-Ni金属间化合物零件。

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 (7)

1.一种利用缆式焊丝制备金属间化合物零件的熔丝增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将金属间化合物组成元素的丝状材料作为缆式焊丝的中心焊丝或外围焊丝，依据金属间化合物成分配比设计缆式焊丝，得到满足金属间化合物成分配比的缆式焊丝；

(2)将所述满足金属间化合物成分配比的缆式焊丝作为熔丝增材制造的填充材料，采用熔丝增材制造方法制备金属间化合物零件。

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)依据金属间化合物成分配比设计缆式焊丝，通过改变外围焊丝的直径、数量以及中心焊丝的直径，使缆式焊丝成分满足金属间化合物的成分配比；

(2)将基板固定，根据零件的三维形状，设计热源的行走路径，并选择沉积起始点；

(3)沉积开始后，热源将所述缆式焊丝熔化，随后凝固成型；当热源沿着设定的行走路径沉积完一层时，停止沉积；

(4)根据单层沉积的厚度，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；

(5)重复步骤(3)和(4)，直至完成所设定的沉积层数，得到所述金属间化合物零件。

3.如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述熔丝增材制造方法为电弧熔丝增材制造、激光熔丝增材制造或电子束熔丝增材制造。

4.如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述金属间化合物为镍钛金属间化合物、镍铝金属间化合物或钛铝金属间化合物。

5.如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述缆式焊丝的中心焊丝为实心焊丝或药芯焊丝；所述缆式焊丝的外围焊丝为实心焊丝或药芯焊丝。

6.如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，步骤(4)中，改变热源与沉积件的高度，使之与设定值保持一致，通过以下两种方式中的任一种实现：(1)沉积件高度保持不变，抬高热源高度；(2)热源高度保持不变，降低沉积件高度。

7.如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述熔丝增材制造设备的送丝机构中使用的是适用于缆式焊丝的送丝轮。