CN108866542A - 一种基于3d打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺 - Google Patents

一种基于3d打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺，包括以下步骤：将锑和铜加入到真空熔炼室中完全熔解后，降温加入锡继续搅拌均匀后，再加入铋、铅和镉，高速搅拌，固化，得到ZSnSb11Cu6锡基巴氏合金锭；将锡基巴氏合金锭从导流嘴向下流出，通过限制式喷嘴和紧耦合喷嘴构成的二次层流喷射系统，再利用喷嘴喷出的高压气流将金属液体雾化破碎成液滴，液滴在自由落体和离心作用下分离冷却凝固，得到锡基巴氏合金粉末；将热处理的基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，最后经表面及边缘铣削加工，形成基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料。

Description

一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺
技术领域
本发明属于巴氏合金涂层技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺。
背景技术
巴氏合金具有良好的顺应性、抗疲劳性和镶嵌性，粉末或者丝材等形态的巴氏合金以喷涂或者浇筑的方式来制备和修复轴瓦材料，是一种优良的轴瓦材料，但是由于巴氏合金的熔点低，在制备和使用过程温度过高会导致巴氏合金软化，影响巴氏合金的形态，继而影响材料的使用寿命。
金属3D打印技术是以金属粉末为原料，按照设计的三维模型，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末等特殊材料进行逐层堆积黏结，在3D打印设备上加工制造出实体产品。金属3D打印技术与传统的制备技术相比，几乎不会造成金属材料的浪费，缩短了产品研发生产周期，且无需组装，降低了设备的问题，满足个性化定制的需求。
金属3D打印技术对金属粉末的要求较高，不仅要求金属粉末的纯净度高、氧含量低、球形度好、粉末粒径细小且分布窄，具有良好的可塑性和流动性和循环利用性。目前常用的金属3D打印粉末的主要金属元素有铁、钛、镍、铝、铜、钴、铬、银和金等。中国专利CN106191517B公开的一种用于生产双金属轴瓦材料的铜锡镍铋合金粉末的制备方法，将83-89wt％铜、7-9wt％锡、1-2wt％镍、3-7wt％铋作为原料，将铜在大气氛围中加热融化后，加入锡、镍和铋熔炼形成合金液，液面除渣后，升温加入玻璃和木炭，再次除渣，采用限制式环缝喷嘴在空气氛围下以0.7-1MPa的气压下雾化，高压气流集萃得到铜锡镍铋合金粉末。该方法制备的铜锡镍铋合金粉末利用镍增强力学性能，铋提高合金粉末的嵌入性和疲劳性能，铜锡镍铋合金粉末的粒径属于中细分，小于100μm的细颗粒占总量的99％以上，且球形较为规则，表面结构光滑，通过涂/熔工艺在钢板基体上敷烧结形成减摩涂层，赋予涂层具有良好的减摩性能、较好的抗咬合性和较高的承载能力。中国专利CN 107803501A公开的一种锡基巴氏合金构建的激光增材制造方法，在50-150℃的镀一层0.02-0.2mm锡层的钢板基板上铺设一定厚度的80-300目的锡基巴氏合金粉末层，用20-200W的激光束选区加热合金粉末层，使局部熔合，在基板表面形成激光熔覆层，然后下降一个合金粉末层的厚度，重复铺设锡基巴氏合金粉末层和激光束选区加热，得到厚度为0.02-0.2mm三维的锡基巴氏合金构件。上述现有技术，虽然公开了锡基合金粉末的制备及其在激光熔覆中的应用启示，但是目前可用于3D打印锡基巴氏合金粉末的球形度只有83％，粒径较大，雾化效率低，而且钢材表面多需要进行镀锡处理，且为了保证其良好的组织性能和晶粒形态，需要切去最后凝固的部位，造成了材料的严重浪费。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺，首先利用含二次层流喷射系统的气雾装置制备得到粒径小于45μm的锡基巴氏合金粉末的含量大于等于50％，锡基巴氏合金粉末的颗粒球形度Ψ0≥0.95，充分满足3D打印技术对金属粉末的要求，然后借助激光熔覆技术，在激光熔覆的同时输送锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，形成基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料。本发明将气雾法与激光熔覆技术相结合，制备得到基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料，材料表面平整度好，且与基材结合力强。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将锡基巴氏合金锭融化后，从导流嘴向下流出，通过限制式喷嘴和紧耦合喷嘴构成的二次层流喷射系统，在利用喷嘴喷出的高压气流将金属液体雾化破碎成液滴，液滴在自由落体和离心作用下分离冷却凝固，得到锡基巴氏合金粉末；
(2)将热处理的基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，最后经表面及边缘铣削加工，形成基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料。
将基材用粗砂纸打磨，去除表面氧化层，不仅增加激光吸收率，还可提高锡基巴氏合金底层与基材的结合力。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，锡基巴氏合金锭中的组分的质量百分比为：Sn余量，Cu 5.5-6.5，Sb 10.0-12.0，Fe≤0.1，Zn≤0.01，Bi≤0.03，As≤0.1，Al≤0.01，Pb≤0.35，Cd≤0.35，其他元素≤0.55。
作为上述技术方案的优选，所述锡基巴氏合金锭的制备方法为：将锑和铜加入到真空熔炼室中，抽真空至0.5-3Pa，先以5-10℃/min的速率升温至800-850℃，保温5-10min后，以1-3℃/min的速率升温至1050-1250℃，保温至完全熔解后，降温至800-850℃，加入锡继续搅拌均匀后，以1-5℃/min的速率升温至900-950℃，加入铋、铅和镉，在8000-12000r/min下高速搅拌，固化，得到ZSnSb11Cu6锡基巴氏合金锭。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，雾化的压力为2-6MPa，高压气流为1000NM3/h的纯度为99.999％的氮气。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，锡基巴氏合金粉末的收率大于90％，粒径小于45μm的锡基巴氏合金粉末的含量大于等于50％，锡基巴氏合金粉末的颗粒球形度Ψ0≥0.95。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，分离冷却凝固的转速为500-2000r/min，自由落体的时间为5-40min。
本发明选用的主要原料为锡基巴氏合金粉末和钢基材，由于锡基巴氏合金与钢基材热物性差异较大，在进行第一层熔覆的时主要为锡基巴氏合金与钢基材之间的结合，其结合质量的好坏直接影响着锡基巴氏合金与钢基材的结合力。后续的熔覆层均是在锡基巴氏合金基体上进行的熔覆，由于锡基巴氏合金的液相点温度为370℃，温度较低属于低熔点合金，因此如果输入能量较大，会导致熔覆过程中熔池铺展较开甚至发生熔池坍塌导致锡基巴氏合金锭体流淌，所以基于锡基巴氏合金的液相点温度为370℃、钢基材熔点为1530℃，多层单道和多层多道的工艺参数并不一样。研究发现，激光功率在600-2800W时熔覆层表面光洁饱满，熔覆过程较为平稳，无明显的飞溅现象，形成锡基巴氏合金底层。
激光熔覆过程中单层单道熔覆层上表面被视为圆弧形，道与道之间搭接要保持表面的平整性，重叠部分面积应等于熔覆层顶部空缺部分面积。根据熔覆层道与道之间的搭接率η＝(W-C)/W，根据以往的熔覆经验，要想得到表面平整度较好的熔覆层表面，道与道之间的搭接率取40％。根据搭接率计算公式η＝(W-C)/W及熔覆第一层和后续熔覆层过程中对应的工艺参数得到的单层单道锡基巴氏合金熔覆层尺寸参数计算得到道与道间偏离距离C。
因此，以基体为材料，进行激光熔覆锡基巴氏合金熔覆层时，激光功率必须大于1400w才能保证锡基巴氏合金熔覆层与基体之间形成良好的结合；但激光功率不能太大，当激光功率大于等于2600w时，锡基巴氏合金熔覆层表面有明显的氧化发黑现象。在锡基巴氏合金为基体进行激光熔覆锡基巴氏合金熔覆层时，工艺参数按照送粉速率Q＝15-22g/min，激光束扫描速度V＝18-22mm/s，光斑尺寸D＝3-3.4mm，保护气压力0.3-0.5MPa，激光功率最好为600-1200W。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，多层多道激光熔覆的工艺参数为：第一层工艺参数：激光功率为600-2800W，激光束扫描速率为18-22mm/s，送粉速率为15-22g/min，道间搭接率为30-50％，保护气流量0.3-0.5MPa，光斑尺寸为3-3.4mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为600-1200w，激光束扫描速率为18-22mm/s，送粉速率为15-22g/min，道间搭接率为30-50％，保护气流量0.3-0.5MPa，光斑尺寸为3-3.4mm。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，基材为组织为铁素体和珠光体的碳素钢材，所述碳素钢材的组成按重量百分比为：C 0.17-0.24，Si 0.17-0.37，Mn 0.35-0.65，S≤0.25，P≤0.035，Cr≤0.25，Ni≤0.25，Cu≤0.25，其余为Fe，所述碳素钢材的抗拉强度≥410MPa，屈服强度≥245MPa，未热处理硬度≤156HB。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的表面粗糙度Ra＜5μm。
根据国标GB1174-92指出，对于某一牌号的轴承合金其结合强度随合金层厚度增加而增加，当合金层增加到某一值时，其结合强度值保持不变，即不再随厚度增加而增加，此时的合金厚度值称为极限值，作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料中锡基巴氏合金涂层的厚度不低于5mm，锡基巴氏合金涂层与基材的结合力大于100MPa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制备的基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料首先利用含二次层流喷射系统的气雾装置，抑制卫星球的产生，粒度可控性增强，制备得到粒径小于45μm的锡基巴氏合金粉末的含量大于等于50％，锡基巴氏合金粉末的颗粒球形度Ψ0≥0.95，提高以往设备制备的金属粉末球形度只有83％的劣势，且显著提高了雾化效率，以粒径低于100目的金属粉体为例，以往设备的雾化效率只有85％，本发明优化后的雾化效率可达98％，充分满足3D打印技术对金属粉末的要求，然后借助激光熔覆技术，在激光熔覆的同时输送锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，形成基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料。本发明将气雾法与激光熔覆技术相结合，制备得到基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料，材料表面平整度好，且与基材结合力强。
(2)本发明制备的基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料使采用激光熔覆的方式进行巴氏合金的熔覆优势：激光加工具有极冷极热的特点，该方法得到的组织较为细化均匀；在轴瓦胚体上直接进行激光熔覆，微观组织具有定向凝固生长的特点；采用激光熔覆的方式在碳素钢材上熔覆巴氏合金，只需要熔覆4mm的熔覆层厚度，加工余量仅为1mm远远低于6mm的加工厚度，避免了材料的过度浪费；可以免去挂锡的过程直接在碳素钢材基体上进行巴氏合金熔覆。此外，锡基巴氏合金轴瓦由于长期承受支撑力和摩擦力容易损坏，所以需要及时修复，保证设备的正常运行，激光熔覆沉积方式特别适合于零件的修复。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
附图1是锡基巴氏合金粉末的扫描电镜图。
附图2是不同激光功率下基于3D打印技术的单层锡基巴氏合金涂层材料的形貌图。
附图2是在600-2800W激光功率，激光束扫描速率为18-22mm/s，送粉速率为15-22g/min，光斑尺寸为3-3.4mm的条件下，单层单道锡基巴氏合金熔覆层的形貌图，可得知1400w—2600w之间选择形貌较好的单层单道锡基巴氏合金熔覆层，即当激光功率为2000w时所得的熔覆层表面光洁，熔覆层外形较为饱满，表面无明显的氧化现象。
附图3是基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的形貌图。
由附图3可知，基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料成形表面较为平整光滑，在垂直于扫描速度方向的一侧同样存在着能量累计导致的熔池坍塌，锡基巴氏合金熔覆层向外侧流淌。
附图4是基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料中涂覆锡基巴氏合金涂层与钢材的界面交界处电镜图。
附图4中钢基材与锡基巴氏合金熔覆层间有一条明显的白亮色中间界面层，中间界面层的产生表明锡基巴氏合金与钢基材实现了较好的冶金结合，这对提高两种合金间的结合强度至关重要。由图5可知，锡基巴氏合金微观组织中析出较多的菱形、星形块状析出物，为块状析出物主要为SbSn相，黑色基体相中弥散分布着较多白亮细小针状组织，为Cu6Sn5相。SbSn和Cu6Sn5金属间化合物在熔池凝固过程中析出，并相对均匀的分布于基体相中，一方面增加了基体相的耐磨性和硬度，另一方面当轴承合金摩擦磨损过程中对基体相起支撑作用，防止较软的锡基固溶体相较快磨损。
附图5是基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层的电镜图。
由附图5可知，锡基巴氏合金微观组织中析出较多的菱形、星形块状析出物，其中，块状析出物主要为SbSn相，黑色基体相中弥散分布着较多白亮细小针状组织，其中细小针状组织为Cu6Sn5相。SbSn和Cu6Sn5金属间化合物在熔池凝固过程中析出，并相对均匀的分布于基体相中，一方面增加了基体相的耐磨性和硬度，另一方面当轴承合金摩擦磨损过程中对基体相起支撑作用，防止较软的锡基固溶体相较快磨损。
附图6是锡基巴氏合金涂层和钢基材表面进行EDS线扫描结果图。
由附图6的EDS线扫描可知，从钢基材到锡基巴氏合金底层各元素呈线性过渡，两种金属间有明显的过渡层，过渡层的生成对提高两种合金间的结合强度具有重要作用。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
基材为组织为铁素体和珠光体的碳素钢材，所述碳素钢材的组成按重量百分比为：C 0.17-0.24，Si 0.17-0.37，Mn 0.35-0.65，S≤0.25，P≤0.035，Cr≤0.25，Ni≤0.25，Cu≤0.25，其余为Fe，所述碳素钢材的抗拉强度≥410MPa，屈服强度≥245MPa，未热处理硬度≤156HB。
实施例1：
(1)将锑和铜加入到真空熔炼室中，抽真空至0.5Pa，先以5℃/min的速率升温至800℃，保温5min后，以1℃/min的速率升温至1050℃，保温至完全熔解后，降温至800℃，加入锡继续搅拌均匀后，以1℃/min的速率升温至900℃，加入铋、铅和镉，在8000r/min下高速搅拌，固化，得到ZSnSb11Cu6锡基巴氏合金锭，其中，锡基巴氏合金锭中的组分的质量百分比为：Sn余量，Cu 5.5-6.5，Sb10.0-12.0，Fe≤0.1，Zn≤0.01，Bi≤0.03，As≤0.1，Al≤0.01，Pb≤0.35，Cd≤0.35，其他元素≤0.55。
(2)将锡基巴氏合金锭从导流嘴向下流出，通过限制式喷嘴和紧耦合喷嘴构成的二次层流喷射系统，在2MPa工作压力下，再利用喷嘴喷出的流量为1000NM3/h的99.999％的氮气高压气流将金属液体雾化破碎成液滴，液滴在自由落体和转速为500r/min的离心作用下分离冷却凝固5min，得到锡基巴氏合金粉末。
(3)将基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，多层多道激光熔覆的工艺参数为：第一层工艺参数：激光功率为1400w，激光束扫描速率为18mm/s，送粉速率为15g/min，道间搭接率为30％，保护气流量0.3MPa，光斑尺寸为3mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为600w，激光束扫描速率为18-22mm/s，送粉速率为15g/min，道间搭接率为30％，保护气流量0.3MPa，光斑尺寸为3mm，最后经表面及边缘铣削加工，形成表面粗糙度Ra＜5μm的基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料。
实施例1制备的不同合金层厚度基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料中锡基巴氏合金涂层与基材的结合强度如下表所示：
合金层厚度/mm 最大剪切力Fmax/KN 结合强度σch/Mpa
5 20.375 101.875
8 27.536 137.68
实施例2：
(1)将锑和铜加入到真空熔炼室中，抽真空至3Pa，先以10℃/min的速率升温至850℃，保温10min后，以3℃/min的速率升温至1250℃，保温至完全熔解后，降温至850℃，加入锡继续搅拌均匀后，以5℃/min的速率升温至950℃，加入铋、铅和镉，在12000r/min下高速搅拌，固化，得到ZSnSb11Cu6锡基巴氏合金锭，其中，锡基巴氏合金锭中的组分的质量百分比为：Sn余量，Cu 5.5-6.5，Sb10.0-12.0，Fe≤0.1，Zn≤0.01，Bi≤0.03，As≤0.1，Al≤0.01，Pb≤0.35，Cd≤0.35，其他元素≤0.55。
(2)将锡基巴氏合金锭从导流嘴向下流出，通过限制式喷嘴和紧耦合喷嘴构成的二次层流喷射系统，在6MPa工作压力下，再利用喷嘴喷出的流量为1000NM3/h的99.999％的氮气高压气流将金属液体雾化破碎成液滴，液滴在自由落体和转速为2000r/min的离心作用下分离冷却凝固40min，得到锡基巴氏合金粉末。
(3)将基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，多层多道激光熔覆的工艺参数为：第一层工艺参数：激光功率为2600w，激光束扫描速率为22mm/s，送粉速率为22g/min，道间搭接率为50％，保护气流量0.5MPa，光斑尺寸为3.4mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为1200w，激光束扫描速率为22mm/s，送粉速率为22g/min，道间搭接率为50％，保护气流量0.5MPa，光斑尺寸为3.4mm，最后经表面及边缘铣削加工，形成表面粗糙度Ra＜5μm的基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料。
实施例2制备的不同合金层厚度基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料中锡基巴氏合金涂层与基材的结合强度如下表所示：
合金层厚度/mm 最大剪切力Fmax/KN 结合强度σch/Mpa
5 20.496 101.923
8 27.689 137.720
实施例3：
(1)将锑和铜加入到真空熔炼室中，抽真空至1.5Pa，先以6℃/min的速率升温至830℃，保温6min后，以1.5℃/min的速率升温至1150℃，保温至完全熔解后，降温至830℃，加入锡继续搅拌均匀后，以3℃/min的速率升温至920℃，加入铋、铅和镉，在10000r/min下高速搅拌，固化，得到ZSnSb11Cu6锡基巴氏合金锭，其中，锡基巴氏合金锭中的组分的质量百分比为：Sn余量，Cu 5.5-6.5，Sb10.0-12.0，Fe≤0.1，Zn≤0.01，Bi≤0.03，As≤0.1，Al≤0.01，Pb≤0.35，Cd≤0.35，其他元素≤0.55。
(2)将锡基巴氏合金锭从导流嘴向下流出，通过限制式喷嘴和紧耦合喷嘴构成的二次层流喷射系统，在4MPa工作压力下，再利用喷嘴喷出的流量为1000NM3/h的99.999％的氮气高压气流将金属液体雾化破碎成液滴，液滴在自由落体和转速为1500r/min的离心作用下分离冷却凝固10min，得到锡基巴氏合金粉末。
(3)将基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，多层多道激光熔覆的工艺参数为：第一层工艺参数：激光功率为2200w，激光束扫描速率为19mm/s，送粉速率为18g/min，道间搭接率为45％，保护气流量0.4MPa，光斑尺寸为3.2mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为800w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为19g/min，道间搭接率为35％，保护气流量0.35MPa，光斑尺寸为3.1mm，最后经表面及边缘铣削加工，形成表面粗糙度Ra＜5μm的基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料。
实施例3制备的不同合金层厚度基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料中锡基巴氏合金涂层与基材的结合强度如下表所示：
合金层厚度/mm 最大剪切力Fmax/KN 结合强度σch/Mpa
5 20.396 101.834
8 27.815 137.691
实施例4：
(1)将锑和铜加入到真空熔炼室中，抽真空至2.5Pa，先以7.5℃/min的速率升温至830℃，保温7min后，以2.5℃/min的速率升温至1200℃，保温至完全熔解后，降温至840℃，加入锡继续搅拌均匀后，以3℃/min的速率升温至930℃，加入铋、铅和镉，在11000r/min下高速搅拌，固化，得到ZSnSb11Cu6锡基巴氏合金锭，其中，锡基巴氏合金锭中的组分的质量百分比为：Sn余量，Cu5.5-6.5，Sb 10.0-12.0，Fe≤0.1，Zn≤0.01，Bi≤0.03，As≤0.1，Al≤0.01，Pb≤0.35，Cd≤0.35，其他元素≤0.55。
(2)将锡基巴氏合金锭从导流嘴向下流出，通过限制式喷嘴和紧耦合喷嘴构成的二次层流喷射系统，在4.5MPa工作压力下，再利用喷嘴喷出的流量为1000NM3/h的99.999％的氮气高压气流将金属液体雾化破碎成液滴，液滴在自由落体和转速为1800r/min的离心作用下分离冷却凝固25min，得到锡基巴氏合金粉末。
(3)将基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，多层多道激光熔覆的工艺参数为：第一层工艺参数：激光功率为2800w，激光束扫描速率为20mm/s，送粉速率为16g/min，道间搭接率为45％，保护气流量0.45MPa，光斑尺寸为3.2mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为1050w，激光束扫描速率为22mm/s，送粉速率为21g/min，道间搭接率为45％，保护气流量0.35MPa，光斑尺寸为3.22mm，最后经表面及边缘铣削加工，形成表面粗糙度Ra＜5μm的基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料。
实施例4制备的不同合金层厚度基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料中锡基巴氏合金涂层与基材的结合强度如下表所示：
合金层厚度/mm 最大剪切力Fmax/KN 结合强度σch/Mpa
5 20.402 101.956
8 27.694 137.711
实施例5：
(1)将锑和铜加入到真空熔炼室中，抽真空至0.5Pa，先以10℃/min的速率升温至800℃，保温10min后，以1℃/min的速率升温至1250℃，保温至完全熔解后，降温至800℃，加入锡继续搅拌均匀后，以5℃/min的速率升温至900℃，加入铋、铅和镉，在12000r/min下高速搅拌，固化，得到ZSnSb11Cu6锡基巴氏合金锭，其中，锡基巴氏合金锭中的组分的质量百分比为：Sn余量，Cu 5.5-6.5，Sb10.0-12.0，Fe≤0.1，Zn≤0.01，Bi≤0.03，As≤0.1，Al≤0.01，Pb≤0.35，Cd≤0.35，其他元素≤0.55。
(2)将锡基巴氏合金锭从导流嘴向下流出，通过限制式喷嘴和紧耦合喷嘴构成的二次层流喷射系统，在2MPa工作压力下，再利用喷嘴喷出的流量为1000NM3/h的99.999％的氮气高压气流将金属液体雾化破碎成液滴，液滴在自由落体和转速为2000r/min的离心作用下分离冷却凝固5min，得到锡基巴氏合金粉末。
(3)将基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，多层多道激光熔覆的工艺参数为：第一层工艺参数：激光功率为2600w，激光束扫描速率为19.5mm/s，送粉速率为10.5g/min，道间搭接率为30％，保护气流量0.4MPa，光斑尺寸为3.2mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为1000w，激光束扫描速率为19.5mm/s，送粉速率为20g/min，道间搭接率为50％，保护气流量0.4MPa，光斑尺寸为3.3mm，最后经表面及边缘铣削加工，形成表面粗糙度Ra＜5μm的基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料。
实施例5制备的不同合金层厚度基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料中锡基巴氏合金涂层与基材的结合强度如下表所示：
合金层厚度/mm 最大剪切力Fmax/KN 结合强度σch/Mpa
5 20.457 101.884
8 27.663 137.710
实施例6：
(1)将锑和铜加入到真空熔炼室中，抽真空至3Pa，先以5℃/min的速率升温至850℃，保温5min后，以3℃/min的速率升温至1050℃，保温至完全熔解后，降温至850℃，加入锡继续搅拌均匀后，以1℃/min的速率升温至950℃，加入铋、铅和镉，在8000r/min下高速搅拌，固化，得到ZSnSb11Cu6锡基巴氏合金锭，其中，锡基巴氏合金锭中的组分的质量百分比为：Sn余量，Cu 5.5-6.5，Sb10.0-12.0，Fe≤0.1，Zn≤0.01，Bi≤0.03，As≤0.1，Al≤0.01，Pb≤0.35，Cd≤0.35，其他元素≤0.55。
(2)将锡基巴氏合金锭从导流嘴向下流出，通过限制式喷嘴和紧耦合喷嘴构成的二次层流喷射系统，在6MPa工作压力下，再利用喷嘴喷出的流量为1000NM3/h的99.999％的氮气高压气流将金属液体雾化破碎成液滴，液滴在自由落体和转速为500r/min的离心作用下分离冷却凝固40min，得到锡基巴氏合金粉末。
(3)将基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，多层多道激光熔覆的工艺参数为：第一层工艺参数：激光功率为1400w，激光束扫描速率为22mm/s，送粉速率为15g/min，道间搭接率为50％，保护气流量0.5MPa，光斑尺寸为3mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为600w，激光束扫描速率为22mm/s，送粉速率为15g/min，道间搭接率为50％，保护气流量0.5MPa，光斑尺寸为3mm，最后经表面及边缘铣削加工，形成表面粗糙度Ra＜5μm的基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料。
实施例6制备的不同合金层厚度基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料中锡基巴氏合金涂层与基材的结合强度如下表所示：
合金层厚度/mm 最大剪切力Fmax/KN 结合强度σch/Mpa
5 20.390 101.946
8 27.672 137.735
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将锡基巴氏合金锭融化后，从导流嘴向下流出，通过限制式喷嘴和紧耦合喷嘴构成的二次层流喷射系统，在利用喷嘴喷出的高压气流将金属液体雾化破碎成液滴，液滴在自由落体和离心作用下分离冷却凝固，得到锡基巴氏合金粉末；
(2)将基材用粗砂纸打磨后，在激光熔覆的同时输送锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，最后经表面及边缘铣削加工，形成基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺，其特征在于：所述步骤(1)中，锡基巴氏合金中的组分的质量百分比为：Sn余量，Cu 5.5-6.5，Sb 10.0-12.0，Fe≤0.1，Zn≤0.01，Bi≤0.03，As≤0.1，Al≤0.01，Pb≤0.35，Cd≤0.35，其他元素≤0.55。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺，其特征在于：所述步骤(1)中，所述锡基巴氏合金的制备方法为：将锑和铜加入到真空熔炼室中，抽真空至0.5-3Pa，先以5-10℃/min的速率升温至800-850℃，保温5-10min后，以1-3℃/min的速率升温至1050-1250℃，保温至完全熔解后，降温至800-850℃，加入锡继续搅拌均匀后，以1-5℃/min的速率升温至900-950℃，加入铋、铅和镉，在8000-12000r/min下高速搅拌，固化，得到ZSnSb11Cu6锡基巴氏合金锭。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺，其特征在于：所述步骤(1)中，雾化的压力为2-6MPa，高压气流为1000NM3/h的纯度为99.999％的氮气。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺，其特征在于：所述步骤(1)中，锡基巴氏合金粉末的收率大于90％，粒径小于45μm的锡基巴氏合金粉末的含量大于等于50％，锡基巴氏合金粉末的颗粒球形度Ψ0≥0.95。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺，其特征在于：所述步骤(1)中，分离冷却凝固的转速为500-2000r/min，自由落体的时间为5-40min。
7.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，多层多道激光熔覆的工艺参数为：第一层工艺参数：激光功率为600-2800W，激光束扫描速率为18-22mm/s，送粉速率为15-22g/min，道间搭接率为30-50％，保护气流量0.3-0.5MPa，光斑尺寸为3-3.4mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为600-1200w，激光束扫描速率为18-22mm/s，送粉速率为15-22g/min，道间搭接率为30-50％，保护气流量0.3-0.5MPa，光斑尺寸为3-3.4mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，基材为组织为铁素体和珠光体的碳素钢材，所述碳素钢材的组成按重量百分比为：C 0.17-0.24，Si 0.17-0.37，Mn 0.35-0.65，S≤0.25，P≤0.035，Cr≤0.25，Ni≤0.25，Cu≤0.25，其余为Fe，所述碳素钢材的抗拉强度≥410MPa，屈服强度≥245MPa，未热处理硬度≤156HB。
9.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的表面粗糙度Ra＜5μm。
10.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料的制备工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，基于3D打印技术的锡基巴氏合金涂层材料中锡基巴氏合金涂层的厚度不低于5mm。
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