CN109128164A - 一种硬质合金零件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于硬质合金零件加工技术领域，公开了一种硬质合金零件的制造方法，包括：通过高能束扫描粉床上的底板或所述底板上已成形的零件截面，使底板或底板上已成形的零件截面温度达到预设温度；在底板上或所述底板上已成形的零件截面上铺设球形硬质合金粉末；对铺设好的硬质合金粉末层进行扫描预热；对预热后的硬质合金粉末层进行扫描熔化，成形出新的零件截面；重复硬质合金粉末层的铺设、预热以及熔化步骤，直至成形出硬质合金零件。本发明通过高能束扫描使底板或已成形的零件截面处于较高的温度状态，使得硬质合金零件成形应力低，打印过程硬质合金零件不会开裂或开裂倾向小，成形出的硬质合金零件致密度高。

Description

一种硬质合金零件的制造方法
技术领域
本发明涉及硬质合金零件加工技术领域，尤其涉及一种硬质合金零件的制造方法。
背景技术
硬质合金是由难熔金属化合物(如WC、TiC、TaC、NbC等)和粘结金属(Co、Ni、Fe等)组成的，用粉末冶金方法生产的具有硬质相和粘结相组织结构特征的一种金属-陶瓷复合材料。传统的硬质合金零件一般采用粉末冶金方法，以上传统工艺存在以下问题，一是工艺流程长，二是需要开模具，无法成行一些形状复杂的部件，三是真空烧结能耗高，四是无法实现数字化生产。此外，由于传统制备方法中混合料成分配比是压模前完成的，其组分成分不变，制备出的硬质合金组织均匀，机械性能一致，无法满足一个零件既具有高硬度又具有高强韧性的要求。
针对上述问题，目前可采用增材制造(3D打印)技术进行硬质合金零件的直接制造，其采用数据驱动，直接由零件的数字化模型驱动，无需模具即可直接制造，且可以成形任意复杂形状，此外增材制造技术的工艺流程短，有利于小批量个性化定制。因此，采用增材制造(3D打印)技术，能够更好的实现对硬质合金零件的制造。
现有增材制造(3D打印)技术主要采用以下几种方式进行硬质合金零件的制造：
1、将硬质合金和有机粘接剂进行湿磨，将湿磨得到的浆料用喷头挤出，控制喷头的运动轨迹，通过逐层叠加的方法制备出坯料。然后进行烧结。其和传统方法区别不大，只是把模压成形的过程改成了喷头堆积，仍然存在工艺流程长、烧结过程能耗高的特点。
2、3DP技术，粉末原材料为硬质合金的粉末，每铺一层粉末，喷头打印有机粘接剂，得到一个截面。通过逐层打印有机粘接剂的方法得到坯料，然后进行烧结，将有机粘接剂脱除，得到硬质合金零件。这种技术存在的问题有：一是仍然需要进行烧结，导致其制造工艺流程长；二是有机粘接剂在脱除后，得到的硬质合金零件内部孔隙多，致密度低；三是脱除有机粘接剂的过程中，零件会收缩，不利于控制成形精度。
3、SLM技术，即激光选区熔化，粉末原材料为硬质合金的粉末，每铺一层粉末，激光扫描并熔化截面内的粉末材料。通过逐层熔化直接得到硬质合金零件。这种技术存在的问题有：一是SLM技术中，其粉床温度低，成形应力大，不适合硬质合金这种高脆性的材料，零件在打印过程中非常容易开裂，且难熔金属化合物(WC、TiC、TaC、NbC等)含量越高，开裂倾向越大；二是激光功率低，难以完全熔化难熔金属化合物，导致成形件致密度不足。
4、利用渗碳热处理的方法制备由外往里呈连续变化的硬质合金材料。此类方法主要是通过利用含碳量低的混合料制备出硬质合金，然后在高温下对其进行固相渗碳处理得到钴相呈现梯度分布的硬质合金，但此方法制备的硬质合金表面含钴量较低，过渡层含钴量较高，芯部出现脆性相。另外一种方法是对有正常组织的硬质合金进行表层脱碳处理，然后再对其进行固相渗碳处理，得到芯部没有脆性相，表层钴量呈梯度分布的梯度硬质合金，但该方法受前期脱碳处理的影响很大。还有一种方法是进行气相渗碳的方法，该方法与固态渗碳工艺类似，且芯部没有脆性相。但上述渗碳方法制备的硬质合金的梯度层厚度有限，且工艺周期长，能耗高，而且需要渗碳介质。而且上述方法在成型前需要将难熔金属化合物粉末和粘结金属粉末预先混得到混合粉末才能进行后续工艺。
5、利用多种组分含量不同的混合粉末通过传统粉末冶金方法制备梯度硬质合金。如在公开号为CN108034877A的专利申请中，先制备Ni3Al金属件化合物粉末，然后与WC粉末及成形剂进行湿式球磨。分别得到高Ni3Al含量混合粉末和低Ni3Al含量混合粉末。随后先对高Ni3Al含量混合粉末进行预压成型，得到芯部方块，在利用冷等静压处理；然后在芯部方块外包覆一层低Ni3Al含量混合粉末，预压成型得到整体方块，再进行冷等静压处理，得到最终预压方块。最后将所得预压方块进行真空烧结，得到梯度硬质合金方块。该方法在传统的硬质合金制备方法的基础上进行的优化，但是依然存在传统工艺的一些缺点，如混合粉末必须提前配制完成再成型，工艺流程长，需要开模，无法成型形状复杂的零件等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硬质合金零件的制造方法，在打印过程硬质合金零件不会开裂或开裂倾向小，成形的硬质合金零件的成形精度以及致密度更高。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种硬质合金零件的制造方法，包括以下步骤：
通过高能束扫描粉床上的底板或所述底板上已成形的零件截面，使所述底板或所述底板上已成形的零件截面温度达到预设温度；
在所述底板上或所述底板上已成形的零件截面上铺设球形硬质合金粉末；
对铺设好的硬质合金粉末层进行扫描预热；
对预热后的所述硬质合金粉末层进行扫描熔化，成形出新的零件截面；
重复硬质合金粉末层的铺设、预热以及熔化步骤，直至成形出硬质合金零件。
作为优选，还包括：
将所述球形硬质合金粉末中的低熔点粘结金属的成分百分比设置为x+△x，其中：x为所述硬质合金零件中的低熔点粘结金属的目标成分百分比，△x为成形出所述硬质合金零件所需的球形硬质合金粉末在熔化时，其低熔点粘结金属的损失量。
作为优选，所述△x的值与所述高能束的能量密度成正比。
作为优选，所述高能束的能量密度采用以下公式计算：
能量密度＝高能束功率/(粉末层厚度×高能束的扫描速度×高能束的扫描线间距)。
作为优选，所述高能束为电子束，且所述电子束处于真空环境下，且所述真空环境通过氦气灌流。
作为优选，所述球形硬质合金粉末采用等离子球化工艺制成。
作为优选，所述预设温度为700℃-2000℃。
作为优选，所述预热采用网格式扫描方式进行扫描。
作为优选，所述网格式扫描包括：
将所述硬质合金粉末层沿竖直方向分成M1个水平区域，在每个所述水平区域内平行设有N1个扫描路径H；
将所述硬质合金粉末层沿水平方向分成M2个竖直区域，在每个所述竖直区域内平行设有N2个扫描路径V；
控制所述高能束沿M1个水平区域内的扫描路径H(m1，n1)以及M2个竖直区域内的扫描路径V(m2，n2)交替的对所述硬质合金粉末层进行扫描，直至所有扫描路径全部使用，其中m1＝1,2,3…M1，n1＝1,2,3…N1，m2＝1,2,3…M2，n2＝1,2,3…N2。
作为优选，所述成形出硬质合金零件之后，还包括：
清理所述硬质合金零件周边的未熔化的球形硬质合金粉末，并对所述硬质合金零件的表面进行光洁化处理。
作为优选，所述硬质合金粉末包括按预设比例混合的难熔金属化合物粉末以及粘结金属粉末。
作为优选，所述难熔金属化合物粉末以及所述粘结金属粉末均单独置于一个粉箱内，且所述难熔金属化合物粉末以及所述粘结金属粉末通过混粉器混合形成所述硬质合金粉末。
本发明能够实现对硬质合金为原材料的零件的增材制造，且成形的硬质合金零件的成形精度更高。通过高能束扫描对底板或已成形的零件截面进行扫描，以使底板或已成形的零件截面处于较高的温度状态，使得硬质合金零件成形应力低，打印过程硬质合金零件不会开裂或开裂倾向小，且通过高能束对铺设的硬质合金粉末层进行扫描预热和扫描熔化，可以完全熔化硬质合金粉末，使得成形出的硬质合金零件致密度高。
通过将难熔金属化合物粉末以及粘结金属粉末均单独置于一个粉箱内，且难熔金属化合物粉末以及粘结金属粉末通过混粉器混合形成硬质合金粉末，不需要提前混合难熔金属化合物粉末和粘结金属粉末，而是按需混合难熔金属化合物粉末和粘结金属粉末，可以快速响应不同成分的硬质合金部件的制造需求，满足制造的硬质合金部件既具有高硬度又具有高强韧性的要求。
附图说明
图1是本发明硬质合金零件的制造方法的流程图；
图2是本发明硬质合金零件的制造方法高能束扫描路径的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明提供一种硬质合金零件的制造方法，其通过增材制造技术将硬质合金粉末打印成硬质合金零件，具体的，该制造方法包括以下步骤：
S10、通过高能束扫描粉床上的底板或底板上已成形的零件截面，使底板或底板上已成形的零件截面温度达到预设温度。
本步骤中，上述底板材料的熔点和硬质合金粉末材料的熔点接近。优选的，上述底板的材料也是硬质合金，且其性质和熔点和硬质合金粉末的材料接近或相同。
在首次进行硬质合金粉末材料的打印之前，首先通过高能束对底板进行扫描，使得底板表面温度上升至预设温度。本实施例中，上述预设温度为700℃-2000℃，优选为800℃-1000℃。通过将底板扫描至该预设温度，能够使得对硬质合金粉末的打印处于较高的温度状态，使得硬质合金零件成形应力低，打印过程中硬质合金零件不会开裂或开裂倾向小。
需要说明的是，当首次进行硬质合金粉末材料的打印时，是对底板进行扫描使其表面温度达到预设温度。而当不是首次对硬质合金粉末材料进行打印时，此时底板上已经形成有成形的零件截面，此时则通过高能束直接对该成形的零件截面进行扫描，使得该成形的零件截面的表面温度达到预设温度。
在本步骤之前，还需要先行准备好硬质合金粉末材料，具体的，是先准备粉末原材料，其中难熔金属化合物(WC、TiC、TaC、NbC等)粉末，可以是球形粉末；粘结金属(Co、Ni、Fe等)粉末则要求是球形粉末。上述难熔金属化合物粉末以及粘结金属粉末颗粒尺寸范围优选为45-105微米。
之后将上述难熔金属化合物粉末和粘结金属粉末按照需要以预设比例混合，具体的，是将难熔金属化合物粉末以及粘结金属粉末各置于一个粉箱内，随后通过控制系统设置好预设比例参数，之后通过振动送粉板将粉箱内的难熔金属化合物粉末以及粘结金属粉末按照预设比例输送至混粉器内，混粉器通过摇摆的方式对两种粉末进行混合，形成最终的硬质合金粉末。
S20、在底板上或底板上已成形的零件截面上铺设球形硬质合金粉末。
即在步骤S10对底板或者已成形的零件截面扫描加热到预设温度后，通过增材制造装置的铺粉装置进行硬质合金粉末的铺设，由于传统的硬质合金粉末颗粒是非规则的，不能用于增材制造，因此，本实施例中采用球形硬质合金粉末。即在底板上或底板上已成形的零件截面上铺设球形硬质合金粉末，形成硬质合金粉末层。本实施例中，上述硬质合金粉末层的厚度为50微米-200微米，优选为50微米-100微米。
本步骤中，上述球形硬质合金粉末采用等离子球化工艺制成，具体的，该等离子球化的技术原理为：在高频电源作用下，惰性气体(如氩气)被电离，形成稳定的高温惰性气体等离子体；形状不规则的原料粉末用运载气体(氮气)经送粉器喷入等离子炬中，粉末颗粒在高温等离子体中吸收大量的热，表面迅速熔化，并以极高的速度进入反应器，在惰性气氛下快速冷却。在表面张力的作用下，冷却凝固成球形硬质合金粉末；随后进入收料室中被收集起来。通过控制等离子球化工艺或者通过筛分，可以获得设定粒径范围的球形硬质合金粉末。本实施例中，上述球形硬质合金粉末粒径范围为15微米-150微米，优选的粉末粒径范围为45微米-105微米。
本实施例中，上述硬质合金粉末的原材料包括但不限于钨钴类(WC+Co)、钨钛钴类(WC+TiC+Co)、钨钽钴类(WC+TaC+Co)、钨钛钽钴类(WC+TiC+TaC+Co)等系列的硬质合金。具体的，本实施例选用了WC+10％Co、WC+20％Co等硬质合金作为原材料。
S30、对铺设好的硬质合金粉末层进行扫描预热。
在步骤S20形成硬质合金粉末层后，通过高能束对硬质合金粉末层进行扫描预热，即先使得该硬质合金粉末层处于一个较高的温度，本实施例中，扫描预热后的硬质合金粉末层的温度为700℃-2000℃。
S40、对预热后的硬质合金粉末层进行扫描熔化，成形出新的零件截面。
在对硬质合金粉末层扫描预热至设定温度后，通过高能束对该预热后的硬质合金粉末层进行扫描熔化，以形成新的零件截面。在扫描熔化过程中，上述扫描熔化的过程包括熔化截面的轮廓、熔化截面内部的填充线。在本步骤中，硬质合金粉末被高能束完全熔化，随后再凝固即形成新的零件截面。
需要指出的是，在增材制造的过程中，高能束熔化硬质合金粉末材料时，硬质合金粉末材料中的高熔点金属化合物(如WC)挥发少，而低熔点的粘结金属(如Co)则挥发多，这就导致增材制造之后，材料中的低熔点粘结金属的比例下降，不利于硬质合金零件的最佳成形。因此，本步骤中，还需要对硬质合金粉末的成分百分比加以设计，将硬质合金粉末中的低熔点粘接金属的成分百分比适当提高，以补偿增材制造中的低熔点粘接金属的损失，具体如下：
将球形硬质合金粉末中的低熔点粘结金属的成分百分比设置为x+△x，其中：x为所述硬质合金零件中的低熔点粘结金属的目标成分百分比，△x为成形出所述硬质合金零件所需的球形硬质合金粉末在熔化时，其低熔点粘结金属的损失量。以硬质合金粉末材料为WC+20％Co为例，在经过高能束增材制造之后，Co的成分百分比会下降至15％，也就是在增材制造过程中，Co会挥发5％。因此，在每次进行零件截面的增材制造之前，将Co的成分百分比设置为25％，在经过增材制造后，由于Co会挥发5％，使得最终形成的零件截面中Co的成分百分比为20％。即通过该方式，实现了对球形硬质合金粉末中的低熔点粘结金属挥发的损失量的补偿。
需要说明的是，本实施例中，上述△x的值与所述高能束的能量密度成正比。即高能束的能量密度越高，低熔点粘接金属的损失量越大，△x值越大；反之，高能束的能量密度越低，低熔点粘接金属的损失量越小，△x值越小。具体的，△x值可以根据试验获得。
上述高能束的能量密度取决于粉末层厚度、高能束的功率、高能束的扫描速度、高能束的扫描线间距等。高能束的能量密度采用以下公式计算：
能量密度＝高能束功率/(粉末层厚度×高能束的扫描速度×高能束的扫描线间距)。也就是单位体积的硬质合金粉末在单位时间内获得的平均热量输入。
本实施例中，上述高能束在进行扫描预热时，是采用网格式扫描方式实现的。具体的，可参照图2，该网格式扫描包括：
预先将硬质合金粉末层沿竖直方向分成M1个水平区域，上述M1个区域覆盖整个硬质合金零件的截面区域，在每个区域内平行设有N1个扫描路径H；之后，将硬质合金粉末层沿水平方向分成M2个竖直区域，在每个竖直区域内平行设有N2个扫描路径，同样的，上述M2个区域也覆盖整个硬质合金零件的截面区域。
之后，控制高能束沿M1个水平区域内的扫描路径H(m1，n1)以及M2个竖直区域内的扫描路径V(m2，n2)交替的对硬质合金粉末层进行扫描，直至所有扫描路径全部使用，其中m1＝1,2,3…M1，n1＝1,2,3…N1，m2＝1,2,3…M2，n2＝1,2,3…N2。
在进行预热扫描时，首先，将上述每个区域内的扫描路径编号，例如，将M1个区域内的第一条扫描路径依次编号为H(1，1)、H(2，1)、H(3，1)…H(m1，1)，将M1个区域内的第二条扫描路径依次编号为H(1，2)、H(2，2)、H(3，2)…H(m1，2)，以此类推，将M1个区域内的第N1条扫描路径依次编号为H(1，n1)、H(2，n1)、H(3，n1)…H(m1，n1)。同时，将M2个区域内的第一条扫描路径依次编号为H(1，1)、H(2，1)、H(3，1)…H(m2，1)，将M2个区域内的第二条扫描路径依次编号为H(1，2)、H(2，2)、H(3，2)…H(m2，2)，以此类推，将M2个区域内的第N2条扫描路径依次编号为H(1，n2)、H(2，n2)、H(3，n2)…H(m2，n2)。通过上述编号，即形成网格式扫描所需的扫描路径。
随后，控制高能束依次根据上述形成的网格式扫描路径进行扫描，具体是控制高能束按以下扫描规律依次对硬质合金粉末层进行扫描：H(1-1)、V(1-1)、H(2-1)、V(2-1)、H(3-1)、V(3-1)……H(m1-1)、V(m2-1)；H(1-2)、V(1-2)、H(2-2)、V(2-2)、H(3-2)、V(3-2)……H(m1-2)、V(m2-2)；……；H(1-n1)、V(1-n2)、H(2-n1)、V(2-n2)H(3-n1)、V(3-n2)……H(m1-n1)、V(m2-n2)，直至高能束沿所有扫描路径对硬质合金粉末层扫描一次，即完成了整个网格式扫描，然后重复以上过程，反复加热该硬质合金粉末层进行预热，直至整个硬质合金粉末层的温度达到设定温度。
S50、重复硬质合金粉末层的铺设、预热以及熔化步骤，直至成形出硬质合金零件。
即在形成一层成形的零件截面后，可以进行下一层的硬质合金粉末层的铺设、预热以及熔化步骤，即重复步骤S20-S40，直至成形出硬质合金零件。
S60、清理硬质合金零件周边的未熔化的球形硬质合金粉末，并对硬质合金零件的表面进行光洁化处理。
即在成形出硬质合金零件后，将硬质合金零件周边的未熔化的球形硬质合金粉末清理干净，随后对该硬质合金零件的表面进行光洁化处理，形成最终成品。
本实施例通过上述步骤S10-S60，能够通过增材制造实现对硬质合金零件的打印成形，且该方式成形的硬质合金零件的成形精度更高。而且通过高能束对铺设的硬质合金粉末层进行扫描预热和扫描熔化，可以完全熔化硬质合金粉末，使得成形出的硬质合金零件致密度高。
需要说明的是，在本实施例中，上述高能束具体为电子束，该电子束置于一真空环境下，且该真空环境通过氦气灌流，具体的，是在氦气灌流下真空环境内气压为0.1Pa-0.5Pa。通过在该高真空环境下采用电子束对硬质合金粉末进行扫描，能够防止硬质合金粉末氧化，而且通过氦气灌流，能够减少硬质合金粉末中低熔点粘结金属的蒸发损失，还可以有效防止电荷在硬质合金粉末材料中的积累，避免硬质合金粉末层溃散。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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范围之内。

Claims (12)

1.一种硬质合金零件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过高能束扫描粉床上的底板或底板上已成形的零件截面，使所述底板或所述底板上已成形的零件截面温度达到预设温度；
在所述底板上或所述底板上已成形的零件截面上铺设球形硬质合金粉末；
对铺设好的硬质合金粉末层进行扫描预热；
对预热后的所述硬质合金粉末层进行扫描熔化，成形出新的零件截面；
重复硬质合金粉末层的铺设、预热以及熔化步骤，直至成形出硬质合金零件。
2.根据权利要求1所述的硬质合金零件的制造方法，其特征在于，还包括：
将所述球形硬质合金粉末中的低熔点粘结金属的成分百分比设置为x+△x，其中：x为所述硬质合金零件中的低熔点粘结金属的目标成分百分比，△x为成形出所述硬质合金零件所需的球形硬质合金粉末在熔化时，其低熔点粘结金属的损失量。
3.根据权利要求2所述的硬质合金零件的制造方法，其特征在于，所述△x的值与所述高能束的能量密度成正比。
4.根据权利要求3所述的硬质合金零件的制造方法，其特征在于，所述高能束的能量密度采用以下公式计算：
能量密度＝高能束功率/(粉末层厚度×高能束的扫描速度×高能束的扫描线间距)。
5.根据权利要求1所述的硬质合金零件的制造方法，其特征在于，所述高能束为电子束，且所述电子束处于真空环境下，且所述真空环境通过氦气灌流。
6.根据权利要求1所述的硬质合金零件的制造方法，其特征在于，所述球形硬质合金粉末采用等离子球化工艺制成。
7.根据权利要求1所述的硬质合金零件的制造方法，其特征在于，所述预设温度为700℃-2000℃。
8.根据权利要求1所述的硬质合金零件的制造方法，其特征在于，所述预热采用网格式扫描方式进行扫描。
9.根据权利要求8所述的硬质合金零件的制造方法，其特征在于，所述网格式扫描包括：
将所述硬质合金粉末层沿竖直方向分成M1个水平区域，在每个所述水平区域内平行设有N1个扫描路径H；
将所述硬质合金粉末层沿水平方向分成M2个竖直区域，在每个所述竖直区域内平行设有N2个扫描路径V；
控制所述高能束沿M1个水平区域内的扫描路径H(m1，n1)以及M2个竖直区域内的扫描路径V(m2，n2)交替的对所述硬质合金粉末层进行扫描，直至所有扫描路径全部使用，其中m1＝1,2,3…M1，n1＝1,2,3…N1，m2＝1,2,3…M2，n2＝1,2,3…N2。
10.根据权利要求1所述的硬质合金零件的制造方法，其特征在于，所述成形出硬质合金零件之后，还包括：
清理所述硬质合金零件周边的未熔化的球形硬质合金粉末，并对所述硬质合金零件的表面进行光洁化处理。
11.根据权利要求1所述的硬质合金零件的制造方法，其特征在于，所述硬质合金粉末包括按预设比例混合的难熔金属化合物粉末以及粘结金属粉末。
12.根据权利要求11所述的硬质合金零件的制造方法，其特征在于，所述难熔金属化合物粉末以及所述粘结金属粉末均单独置于一个粉箱内，且所述难熔金属化合物粉末以及所述粘结金属粉末通过混粉器混合形成所述硬质合金粉末。
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