CN109175380B - 一种抗磨损高熵合金齿轮的激光增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗磨损高熵合金齿轮的激光增材制造方法，包括以下步骤：将中碳钢圆钢外表面进行车削加工作为激光增材制造芯轴，并对芯轴的外表面进行喷砂处理；对芯轴进行预热，并采用激光熔覆工艺将纳米氧化铝增强的高熵合金粉末逐层熔覆在芯轴上至所需尺寸；将激光熔覆后的芯轴棒材进行热处理；机械加工出所需尺寸的齿轮。本发明将纳米氧化铝增强的高熵合金粉末通过激光熔覆工艺在芯轴上多层熔覆，并进行机械加工获得齿轮本体材质为中碳钢，齿部材质为高熵合金的齿轮，由此实现了抗磨损高熵合金齿轮的高效率、低成本制造。本发明将常用中碳钢和新型高熵合金有机结合起来，节约了成本，且齿部具有良好的强度、韧性、抗磨损和抗疲劳的特性。

Description

一种抗磨损高熵合金齿轮的激光增材制造方法
技术领域
本发明属于齿轮制造技术领域，具体涉及一种抗磨损高熵合金齿轮的激光增材制造方法。
背景技术
高熵合金是近些年来发展起来的一类新型多主元合金，由于具有良好的力学性能、抗氧化性能、抗磨损性能、耐腐蚀性能和高温热稳定性而成为一种极具发展潜力的新型合金。制备块体高熵合金最常用的方法是电弧熔炼，该方法具有所需控制工艺参数少，合金冷却速度快等特点。然而，熔炼法制备的高熵合金组织中存在缩松、缩孔和裂纹，并且难以避免成分偏析和组织粗大等冶金缺陷，因此现有生产高熵合金齿轮的成品率较低，且成本较高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的技术问题，提供一种成品率高、成本较低、齿部具有良好强度和韧性的抗磨损高熵合金齿轮的激光增材制造方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种抗磨损高熵合金齿轮的激光增材制造方法，齿轮本体为中碳钢材质，齿部为纳米氧化铝增强的高熵合金，其制造方法包括以下步骤：
A、将中碳钢圆钢外表面进行车削加工作为激光增材制造芯轴，并对芯轴的外表面进行喷砂处理；
B、对芯轴进行预热，并采用激光熔覆工艺将纳米氧化铝增强的高熵合金粉末逐层熔覆在芯轴上至所需尺寸；
C、将激光熔覆后的芯轴棒材进行热处理；
D、机械加工出所需尺寸的齿轮。
进一步地，所述步骤A中中碳钢圆钢车削后外圆表面粗糙度Ra为12μm-65μm；喷砂清理等级为Sa3级；喷砂后表面粗糙度Ra为40μm-70μm。
进一步地，所述步骤B中纳米氧化铝增强的高熵合金粉末化学组成为：AlCoCrFeNiTi0.5/(Al2O3)x，用纯金属粉末和纳米氧化铝按原子百分比配比并球磨混合而成，其中铝、钴、铬、铁和镍为等摩尔比，钛的摩尔含量为其他金属摩尔含量的一半，纳米氧化铝的摩尔含量X取值范围为0.05-0.2，即纳米氧化铝摩尔含量为铝含量的0.05倍至0.2倍；各金属粉末粒度为40μm-120μm，纯度大于99.5%；纳米氧化铝粉末粒度为50nm -150nm，纯度大于99.9%。
进一步地，所述步骤B中激光熔覆时送粉量范围为5g/min-12g/min；功率范围为：1200W-4000W；扫描速度2mm/s-10mm/s；搭接率为30%-50%；单层熔覆厚度为0.5mm-2mm；保护性气氛为氩气。
进一步地，所述步骤C中热处理工艺为正火处理，加热温度为中碳钢奥氏体化的临界温度+(30-50)℃；保温时间2h-4h；冷却方式为空冷。
本发明相对现有技术具有以下有益效果：本发明抗磨损高熵合金齿轮的激光增材制造方法将具有良好强韧性、抗磨损性能和耐腐蚀性能的纳米氧化铝增强的高熵合金粉末通过激光熔覆工艺在芯轴上多层熔覆，实现了抗磨损高熵合金齿轮基体的激光增材制造，并进行机械加工获得齿轮本体材质为中碳钢，齿部材质为高熵合金的齿轮，由此实现了抗磨损高熵合金齿轮的高效率、低成本制造。本发明将常用中碳钢和新型高熵合金有机结合起来，且采用激光熔覆增材制造方法降低了高熵合金的用量，节约了成本，实现了高熵合金齿轮的低成本制造，且齿部具有良好的强度、韧性、抗磨损和抗疲劳的特性。
附图说明
图1为本发明制造的抗磨损高熵合金齿轮齿部的显微组织SEM像。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
A、将中碳钢圆钢外表面进行车削加工作为激光增材制造芯轴，中碳钢圆钢车削后外圆表面粗糙度Ra为12μm，并对芯轴的外表面进行喷砂处理，喷砂清理等级为Sa3级，喷砂后表面粗糙度Ra为40μm。
B、对芯轴进行预热，并采用激光熔覆工艺将纳米氧化铝增强的高熵合金粉末逐层熔覆在芯轴上至所需尺寸，纳米氧化铝增强的高熵合金粉末化学组成为：AlCoCrFeNiTi0.5/(Al2O3)x，用纯金属粉末和纳米氧化铝按原子百分比配比并球磨混合而成，其中铝、钴、铬、铁和镍为等摩尔比，钛的摩尔含量为其他金属摩尔含量的一半，纳米氧化铝的摩尔含量X取值为0.05，即纳米氧化铝摩尔含量为铝含量的0.05倍；各金属粉末粒度为40μm，纯度大于99.5%；纳米氧化铝粉末粒度为50nm，纯度大于99.9%；激光熔覆时送粉量为5g/min，功率为：1200W，扫描速度2mm/s，搭接率为30%，单层熔覆厚度为0.5mm，保护性气氛为氩气。
C、将激光熔覆后的芯轴棒材进行热处理，热处理工艺为正火处理，加热温度为中碳钢奥氏体化的临界温度+30℃；保温时间2h；冷却方式为空冷。
D、利用通用加工齿轮的方法机械加工出所需尺寸的齿轮，齿轮本体为中碳钢材质，齿部为纳米氧化铝增强的高熵合金。
通过该实施例加工的齿部（纳米氧化铝增强的高熵合金）基本性能指标为：密度为7.1 g/cm3、硬度为520HV、屈服强度为1320MPa、抗压强度为3228MPa、压缩断裂应变为29.1%、断裂韧性为25.2MPa·m1/2以及磨损率为3.5×10-14m3/(Nm)。
实施例2
A、将中碳钢圆钢外表面进行车削加工作为激光增材制造芯轴，中碳钢圆钢车削后外圆表面粗糙度Ra为65μm，并对芯轴的外表面进行喷砂处理，喷砂清理等级为Sa3级，喷砂后表面粗糙度Ra为70μm。
B、对芯轴进行预热，并采用激光熔覆工艺将纳米氧化铝增强的高熵合金粉末逐层熔覆在芯轴上至所需尺寸，纳米氧化铝增强的高熵合金粉末化学组成为：AlCoCrFeNiTi0.5/(Al2O3)x，用纯金属粉末和纳米氧化铝按原子百分比配比并球磨混合而成，其中铝、钴、铬、铁和镍为等摩尔比，钛的摩尔含量为其他金属摩尔含量的一半，纳米氧化铝的摩尔含量X取值为0.2，即纳米氧化铝摩尔含量为铝含量的0.2倍；各金属粉末粒度为120μm，纯度大于99.5%；纳米氧化铝粉末粒度为150nm，纯度大于99.9%；激光熔覆时送粉量为12g/min，功率为： 4000W，扫描速度10mm/s，搭接率为50%，单层熔覆厚度为2mm，保护性气氛为氩气。
C、将激光熔覆后的芯轴棒材进行热处理，热处理工艺为正火处理，加热温度为中碳钢奥氏体化的临界温度+50℃；保温时间4h；冷却方式为空冷。
D、利用通用加工齿轮的方法机械加工出所需尺寸的齿轮，齿轮本体为中碳钢材质，齿部为纳米氧化铝增强的高熵合金。
通过该实施例加工的齿部（纳米氧化铝增强的高熵合金）基本性能指标为：密度为6.9 g/cm3、硬度为648HV、屈服强度为1460MPa、抗压强度为3070MPa、压缩断裂应变为21.5%、断裂韧性为19.4MPa·m1/2以及磨损率为8.1×10-14m3/(Nm)。
实施例3
A、将中碳钢圆钢外表面进行车削加工作为激光增材制造芯轴，中碳钢圆钢车削后外圆表面粗糙度Ra为40μm，并对芯轴的外表面进行喷砂处理，喷砂清理等级为Sa3级，喷砂后表面粗糙度Ra为55μm。
B、对芯轴进行预热，并采用激光熔覆工艺将纳米氧化铝增强的高熵合金粉末逐层熔覆在芯轴上至所需尺寸，纳米氧化铝增强的高熵合金粉末化学组成为：AlCoCrFeNiTi0.5/(Al2O3)x，用纯金属粉末和纳米氧化铝按原子百分比配比并球磨混合而成，其中铝、钴、铬、铁和镍为等摩尔比，钛的摩尔含量为其他金属摩尔含量的一半，纳米氧化铝的摩尔含量X取值为0.12，即纳米氧化铝摩尔含量为铝含量的0.12倍；各金属粉末粒度为80μm，纯度大于99.5%；纳米氧化铝粉末粒度为100nm，纯度大于99.9%；激光熔覆时送粉量为8g/min，功率为：2600W，扫描速度6mm/s，搭接率为40%，单层熔覆厚度为1.2mm，保护性气氛为氩气。
C、将激光熔覆后的芯轴棒材进行热处理，热处理工艺为正火处理，加热温度为中碳钢奥氏体化的临界温度+40℃；保温时间3h；冷却方式为空冷。
D、利用通用加工齿轮的方法机械加工出所需尺寸的齿轮，齿轮本体为中碳钢材质，齿部为纳米氧化铝增强的高熵合金。
通过该实施例加工的齿部（纳米氧化铝增强的高熵合金）基本性能指标为：密度为7.0 g/cm3、硬度为562HV、屈服强度为1380MPa、抗压强度为3205MPa、压缩断裂应变为25.5%、断裂韧性为23.9MPa·m1/2以及磨损率为5.2×10-14m3/(Nm)。

Claims (4)

1.一种抗磨损高熵合金齿轮的激光增材制造方法，其特征在于：齿轮本体为中碳钢材质，齿部为纳米氧化铝增强的高熵合金，其制造方法包括以下步骤：
A、将中碳钢圆钢外表面进行车削加工作为激光增材制造芯轴，并对芯轴的外表面进行喷砂处理；
B、对芯轴进行预热，并采用激光熔覆工艺将纳米氧化铝增强的高熵合金粉末逐层熔覆在芯轴上至所需尺寸；其中纳米氧化铝增强的高熵合金粉末化学组成为：AlCoCrFeNiTi0.5/(Al2O3)x，用纯金属粉末和纳米氧化铝按原子百分比配比并球磨混合而成，其中铝、钴、铬、铁和镍为等摩尔比，钛的摩尔含量为其他金属摩尔含量的一半，纳米氧化铝的摩尔含量X取值范围为0.05-0.2，即纳米氧化铝摩尔含量为铝含量的0.05倍至0.2倍；各金属粉末粒度为40μm-120μm，纯度大于99.5%；纳米氧化铝粉末粒度为50nm -150nm，纯度大于99.9%；
C、将激光熔覆后的芯轴棒材进行热处理；
D、机械加工出所需尺寸的齿轮。
2.根据权利要求1所述的一种抗磨损高熵合金齿轮的激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤A中中碳钢圆钢车削后外圆表面粗糙度Ra为12μm-65μm；喷砂清理等级为Sa3级；喷砂后表面粗糙度Ra为40μm-70μm。
3.根据权利要求1所述的一种抗磨损高熵合金齿轮的激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤B中激光熔覆时送粉量范围为5g/min-12g/min；功率范围为：1200W-4000W；扫描速度2mm/s-10mm/s；搭接率为30%-50%；单层熔覆厚度为0.5mm-2mm；保护性气氛为氩气。
4.根据权利要求1所述的一种抗磨损高熵合金齿轮的激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤C中热处理工艺为正火处理，加热温度为中碳钢奥氏体化的临界温度+(30-50)℃；保温时间2h-4h；冷却方式为空冷。
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