CN109382515B - 一种减小铁合金激光増材制造中变形的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于増材制造领域，并公开了一种减小铁合金激光増材制造中变形的方法。该方法包括如下步骤：选取原料铁合金粉末，在该铁合金粉末中添加一定质量的纯镍粉末混合形成混合粉末，将该混合粉末干燥后进行激光増材制造获得所需的产品，其中纯镍粉末减少在激光増材制造过程中的磁致收缩效应，即减少其热膨胀系数，进而减少在激光増材制造中的热应力。通过本发明，提高増材制造技术中所获得的构件的精度，尤其适用于大型薄壁构件的激光増材制造过程。
Description
技术领域
本发明属于増材制造领域，更具体地，涉及一种减小铁合金激光増材制造中变形的方法。
背景技术
激光增材制造是以合金粉末或丝材为原料，通过高功率激光原位冶金熔化/快速凝固逐层堆积，直接从三维模型到近净成形构件的一种加工制造方法。激光增材制造具有流程短、构件综合力学性能优异、材料利用率高、机加工余量小、成本低、高度柔性化、化学成分灵活等优点，在航空、航天、核电、电子等行业的应用越来越广泛，被誉为一种“变革性”的绿色数字制造技术。
铁合金因材料成本低廉，加工性能优良，综合机械性能适中，在工业中得到广泛的应用，也成为激光增材制造的一种重要材料。铁合金激光增材制造存在的主要问题是加工过程中的构件变形问题。增材制造过程中，在高能激光束周期性、非稳态的热循环作用下，热应力很容易产生，随着增材制造过程的持续进行，热应力逐渐积累，导致构件变形；变形问题在薄壁件激光制造过程中显得更加严重。由于薄壁件壁厚很小，整体的刚度较低，积累的热应力很容易超过其阈值，轻者造成构件成形精度不足，重者导致明显塑性变形甚至开裂。
目前解决铁合金激光增材制造变形问题的方法主要有两种，一种是通过合理规划激光扫描路径，减少热循环在构件上空间分布的差异，从而减少热应力；二是优化工艺参数，如激光功率、扫描速度、送粉量等，来减少热输入，进而控制构件的变形。这两种方法都能在一定程度上减轻构件激光增材制造的变形问题，但其减少的热应力十分有限，仅能在制造小型构件中应用，而对于热应力积累严重的大型薄壁构件，则难以胜任。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种减小铁合金激光増材制造中变形的方法，通过在原料粉末中添加纯镍粉，利用磁致收缩效应，减少其热膨胀系数，进而减少在激光増材制造中的热应力，以此控制成形过程中的变形，提高激光増材制造技术所获得构件的精度，该方法尤其适用于大型薄壁构件的激光増材制造过程。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种减小铁合金激光増材制造中变形的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
选取原料铁合金粉末，在该铁合金粉末中添加纯镍粉末混合形成混合粉末，将该混合粉末干燥后，用于同步送粉激光増材制造，以激光为热源将所述混合粉末熔化，逐层叠加后获得所需产品，该过程中，添加的镍改变了铁的两种电子结构的能量差，产生磁致收缩效应，以此降低所述铁合金的热膨胀系数，从而减小铁合金激光増材制造中的变形。
进一步优选地，所述混合粉末中铁元素和镍元素的质量比优选为(62～66)：(34～38)。
进一步优选地，所述铁合金粉末和纯镍粉末均为球形，且粒径优选为40μm～100μm。
进一步优选地，所述混合优选采用球磨混合，球料比为1:(8～12)。
进一步优选地，所述球磨混合的滚筒机的转速优选为混合350r/min～400r/min，混合时间优选为6h～9h。
进一步优选地，所述混合粉末干燥方法为烘干箱烘干，烘干温度优选为100℃～200℃，时间优选为0.5h～3h。
进一步优选地，所述同步送粉激光増材制造的激光功率600W～3000W，光斑直径2mm～3mm，扫描速度0.6m/min～2m/min，送粉速度10g/min～40g/min，每层提升量0.5mm～0.8mm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明从激光増材制造材料体系设计出发，利用磁致收缩效应减小材料的热膨胀系数，从根本上解决了铁合金激光增材制造变形的问题，极大提高铁合金激光增材制造构件的精度，并能减少后续机械加工的余量，甚至无需加工，大大节约制造成本。
2、本发明通过在铁合金粉末中添加纯镍粉，产生磁致收缩效应，即添加的镍改变了Fe(fcc)的两种电子结构γ1Fe和γ2Fe的能量差(γ1Fe晶格常数小
且无磁性，γ2Fe晶格常数大
且有磁性)，使γ2Fe成为基态，温度升高时γ2Fe转化为γ1Fe，伴随的体积减小补偿了晶格的不谐振动，使得合金的热膨胀系数降低。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的热膨胀系数与镍含量的质量分数比的关系。
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。
一种减小铁合金激光増材制造中变形的方法，包括如下步骤：
S1：将铁合金粉末和纯镍粉充分混合，按质量比，最终混合粉末中关键成分Fe和Ni的比例为：Fe:Ni＝(62～66):(34～38)，实际两种粉末的混合比要依据铁合金本身的成分计算得出。图1是按照本发明的优选实施例所构建的热膨胀系数与镍含量的质量分数比的关系，如图1所示，从图中可以看出，当镍的质量百分数含量中接近36时，热膨胀系数最小，因此按照上述比例选择铁合金粉末和纯镍粉的混合比例；
铁合金粉末和纯镍粉，均为球形，颗粒直径40μm～100μm；
纯镍粉，化学成分按质量百分比为：Ni≥99.9，其余为不可避免的杂质；
混合方法为球磨混料，方法为：将秤取的两种粉末，放入含有钢球的混瓶中，球料比按1:(8～12)，混瓶外缠绕绝缘胶带，然后放在球磨滚筒机内混合6～9h，滚筒机转速为350～400r/min。
S2：将S1制备的混合粉末充分干燥；
干燥方法为烘干箱中烘干，烘干温度100℃～200℃，时间0.5h～3h，氩气气氛保护；
S3：同步送粉激光增材制造；
同步激光增材制造工艺参数为：激光功率600～3000W，光斑直径2～3mm，扫描速度0.6m/min～2m/min，送粉速度10g/min～40g/min，每层提升量0.5mm～0.8mm。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的热膨胀系数与镍含量的质量分数比的关系，如图1所示，从图中可以看出，当镍的质量百分数含量中接近36时，热膨胀系数最小。
下面将结合具体的实施例对上述方案进行进一步地说明。
以下实施例中，铁合金粉末，纯镍粉均为市场购买，球形形貌，粒径40μm～100μm，流动性良好，能用于送粉器送粉。纯镍粉，化学成分按质量百分比为：Ni≥99.9，其余为不可避免的杂质。
实施例1
选用的铁合金粉末为304不锈钢粉末，打印薄壁构件，具体包括以下步骤：
S1：将304不锈钢粉末和纯镍粉充分混合，混合粉末成分中铁元素和镍元素的质量比为：Fe:Ni＝62:38；
304不锈钢粉末，化学成分按质量百分比为：C≤0.07，Mn≤2.00，P≤0.045，S≤0.030，Si0≤0.75，Cr:17.5～19.5，Ni:8.0～10.5，N≤0.10，余量为Fe和不可避免的杂质；
混合方法为球磨混料，方法为：将秤取的两种粉末，放入含有钢球的混瓶中，球料比按1:10，混瓶外缠绕绝缘胶带，然后放在球磨滚筒机内混合7h，滚筒机转速为370r/min。
S2：将S1制备的混合粉末充分干燥；
干燥方法为烘干箱中烘干，温度150℃，时间2h，氩气气氛保护；
S3：同步送粉激光增材制造；
同步送粉激光增材制造工艺参数为：激光功率1400W，光斑直径2.5mm，扫描速度0.6m/min，送粉速度9.5g/min，每层提升量0.57mm。
该工艺适合于制备小型薄壁零件，壁厚为2.3mm。
实施例2
选用的铁合金粉末为316不锈钢粉末，打印薄壁构件，具体包括以下步骤：
S1：将316不锈钢粉末和纯镍粉充分混合，混合粉末成分中铁元素和镍元素的质量比为：Fe:Ni＝66:34；
316不锈钢粉末，化学成分按质量百分比为：C≤0.08，Si≤1.00，Mn≤2.00，P≤0.045，S≤0.030，Cr:16.0～18.0，Ni:10.0～14，Mo:2.00-3.00，余量为Fe和不可避免的杂质；
混合方法为球磨混料，方法为：将秤取的两种粉末，放入含有钢球的混瓶中，球料比按1:8，混瓶外缠绕绝缘胶带，然后放在球磨滚筒机内混合8h，滚筒机转速为350r/min。
S2：将S1制备的混合粉末充分干燥；
干燥方法为烘干箱中烘干，温度150℃，时间2h，氩气气氛保护；
S3：同步送粉激光增材制造；
同步送粉激光增材制造工艺参数为：激光功率3000W，光斑直径2.7mm，扫描速度1.8m/min，送粉速度30g/min，每层提升量0.60mm。
该工艺适合于快速制备大型薄壁零件，效率高，壁厚为2.5mm。
实施例3
选用的铁合金粉末为H13钢粉末，打印薄壁构件，具体包括以下步骤：
S1：将H13钢粉末和纯镍粉充分混合，混合粉末成分中铁元素和镍元素的质量比为：Fe:Ni＝63:37；
H13钢粉末，化学成分按质量百分比为：C:0.32～0.45，Si:0.80～1.20，Mn:0.20～0.5，P≤0.030，S≤0.030，Cr:4.75～5.5，Mo:1.10-1.70，V:0.80～1.20。余量为Fe和不可避免的杂质；
混合方法为球磨混料，方法为：将秤取的两种粉末，放入含有钢球的混瓶中，球料比按1:12，混瓶外缠绕绝缘胶带，然后放在球磨滚筒机内混合6h，滚筒机转速为400r/min。
S2：将S1制备的混合粉末充分干燥；
干燥方法为烘干箱中烘干，温度100℃，时间3h，氩气气氛保护；
S3：同步送粉激光增材制造；
同步送粉激光增材制造工艺参数为：激光功率600W，光斑直径2mm，扫描速度2m/min，送粉速度40g/min，每层提升量0.50mm。
该工艺适合于快速制备大型薄壁零件，效率高，壁厚为2.5mm。
实施例4
选用的铁合金粉末为Q235粉末，打印薄壁构件，具体包括以下步骤：
S1：将Q235粉末和纯镍粉充分混合，混合粉末成分中铁元素和镍元素的质量比为：Fe:Ni＝64:36；
Q235粉末，化学成分按质量百分比为：C≤0.22，Si≤0.35，Mn≤1.40，P≤0.045，S≤0.030，余量为Fe和不可避免的杂质；
混合方法为球磨混料，方法为：将秤取的两种粉末，放入含有钢球的混瓶中，球料比按1:10，混瓶外缠绕绝缘胶带，然后放在球磨滚筒机内混合9h，滚筒机转速为400r/min。
S2：将S1制备的混合粉末充分干燥；
干燥方法为烘干箱中烘干，温度200℃，时间0.5h，氩气气氛保护；
S3：同步送粉激光增材制造；
同步送粉激光增材制造工艺参数为：激光功率1000W，光斑直径3.0mm，扫描速度0.6m/min，送粉速度10g/min，每层提升量0.80mm。
该工艺适合于快速制备大型薄壁零件，效率高，壁厚为2.5mm。
实施例5
选用的铁合金粉末为5CrNiMo钢粉末，打印薄壁构件，具体包括以下步骤：
S1：将5CrNiMo钢粉末和纯镍粉充分混合，混合粉末成分中铁元素和镍元素的质量比为：Fe:Ni＝63.5:36.5；
5CrNiMo钢粉末，化学成分按质量百分比为：C:0.50～0.60，Si≤0.40，Mn:0.50～0.80，P≤0.030，S≤0.030，Cr:0.50～0.80，Ni:1.4～1.8，Mo:0.15～0.30，余量为Fe和不可避免的杂质；
混合方法为球磨混料，方法为：将秤取的两种粉末，放入含有钢球的混瓶中，球料比按1:11，混瓶外缠绕绝缘胶带，然后放在球磨滚筒机内混合7h，滚筒机转速为380r/min。
S2：将S1制备的混合粉末充分干燥；
干燥方法为烘干箱中烘干，温度180℃，时间2h，氩气气氛保护；
S3：同步送粉激光增材制造；
同步送粉激光增材制造工艺参数为：激光功率2000W，光斑直径2.7mm，扫描速度1.2m/min，送粉速度30g/min，每层提升量0.40mm。
该工艺适合于快速制备大型薄壁零件，效率高，壁厚为2.5mm。
实施例6
选用的铁合金粉末为18Ni300钢粉末，打印薄壁构件，具体包括以下步骤：
S1：将18Ni300钢粉末和纯镍粉充分混合，混合粉末成分中铁元素和镍元素的质量比为：Fe:Ni＝65:35；
18Ni300钢粉末，化学成分按质量百分比为：C≤0.03，Ti:0.50～0.80，Mn≤0.10，P≤0.01，S≤0.01，Co:8.50～9.50，Ni:18.0～19.0，Mo:4.60～5.20，余量为Fe和不可避免的杂质；
混合方法为球磨混料，方法为：将秤取的两种粉末，放入含有钢球的混瓶中，球料比按1:10，混瓶外缠绕绝缘胶带，然后放在球磨滚筒机内混合6.5h，滚筒机转速为360r/min。
S2：将S1制备的混合粉末充分干燥；
干燥方法为烘干箱中烘干，温度180℃，时间2h，氩气气氛保护；
S3：同步送粉激光增材制造；
同步送粉激光增材制造工艺参数为：激光功率1500W，光斑直径1.5mm，扫描速度1.4m/min，送粉速度15g/min，每层提升量0.70mm。
该工艺适合于快速制备大型薄壁零件，效率高，壁厚为2.5mm。
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 (3)
1.一种减小铁合金激光増材制造中变形的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
选取原料铁合金粉末，在该铁合金粉末中添加纯镍粉末混合形成混合粉末，所述混合采用球磨混合，球磨混合中，球料比为1：(8～12),将该混合粉末干燥后，用于同步送粉激光増材制造，其中以激光为热源将所述混合粉末熔化，逐层叠加后获得所需产品，每层提升量0.5mm～0.8mm，该过程中，添加的镍改变了铁的两种电子结构能量差，产生磁致收缩效应，以此降低所述铁合金的热膨胀系数，从而减小所述铁合金激光増材制造中的变形；
其中，所述混合粉末成分中铁元素和镍元素的质量比为：Fe:Ni＝(62～66):(34～38)；所述铁合金粉末和纯镍粉末均为球形，且粒径为40μm～100μm；所述球磨混合的滚筒机的转速为350r/min～400r/min，混合时间为6h～9h。
2.如权利要求1所述的一种减小铁合金激光増材制造中变形的方法，其特征在于，所述混合粉末干燥方法为烘干箱烘干，烘干温度为100℃～200℃，时间为0.5h～3h。
3.如权利要求1-2任一项所述的一种减小铁合金激光増材制造中变形的方法，其特征在于，所述同步送粉激光増材制造的激光功率600W～3000W，光斑直径2mm～3mm，扫描速度0.6m/min～2m/min，送粉速度10g/min～40g/min。
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