CN109402624A - 一种抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属激光增材制造领域,具体为一种抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,适用于抑制各种激光增材制造的复杂结构合金钢构件孔洞缺陷的形成。本发明通过降低合金钢粉末中氧含量的方法来实现,采用粉末还原炉对合金钢粉末进行脱氧处理,然后在真空手套箱中用同步送粉方法进行激光沉积,沉积过程中用一定流量的氩气保护激光沉积作用区。该方法可有效减少激光增材制造合金钢内部的气孔和夹杂物孔洞,提高激光增材制造合金钢的致密度和力学性能。
Description
技术领域
本发明属于金属激光增材制造领域,具体为一种抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,适用于抑制各种激光增材制造的复杂结构合金钢构件孔洞缺陷的形成。
背景技术
低碳合金钢具有较好的强韧性能匹配,广泛应用于制造界面尺寸较大、结构复杂的机器零件。目前,国内核电领域的应急柴油机凸轮轴以及高速列车制动盘等大型零部件均采用低碳合金钢。但是,这些零部件结构复杂、处理工艺繁琐,目前其制造和维修均依赖国外技术。
激光增材制造(Laser Additive Manufacturing,LAM)是以激光为能量源,通过逐层熔化材料粉末或线材直接制造出零件的一种新兴的材料快速成形技术,可对复杂零件进行精确成形和高性能成形。在航空航天、军工、医疗等领域,某些LAM钛合金、不锈钢等零件已实现应用。但对于合金钢材料,LAM成形零件内部常出现孔洞、裂纹、夹杂等缺陷,影响零件性能,这与成形设备、激光工艺及原材料特性等均有关系。粉末作为LAM成形的重要原材料之一,其形态、表面状态、成分等物理化学特性的影响在众多因素中占有重要位置。研究材料粉末对合金钢零件激光成形性的影响,对于提高LAM合金钢性能、扩展LAM技术的应用领域具有重要意义。
发明内容:
为了解决LAM成形合金钢零件内部易出现孔洞等缺陷的问题,本发明的目的在于提供一种抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,通过调整合金钢粉末中的氧含量抑制孔洞的产生,实现LAM合金钢的致密化和性能提高。
本发明的技术方案如下:
一种抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,具体工艺步骤如下:
将合金钢粉末在粉末还原炉中进行脱氧处理,还原温度为300~600℃;选择基体,在真空手套箱环境中,采用同步送粉沉积方式,选择一种光斑的光束在基体上进行激光沉积处理,同时用氩气覆盖激光作用区,减少激光作用区夹杂物的形成并提高凝固速率。
所述的合金钢粉末,粒度为100~250目,球形度≥90%。
所述的脱氧处理气氛为常压下的体积浓度99.99%Ar和体积浓度99.99%H2混合气氛,H2含量5~30vol.%。
所述的脱氧处理时间为0.5~4h。
所述的基体是与合金钢具有较好的润湿性和良好焊接性能的钢板。
所述的真空手套箱环境,H2O≤50ppm、O2≤50ppm。
所述的激光沉积的工艺参数如下:
激光连续辐照,激光功率为500~2000W,功率密度104~106W/cm2,扫描速度为4~16mm/s,搭接量为30%~70%,辐照光斑Φ2mm~Φ5mm;
送粉方式为同轴氩气送粉,送粉速度为5~20g/min,采用惰性气体氩气保护,保护气流量为10~20L/min。
所述的激光器是光纤激光器、半导体激光器或CO2激光器。
本发明的优点及有益效果是:
1、本发明提供一种抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,使激光沉积合金钢组织实现致密化、均匀化成为可能,为激光增材制造合金钢构件方面提供沉积组织结构优化的一种新的解决方案。
2、采用本发明提供的方法进行LAM成形合金钢,能明显提高合金钢的力学性能。
3、本发明解决合金钢粉末自熔性较差的缺陷,提高合金钢粉末激光沉积的利用率。
附图说明
图1为本发明实施例中脱氧处理前的合金钢粉末形貌。
图2为本发明实施例中脱氧处理后的合金钢粉末形貌。
图3(a)-(b)为本发明实施例中用未脱氧处理的粉末成形的合金钢截面形貌。
图4(a)-(b)为本发明实施例中用脱氧处理后的粉末成形的合金钢截面形貌。
图5为本发明实施例中用脱氧处理前后的粉末成形的合金钢的应力-应变曲线。
具体实施方式
在具体实施过程中,将合金钢粉末在粉末还原炉中进行脱氧处理,然后在真空手套箱环境中,采用同步送粉沉积方式,选择一种光斑的光束在合适的基体上进行激光沉积处理,同时用保护气体覆盖激光作用区。从而,通过使用以上方法处理的合金钢粉末,激光成形后合金钢组织均匀致密,孔洞缺陷消除,抗拉强度和延伸率均明显提高。
以下对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例中,抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,具体步骤如下:
1、合金钢粉末为12CrNi2材质,粒度为200目,球形度≥93%,氧含量≥5000ppm。
2、脱氧处理温度为400℃,处理时间3h,处理气氛为常压下的99.99%Ar和99.99%H2混合气氛,H2含量20vol.%。脱氧处理后,氧含量45ppm。
3、沉积基体:45号钢。
4、激光沉积真空手套箱环境:H2O、O2≤50ppm。
5、激光沉积的工艺参数:激光连续辐照,激光功率为900W,功率密度105W/cm2,扫描速度为6mm/s,搭接量为50%,辐照光斑Φ2mm;激光同轴氩气送粉,送粉速度7g/min,采用氩气保护,保护气流量为12L/min。
6、激光器:3000W的半导体激光器。
如图1和图2所示,脱氧处理后合金钢粉末表面的氧化层基本消失。如图3和图4所示,激光沉积后合金钢的截面形貌表明,脱氧处理后,合金钢内部的气孔和夹杂物孔洞缺陷完全消失。如图5所示,拉伸曲线表明,氧含量降低后激光沉积合金钢的抗拉强度由660MPa提高到805MPa,断后延伸率由5%增加到20%。
实施例2
本实施例中,抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,具体步骤如下:
1、合金钢粉末为24CrNiMo材质,粒度为150目,球形度≥93%,氧含量≥5000ppm。
2、脱氧处理温度为300℃,处理时间4h,处理气氛为常压下的99.99%Ar和99.99%H2混合气氛,H2含量15vol.%。脱氧处理后,氧含量50ppm。
3、沉积基体:T8钢。
4、激光沉积真空手套箱环境:H2O、O2≤50ppm。
5、激光沉积的工艺参数:激光连续辐照,激光功率为800W,功率密度2×105W/cm2,扫描速度为8mm/s,搭接量为40%,辐照光斑Φ3mm;激光同轴氩气送粉,送粉速度6g/min,采用氩气保护,保护气流量为8L/min。
6、激光器:3000W的光纤激光器。
本实施例中,脱氧处理后合金钢粉末表面的氧化层基本消失,脱氧处理后,合金钢内部的气孔和夹杂物孔洞缺陷完全消失。氧含量降低后,激光沉积合金钢的抗拉强度由710MPa提高到900MPa,断后延伸率由6%增加到15%。
实施例3
本实施例中,抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,具体步骤如下:
1、合金钢粉末为H13钢材质,粒度为120目,球形度≥93%,氧含量≥5000ppm。
2、脱氧处理温度为500℃,处理时间2h,处理气氛为常压下的99.99%Ar和99.99%H2混合气氛,H2含量25vol.%。脱氧处理后,氧含量70ppm。
3、沉积基体:20钢。
4、激光沉积真空手套箱环境:H2O、O2≤50ppm。
5、激光沉积的工艺参数:激光连续辐照,激光功率为1000W,功率密度4×105W/cm2,扫描速度为10mm/s,搭接量为60%,辐照光斑Φ4mm;激光同轴氩气送粉,送粉速度15g/min,采用氩气保护,保护气流量为16L/min。
6、激光器:3000W的CO2激光器。
本实施例中,脱氧处理后合金钢粉末表面的氧化层基本消失,脱氧处理后,合金钢内部的气孔和夹杂物孔洞缺陷完全消失。氧含量降低后,激光沉积合金钢的抗拉强度由750MPa提高到880MPa,断后延伸率由7%增加到18%。
实施例结果表明,本发明通过降低合金钢粉末中氧含量的方法来实现,采用粉末还原炉对合金钢粉末进行脱氧处理,然后在真空手套箱中用同步送粉方法进行激光沉积,沉积过程中用一定流量的氩气保护激光沉积作用区。该方法可有效减少激光增材制造合金钢内部的气孔和夹杂物孔洞,提高激光增材制造合金钢的致密度和力学性能。
最后应说明的是以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,其特征在于,具体工艺步骤如下:
将合金钢粉末在粉末还原炉中进行脱氧处理,还原温度为300~600℃;选择基体,在真空手套箱环境中,采用同步送粉沉积方式,选择一种光斑的光束在基体上进行激光沉积处理,同时用氩气覆盖激光作用区,减少激光作用区夹杂物的形成并提高凝固速率。
2.按照权利要求1所述的抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,其特征在于,所述的合金钢粉末,粒度为100~250目,球形度≥90%。
3.根据权利要求1所述的抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,其特征在于,所述的脱氧处理气氛为常压下的体积浓度99.99%Ar和体积浓度99.99%H2混合气氛,H2含量5~30vol.%。
4.根据权利要求1所述的抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,其特征在于,所述的脱氧处理时间为0.5~4h。
5.根据权利要求1所述的抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,其特征在于,所述的基体是与合金钢具有较好的润湿性和良好焊接性能的钢板。
6.根据权利要求1所述的抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,其特征在于,所述的真空手套箱环境,H2O≤50ppm、O2≤50ppm。
7.根据权利要求1所述的抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,其特征在于,所述的激光沉积的工艺参数如下:
激光连续辐照,激光功率为500~2000W,功率密度104~106W/cm2,扫描速度为4~16mm/s,搭接量为30%~70%,辐照光斑Φ2mm~Φ5mm;
送粉方式为同轴氩气送粉,送粉速度为5~20g/min,采用惰性气体氩气保护,保护气流量为10~20L/min。
8.根据权利要求1所述的抑制激光增材制造合金钢内部孔洞形成的方法,其特征在于,所述的激光器是光纤激光器、半导体激光器或CO2激光器。
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