CN109604586A - 一种适用于轧制钢材的3d打印修复墨材及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于轧制钢材的3D打印修复墨材及方法，所述墨材为粉末材质，其特征在于含有：C：0.4wt%、Fe：89wt%、Si：0.2wt%、Mn：3wt%、Cr：2wt%、V：0.4wt%、W：1wt%、Ti：1wt%，其余为杂质。3D打印工艺采用选择性激光烧结工艺或激光选区熔化工艺。本发明用合理的3D打印工艺将金属粉末熔覆在修复表面，恢复基材的几何尺寸同时不改变物理化学性能。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种对轧制钢材缺陷处进行修复的方法。
背景技术
3D打印技术（增材制造技术）是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，是先进制造业的重要组成部分。经过多年的发展，我国增材制造技术与世界先进水平基本同步，在高性能复杂大型金属承力构件增材制造等部分技术领域已达到国际先进水平，成功研制出光固化、激光选区烧结、激光选区熔化、激光近净成形、熔融沉积成形、电子束选区熔化成形等工艺装备。增材制造技术及产品已经在航空航天、汽车、生物医疗、文化创意等领域得到了初步应用，涌现出一批具备一定竞争力的骨干企业。
国内目前轧制钢材质量状况较好，但是在实际生产时由于受环境、原材、操作等因素的影响，仍会在钢材表面、体内、边缘出现个别缺陷（气孔、疏松、夹渣等），这就会对钢材质量造成一定影响，并且进行常规修复（如补焊）的难度较大；对于某些特种钢材补焊的效果难以达到原材要求，同时受补焊工艺（如焊前预热）的影响，基材机械性能会相应降低。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种成本较低、对质量影响较少，简单、高效的适用于钢材缺陷修复的方法，利用理化性能与钢材相匹配的金属材料进行3D打印修复，能满足钢材总体的技术要求。
为实现本发明目的，本发明首先提供一种适用于轧制钢材的3D打印修复墨材，为粉末材质，其特征在于含有：C：0.4wt%、 Fe：89wt%、Si：0.2wt%、Mn：3wt%、Cr：2wt%、V：0.4wt%、W：1wt%、Ti：1wt%，其余为杂质。
本发明进一步提供了适用于轧制钢材的3D打印修复方法，其特征在于包括如下步骤：
墨材准备：所述墨材为粉末材质，含有C：0.4wt%、 Fe：89wt%、Si：0.2wt%、Mn：3wt%、Cr：2wt%、V：0.4wt%、W：1wt%、Ti：1wt%，其余为杂质；
预处理：对钢材缺陷处进行打磨、清洁，消除影响打印质量的杂质；
修复：利用3D打印技术将墨材在钢材缺陷处形成金属凝结以填充缺陷。
本发明适用于轧制钢材的3D打印修复墨材，含有C、 Fe、Si、Mn、Cr、V、W、Ti金属粉末和少量杂质，组分总含量为100%。利用3D打印技术，通过计算机控制墨材出墨量和出墨温度，在轧制钢材缺陷处形成金属凝结以填充缺陷。
打印前缺陷处需进行预处理：主要进行清洁处理消除影响打印质量的杂质，如铁锈、油污、灰尘、水雾等。对于钢材体内存在的较大缺陷，可以通过打磨或机加工露出或清除缺陷后，再进行打印处理。
本发明独创性的采用3D打印技术对钢材进行修复，在钢材缺陷处形成的金属堆积体与基材的理化性能相当，保证了与基材一致的成分体系，在形成堆积区域边界，避免了有关元素扩散所形成的熔合线附近微观组织与力学性能的变化。
本发明考虑到金属堆积凝固时，为降低凝固裂纹倾向，加入1wt%的钨元素墨材，以减小凝固温度区间，从而有效减少和避免了凝固裂纹的出现。由于组分粉末不可能纯净无杂，杂质由此代入，其中P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，含量非常少，墨材基本组分（C、 Fe、Si、Mn、Cr、V、W、Ti）达到指标，打印质量即可满足要求。墨材质量控制点少且容易满足要求，对提高质量性能较为有利。
本发明墨材采用的化学成分体系，使打印凝结的金属晶粒细致化，通过温度控制可以形成所需金属组织，不仅保证了强度，且降低了凝固温度范围，避免凝固裂纹的出现，同时减少或防止液化裂纹及再热裂纹的产生。
本发明所制备的3D打印墨材为元素粉末，用于打印对应的钢材，保证了基材的冲击功、屈服强度、抗拉强度、延伸率等，满足了基材的各项要求。
本发明涉及的打印成分价格低、市场较为常见，存在一定技术基础，同时具备一定的生产效率优势；制备的所述3D打印金属成分性能指标可以达到或接近基材，可以满足轧制钢材的技术要求。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本其保护范围的限制。
实施例1
1、墨材准备：对各种组分粉末材质进行称量，然后混合，使最终墨材含有C：0.4wt%、Fe：89wt%、Si：0.2wt%、Mn：3wt%、Cr：2wt%、V：0.4wt%、W：1wt%、Ti：1wt%，其余为杂质，其中P≤0.002wt%，S≤0.001wt%；
2、预处理：对轧制钢材缺陷处进行打磨、清洁，消除缺陷表面影响打印质量的杂质，如铁锈、油污、灰尘、水雾等。
3、修复：将墨材装入3D打印设备ProX100（DMP)型打印机的供粉盒中，利用选择性激光烧结技术将墨材在钢材缺陷处形成金属凝结以填充缺陷。
具体方法是：将墨材粉末铺洒在钢材缺陷表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面。利用计算机控制墨材出墨量和出墨温度，墨材粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，在钢材缺陷表面形成薄层铸态，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。
选择性激光烧结技术通过使用熔点不同的多组元金属粉末或使用预合金粉末来实现。多组分金属粉末体系一般由高熔点金属、低熔点金属及某些添加元素混合而成，其中高熔点金属粉末作为骨架金属，能在选择性激光烧结工艺中保留其固相核心；低熔点金属粉末作为粘结金属，在选择性激光烧结工艺中熔化形成液相，生成的液相包覆、润湿和粘结固相金属颗粒，以此实现烧结致密化。
本工艺用于修复Q420qD轧制钢缺陷，TMCP态供货。修复过程中，激光功率100W，光斑尺寸40μm，粉末层厚（20-30）μm。由于输入热量小，因此制件变形小，形状精度高，整体公差控制在±0.15mm。激光加热墨材时，高熔点金属粉末不熔化，低熔点金属粉末熔化从而实现粘接成形。对修复后的材料和未进行修复材料进行力学性能检测，力学性能与未进行修复的Q420qD基本相同，完全满足使用要求。
实施例2
1、墨材准备：对各种组分粉末材质进行称量，然后混合，使最终墨材含有C：0.4wt%、Fe：89wt%、Si：0.2wt%、Mn：3wt%、Cr：2wt%、V：0.4wt%、W：1wt%、Ti：1wt%，其余为杂质，其中P≤0.002wt%，S≤0.001wt%；
2、预处理：对钢材缺陷处进行打磨、清洁，消除影响打印质量的杂质，如铁锈、油污、灰尘、水雾等；
3、修复：将墨材装入3D打印设备EOSINTM270型打印机的供粉缸中，利用激光选区熔化技术将墨材在钢材缺陷处形成金属凝结以填充缺陷。
具体方法是：先把墨材粉末平铺到钢材缺陷表面，采用激光器激光束开始扫描，然后激光束将按当前层的信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出轮廓，然后可升降系统下降一个图层厚度的距离，再在已加工好的当前层上铺墨材粉末，设备调入下一深度进行加工，如此层层加工，直到表面修复完毕。整个加工过程在气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。
激光选区熔化技术修复的金属具有冶金结合组织，致密度较高，具有较好的力学性能，无需后处理；粉末材料为多组元材料，原材料无需特别配制；可直接制造出复杂几何形状的功能件。
本工艺用于修复L450MS+316L复合管线钢缺陷。在成形方案设计过程中，基于EOSINTM270 打印设备已有的316L 不锈钢材料成形技术参数，结合钢材构件厚度通过改变实体扫描速度进行样件试制，检测成形态显微硬度和金相组织，以验证成形方案的可行性。现有316L 成形技术参数为：激光功率（160-200）W，光斑尺寸（60-80）μm，实体扫描速度（1083-1400）mm/s，粉末层厚（20-30）μm。针对不同扫描速度下成形的样件进行检测发现，当实体扫描速度为（1083-1400）mm/s 时，其成形态显微硬度约为220HV。通过修复后管线钢检测，力学性能和耐蚀性与未进行修复的管线钢基本相同，完全满足使用要求。
Claims (5)
1.一种适用于轧制钢材的3D打印修复墨材，为粉末材质，其特征在于含有：C：0.4wt%、Fe：89wt%、Si：0.2wt%、Mn：3wt%、Cr：2wt%、V：0.4wt%、W：1wt%、Ti：1wt%，其余为杂质。
2.如权利要求1所述的适用于轧制钢材3D打印修复的墨材，其特征在于所述杂质中：P≤0.002wt%，S≤0.001wt%。
3.一种适用于轧制钢材的3 D打印修复方法，其特征在于包括如下步骤：
墨材准备：所述墨材为粉末材质，含有C：0.4wt%、 Fe：89wt%、Si：0.2wt%、Mn：3wt%、Cr：2wt%、V：0.4wt%、W：1wt%、Ti：1wt%，其余为杂质；
预处理：对钢材缺陷处进行打磨、清洁，消除影响打印质量的杂质；
修复：利用3D打印技术将墨材在钢材缺陷处形成金属凝结以填充缺陷。
4.一种适用于轧制钢材的3D打印修复方法，其特征在于所述3D打印技术采用选择性激光烧结工艺。
5.一种适用于轧制钢材的3D打印修复方法，其特征在于所述3D打印技术采用激光选区熔化工艺。
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| CN201910004908.2A Active CN109604586B (zh) | 2019-01-03 | 2019-01-03 | 一种适用于轧制钢材的3d打印修复墨材及方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115138853A (zh) * | 2021-03-30 | 2022-10-04 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种促动器油缸缸筒的修复方法 |
Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| JP2003342617A (ja) * | 2002-05-30 | 2003-12-03 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 耐熱合金製補修高温部品、Ｎｉ基耐熱合金製補修ガスタービン翼、Ｎｉ基耐熱合金製ガスタービン翼の補修方法および耐熱合金製ガスタービン動翼の補修方法 |
| CN106938375A (zh) * | 2017-03-28 | 2017-07-11 | 武汉科技大学 | 适用于‑196℃工作温度的熔化极气体保护焊焊丝 |
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-
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Patent Citations (6)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115138853A (zh) * | 2021-03-30 | 2022-10-04 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种促动器油缸缸筒的修复方法 |
| CN115138853B (zh) * | 2021-03-30 | 2024-03-22 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种促动器油缸缸筒的修复方法 |
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