CN109622967B - 一种增材制造不锈钢-镁互锁双金属复杂形状零件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种增材制造不锈钢‑镁互锁双金属复杂形状零件的方法，其操作过程如下：通过选区激光熔化成型工艺制造内腔表面有树枝状凸起的不锈钢复杂薄壳腔体；将熔融的含铝的镁合金，通过预留孔注入处于高温状态的不锈钢复杂薄壳腔体内；将处于高温状态的不锈钢‑镁复杂零件进行振动处理，以使熔融镁合金充分填充不锈钢腔体；在零件冷却过程中继续施加振动处理，预防缩孔等缺陷的产生；最后，使用氩弧焊工艺将预留孔完全封堵。本发明可以制造形状复杂的不锈钢‑镁双金属零件，不锈钢腔体与镁合金基体之间既有可靠的机械互锁，又在铝元素的帮助下有良好的冶金结合。

Description

一种增材制造不锈钢-镁互锁双金属复杂形状零件的方法
技术领域
本发明涉及一种新型金属零件制备方法，具体是一种不锈钢-镁双金属零件制备方法，属于金属材料领域。
背景技术
镁合金是常用金属结构材料中密度最低的金属材料，具有密度小、比强度高、减震等优点。但镁的耐蚀性较差，在潮湿环境、雨水、海水等腐蚀环境下会被迅速腐蚀，从而极大的限制了镁合金零件的广泛使用。
为了提高镁合金零件的耐蚀性，人们提出了电镀、化学镀、热喷涂等方法在镁合金零件表面增加一层保护材料，但通过这些方法制备的涂层与基体之间结合力差，容易脱落开裂。
中国专利CN 106825898 A提出了通过爆炸焊方法制备不锈钢-镁复合金属板，但这种方法只适用于平板，对于复杂形状的零件并不适用，此外爆炸焊对制备场地有特殊要求，实现难度较大。中国专利CN103551383提出了通过轧制的方法制备不锈钢-镁复合金属板，同样这种方法也只适用于平板，对于复杂形状的零件不适用。
发明内容
本发明的目的是针对上述背景技术的不足，通过选区激光熔化成型工艺制造内腔表面有树枝状凸起的不锈钢复杂薄壳腔体，之后将熔融的液态镁合金注入不锈钢腔体，冷却凝固之后形成表面为不锈钢内部为镁合金的复杂形状不锈钢-镁互锁双金属零件。该方法具有可以制造复杂形状不锈钢-镁双金属零件和不锈钢-镁结合力强的优点。具体方案如下：
一种增材制造不锈钢-镁互锁双金属复杂形状零件的方法，包括如下步骤：
S1、采用选区激光熔化成型工艺制造内腔表面有树枝状凸起的不锈钢复杂形状腔体零件，树枝状凸起的树枝枝干与主干之间的夹角为50°-70°之间，且树枝主干的直径为不锈钢复杂形状腔体零件厚度的0.5-2倍之间；
S2、加热熔化纯镁，并向熔融纯镁中加入纯铝颗粒，纯铝颗粒在混合后的熔融金属中的质量分数占比为0.5％-10％；
S3：将步骤S1中制备的不锈钢复杂形状腔体零件放置在沙箱中，并将沙箱整体加热到550℃-700℃之间；
S4：将步骤S2制备的熔融镁合金，通过不锈钢复杂形状腔体零件上的预留孔注入腔体内；
S5：将沙箱整体放置在振动台上进行振动处理；
S6：将沙箱放置在空气中自然冷却，冷却过程中继续施加振动处理；
S7：将冷却至室温的不锈钢-镁复合零件从沙箱中取出并清理干净；
S8：通过氩弧焊补焊方法使用与不锈钢复杂形状腔体相同材质的焊丝将预留孔完全封堵。
进一步的，在步骤S2中，在熔融纯镁中还加入纯锌颗粒和纯锰颗粒，纯锌颗粒在混合后的熔融金属中的质量分数占比为0.3-7％，纯锰颗粒在混合后的熔融金属中的质量分数占比为0.3-1.5％。
进一步的，在步骤S5中，振动处理为3-10分钟且振动频率为30-9000赫兹。
进一步的，步骤S6中，振动处理为10-30分钟且振动频率为30-9000赫兹
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)可以制造形状复杂的不锈钢-镁双金属零件；
(2)在不锈钢内腔表面树枝状凸起的作用下，不锈钢腔体与镁基体互锁牢固，结合紧密；
(3)通过在镁中加入铝(同时可以选择性加入锰和锌)，可以增强不锈钢壳体和镁合金之间的冶金结合力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本方法制造的不锈钢-镁互锁双金属复杂形状零件示意图。
图2是制备不锈钢-镁互锁双金属复杂形状零件的示意图。
图3是不锈钢复杂薄壳腔体内腔表面树枝状凸起的局部放大图。
附图标记说明：
1选区激光熔化成型工艺制造的不锈钢复杂形状腔体零件，2内部填充的镁合金，3树枝状凸起，4预留孔，5沙箱，6沙子，7加热板，8振动台，9树枝状凸起的主干，10树枝状凸起的枝干。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
本发明提供了一种增材制造不锈钢-镁互锁双金属复杂形状零件的方法，包括如下步骤：
步骤S1、使用粒径范围为15-53微米的316L不锈钢粉末或304L不锈钢粉末为原料，采用选区激光熔化成型工艺制造内腔表面有树枝状凸起3的不锈钢复杂形状腔体零件(或称不锈钢异形腔体零件)1。在一实施例中，不锈钢复杂形状薄壳腔体零件1厚度为0.3mm-5mm，树枝状凸起的树枝枝干10与主干9之间的夹角为50°-70°之间，且树枝主干9的直径为不锈钢复杂形状薄壳腔体零件1壁厚的0.5-2倍之间。
步骤S2、加热熔化纯镁，并向熔融纯镁中加入纯铝颗粒。在一可选的实施例中，我们在向熔融纯镁中加入质量分数为0.5％-10％的纯铝颗粒，加入纯铝颗粒可以明显地促进镁合金和不锈钢外壳的冶金结合。进一步优选的，我们还可以在加入纯铝颗粒的基础上再往熔融纯镁中加入0.3％-7％的质量分数的纯锌颗粒和0.3％-1.5％质量分数的纯锰颗粒，可以进一步促进镁合金和不锈钢外壳的冶金结合。另外，加入铝、锌、锰还可以提高镁合金的强度。
步骤S3：将步骤S1中制备的不锈钢复杂腔体零件放置在沙箱4中，并将沙箱整体加热至550℃-700℃之间。
步骤S4：将步骤S2制备的熔融镁合金2，通过不锈钢复杂形状薄壳腔体零件上的预留浇注孔4注入腔体内。
步骤S5：将处于高温状态的沙箱整体放置在振动台8上进行3-10分钟且振动频率为30-9000赫兹的振动处理，以使熔融镁合金充分填充至不锈钢复杂腔体零件内。
步骤S6：将沙箱放置在空气中自然冷却，冷却过程中继续施加10-30分钟且振动频率为30-9000赫兹的振动处理，预防缩孔等缺陷的产生。
步骤S7：将冷却至室温的不锈钢-镁复合零件从沙箱中4取出并清理干净。
步骤S8：通过氩弧焊补焊方法使用与不锈钢复杂形状腔体零件相同材质的焊丝将预留孔完全封堵。
下面列举两个具体的实施例来对上述流程进行说明。
实施例一
步骤一：使用粒径范围为15-53微米的316L不锈钢粉末，通过选区激光熔化成型工艺制造内腔表面有树枝状凸起的不锈钢复杂形状腔体零件1。其中，树枝状凸起的树枝枝干10与主干9之间的夹角为60°，且树枝主干9的直径为不锈钢复杂形状薄壳腔体零件1壁厚的0.5倍。
步骤二：加热熔化一定量的纯镁，并向液态纯镁中加入纯铝颗粒，使铝的质量分数达到3％，同时加入1％质量分数的纯锌颗粒和0.5％质量分数的纯锰颗粒。
步骤三：将步骤一中制备的316L不锈钢复杂形状腔体零件1放置在沙箱4中，将沙箱4放在加热板6上整体加热到650℃。
步骤四：将步骤二制备的熔融镁合金，通过预留孔注入处于高温状态的不锈钢复杂形状腔体零件1内。
步骤五：将处于高温状态的沙箱4整体放置在振动台上，进行5分钟的振动处理，振动频率为50赫兹，以使液态镁合金充分填充不锈钢腔体。
步骤六：将沙箱4放置在空气中缓慢冷却，冷却过程中继续施加振动处理15分钟，振动频率为50赫兹，预防缩孔等缺陷的产生。
步骤七：将冷却至室温的不锈钢-镁复合零件从沙箱中取出，清理干净。
步骤八：通过氩弧焊补焊方法使用316L不锈钢焊丝将预留孔完全封堵,获得图1所示的不锈钢-镁互锁双金属复杂形状零件。
为了验证在实施例一情况下，本发明的不锈钢腔体和镁合金基体的界面结合效果，通过施加振动载荷，观察经过长时间振动载荷处理之后不锈钢-镁的界面结合状态。振动载荷频率为500赫兹，功率为500W，振动时间7天。未发现经过此振动载荷处理的零件的不锈钢腔体和镁合金基体的界面上有裂纹出现，说明本发明制备出的不锈钢腔体和镁合金基体具有较好的结合效果。
实施例二
实施例二各步骤与上述实施例一步骤基本相同，区别在于：
在步骤一中，采用粒径范围为15-53微米的304L不锈钢粉末制造内腔表面有树枝状凸起的不锈钢复杂形状腔体零件1。在步骤二中，添加的纯铝颗粒的质量分数为5％。步骤三中，整体加热温度为630℃。步骤八中所述的不锈钢焊丝为304L不锈钢焊丝。其他步骤与实施例一相同。
实施例二制备出的不锈钢-镁互锁双金属复杂形状零件，采用与上述实施例一的性能检测方法，检测出不锈钢腔体和镁合金基体也具有较好的结合效果。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种增材制造不锈钢-镁互锁双金属复杂形状零件的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采用选区激光熔化成型工艺制造内腔表面有树枝状凸起的不锈钢复杂形状腔体零件，树枝状凸起的树枝枝干与主干之间的夹角为50°-70°之间，且树枝主干的直径为不锈钢复杂形状腔体零件厚度的0.5-2倍之间；
S2、加热熔化纯镁，并向熔融纯镁中加入纯铝颗粒，纯铝颗粒在混合后的熔融金属中的质量分数占比为0.5％-10％；
S3：将步骤S1中制备的不锈钢复杂形状腔体零件放置在沙箱中，并将沙箱整体加热到550℃-700℃之间；
S4：将步骤S2制备的熔融镁合金，通过不锈钢复杂形状腔体零件上的预留孔注入腔体内；
S5：将沙箱整体放置在振动台上进行振动处理；
S6：将沙箱放置在空气中自然冷却，冷却过程中继续施加振动处理；
S7：将冷却至室温的不锈钢-镁复合零件从沙箱中取出并清理干净；
S8：通过氩弧焊补焊方法使用与不锈钢复杂形状腔体相同材质的焊丝将预留孔完全封堵。
2.如权利要求1所述的一种增材制造不锈钢-镁互锁双金属复杂形状零件的方法，其特征在于，在步骤S2中，在熔融纯镁中还加入纯锌颗粒和纯锰颗粒，纯锌颗粒在混合后的熔融金属中的质量分数占比为0.3-7％，纯锰颗粒在混合后的熔融金属中的质量分数占比为0.3-1.5％。
3.如权利要求1所述的一种增材制造不锈钢-镁互锁双金属复杂形状零件的方法，其特征在于，在步骤S5中，振动处理为3-10分钟且振动频率为30-9000赫兹。
4.如权利要求1所述的一种增材制造不锈钢-镁互锁双金属复杂形状零件的方法，其特征在于，步骤S6中，振动处理为10-30分钟且振动频率为30-9000赫兹。
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