CN110340344B - 一种提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属激光增材制造领域，具体为一种提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法，适用于各种合金钢粉末激光沉积利用率有效提高。采用合金钢粉末相同粒度的Ni、Cr、Nb、Si一种或两种以上粉末，通过球磨机均匀混合一定比例于激光沉积合金钢回收粉末中，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，可实现沉积结构钢内部组织较为致密的激光增材制造。本发明实现激光沉积合金结构钢组织较为致密均匀，孔洞、裂纹及夹杂物缺陷完全消除的激光增材制造，同时激光沉积层力学性能显著改善，为激光增材制造合金钢结构件方面有效提高粉末利用率提供解决方案。
Description
技术领域
本发明属于金属激光增材制造领域，具体为一种提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法，适用于各种合金钢粉末激光沉积利用率有效提高。
背景技术
激光沉积增材制造是一种新的制造技术，以高功率激光作为热源，通过激光熔合同步输送的粉末等原材料，逐层熔化堆积而实现增材制造，实现任意复杂形状金属零件的成型制造。但激光增材制造技术粉末利用率还存在较大问题，其中激光同步送粉的粉末利用率在25～55％之间，研究和发明提高粉末高效利用的方法对激光增材制造生产的经济性和环保性意义重大。
合金结构钢作为现代工业应用广泛的金属材料，具有良好的淬透性，经适宜的热处理后，易达到良好表现的力学性能等，广泛用于制造尺寸较大、结构复杂的高性能构件。例如：核电应急柴油机凸轮轴和高铁列车制动盘等重点工程领域中大尺寸高性能结构零件，合金结构钢零件在各领域的应用潜力，主要取决于大尺寸构件内部组织致密均匀及力学性能综合优化。
因此，研究和发明提高粉末高效利用的方法，在满足零件增材制造力学性能同时能更好地提高增材制造高效利用率，为增材制造生产节能环保和我国关键零部件制造自主化具有重要的实用价值和理论意义。
发明内容
为了解决激光增材制造合金钢粉末利用率的较低问题，本发明的目的在于提供一种提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法，通过混合Ni、Cr、Nb、Si粉末一定比例于合金钢回收粉末改善合金钢末的自熔性能，同时去除沉积组织夹杂问题，获得合金钢激光沉积组织致密均匀和良好的综合力学性能，同时也切实提高增材制造的高效经济性及环保性。
本发明的技术方案如下：
一种提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法，该方法的工艺步骤如下：
采用粒度相同的Ni、Cr、Nb、Si粉末，分别取一种或两种以上粉末球磨处理后，均匀混入结构钢回收粉末中形成混合合金钢粉末，并将混合合金钢粉末进行干燥处理，干燥处理温度为85～150℃，干燥结束后，冷却至室温；根据沉积的目标钢粉末选择基体，在真空手套箱环境中，采用激光沉积、同步送粉方式，选择一种光斑的光束在基体上进行激光沉积处理，同时用保护气体覆盖激光作用区，净化激光作用区并提高凝固速率。
所述的结构钢回收粉末，粒度在100～300目，球形度≥80％，氧含量≥1000PPM。
所述的Ni、Cr、Nb、Si粉末，粒度为100～300目，球形度≥90％，化学成分纯度在99wt％以上，氧含量≤500PPM。
所述的Ni、Cr、Nb、Si一种或两种以上粉末，占混合合金钢粉末比例不大于15wt％，混合合金钢粉末总重量100％。
所述的干燥处理是将混合合金钢粉末置于干燥箱中，在100～200℃干燥1小时以上。
所述的基体与合金结构钢具有较好的润湿性和良好焊接性能。
所述的真空手套箱环境，H2O≤200PPM、O2≤200PPM。
所述的激光沉积、同步送粉的工艺参数如下：
激光连续辐照，激光功率为300～2000W，功率密度104～106W/cm2，扫描速度为2～18mm/s，搭接量为25％～65％，辐照光斑Φ2mm～Φ6mm；
送粉方式为同轴氩气送粉，送粉速度为5～25g/min，采用惰性气体氩气保护，保护气流量为5～20L/min。
所述的激光沉积的激光器是光纤激光器、半导体激光器、CO2激光器或Nd:YAG激光器。
该方法处理的结构钢回收粉末，激光沉积后组织均匀致密，孔洞、裂纹及夹杂物缺陷完全消除，抗拉强度达到450～900MPa，延伸率达到10％～40％。
本发明的设计思想是：
本发明采用粒度相同的结构钢以及Ni、Cr、Nb、Si多种粉末，分别取Ni、Cr、Nb、Si一种或两种以上粉末按一定的比例球磨均匀混入结构钢回收粉末中，在真空手套箱环境中采用同步送粉沉积方法进行激光沉积，沉积过程中用保护气体(如：氩气)覆盖和保护激光沉积作用区，可实现沉积结构钢内部组织较为致密，且回收粉末沉积组织力学性能明显提高的的激光增材制造。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提供的一种提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法，在结构钢粉末在化学成分改变较小情况下，实现激光沉积组织致密均匀，同时保证节约生产的成本，为激光增材制造钢结构件方面提供高效节能的一种新的解决方案。
2、采用本发明激光沉积在充分保证合金钢本身具有的组织和力学性能基础上，沉积层的力学性能明显改善，从而进一步优化组织和力学性能。
3、本发明实现激光沉积合金结构钢组织较为致密均匀，孔洞、裂纹及夹杂物缺陷完全消除的激光增材制造，同时激光沉积层力学性能显著改善，解决合金钢回收粉末自熔性较差的缺陷，提高激光增材制造合金钢结构件粉末激光沉积的利用率。
附图说明
图1(a)为激光增材制造合金钢回收粉末微观组织；
图1(b)为激光沉积混合不锈钢粉末的合金钢微观组织；
图2为激光沉积合金结构钢和混合合金钢粉末的拉伸曲线。图中，横坐标Strain代表应变(％)，纵坐标Stress代表应力(MPa)。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明采用合金钢粉末相同粒度的Ni、Cr、Nb、Si一种或两种以上粉末，分别取Ni、Cr、Nb、Si一种或两种以上粉末按一定的比例球磨均匀混入结构钢回收粉末中，并将混合后的粉末进行干燥处理，干燥处理温度为85～150℃，干燥处理结束后，冷却至室温；根据沉积的目标结构钢回收粉末选择合适的基体，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，同时用保护气体覆盖激光作用区，沉积过程中用一定流量的氩气保护激光沉积作用区，实现沉积结构钢内部组织较为致密的激光增材制造。
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，提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法，具体步骤如下：
1、合金结构钢回收粉末粒度在100～200目，球形度≥80％，氧含量≥1000PPM；Ni、Cr、Nb、Si几种粉末粒度为100～200目，球形度≥94％，化学成分纯度为99.99wt％以上，氧含量≤500PPM。其中，合金结构钢回收粉末的合金牌号为12CrNi2。
2、取纯Ni、Cr两种粉末分别按2.5wt％比例混入合金结构钢回收粉末中，按重量百分比算，Ni、Cr粉末占整个混合合金钢粉末比例为5％。
3、混合合金钢粉末干燥处理：温度100℃×1.5h。
4、沉积基体：12CrNi2合金结构钢。
5、激光沉积真空手套箱环境：H2O、O2≤40PPM。
6、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5×105W/cm2，扫描速度为10mm/s，搭接量为50％，辐照光斑Φ2mm；激光同轴氩气送粉，送粉速度8g/min，采用氩气保护，保护气流量为13L/min。
7、激光器：3000W的半导体激光器。
如图1(a)所示，从激光沉积原始结构钢粉末组织结构看出，沉积组织存在较多孔洞、裂纹及夹杂物缺陷。
如图1(b)所示，通过以上方法处理的结构钢回收粉末，激光沉积后组织均匀致密，沉积孔洞、裂纹及夹杂物等缺陷完全消除。
如图2所示，从激光沉积原始结构钢粉末(original powder)和混合合金钢粉末(mixture powder)的拉伸曲线可以看出，混合合金钢粉末抗拉强度可达到原始粉末沉积性能的92％。
实施例2
本实施例中，提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法，具体步骤如下：
1、合金结构钢回收粉末粒度在100～250目，球形度≥80％，氧含量≥1000PPM；Ni、Cr、Nb、Si几种粉末粒度为100～250目，球形度≥94％，化学成分纯度为99.99wt％以上，氧含量≤500PPM。其中，合金结构钢回收粉末的合金牌号为12CrNi2。
2、取纯Ni、Cr、Si三粉末分别按2.5wt％、3wt％、1wt％比例混入合金结构钢回收粉末中，按重量百分比算，Ni、Cr、Si粉末占整个混合合金钢粉末比例为6.5％。
3、混合合金钢粉末干燥处理：温度110℃×2h。
4、沉积基体：12CrNi2合金结构钢。
5、激光沉积真空手套箱环境：H2O、O2≤40PPM。
6、激光沉积的工艺参数：激光连续辐照，激光功率为1200W，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12.5g/min，采用氩气保护，保护气流量为12L/min。
7、激光器：3000W的光纤激光器。
本实施例中，通过以上方法处理的结构钢回收粉末，激光沉积后组织均匀致密，沉积孔洞缺陷未见明显，混合合金钢粉末沉积抗拉强度可达到原始粉末沉积的95％。
实施例3
本实施例中，合金结构钢激光沉积孔洞消除方法，具体步骤如下：
1、合金结构钢回收粉末粒度在100～200目，球形度≥80％，氧含量≥1000PPM；Ni、Cr、Nb、Si几种粉末粒度为100～200目，球形度≥94％，化学成分纯度为99.99wt％以上，氧含量≤500PPM。其中，合金结构钢回收粉末的合金牌号为12CrNi2。
2、取纯Cr、Nb、Si三种粉末分别按3wt％、2wt％、1wt％比例混入合金结构钢回收粉末中，按重量百分比算，Cr、Nb、Si粉末占整个混合合金钢粉末比例为6％。
3、混合合金钢粉末干燥处理：温度150℃×1.0h。
4、沉积基体：12CrNi2合金结构钢。
5、激光沉积真空手套箱环境：H2O、O2≤40PPM。
6、激光沉积的工艺参数：激光连续辐照，激光功率为1500W，功率密度3×105W/cm2，扫描速度为12mm/s，搭接量为60％，辐照光斑Φ4mm；激光同轴氩气送粉，送粉速度16g/min，采用氩气保护，保护气流量为18L/min。
7、激光器：3000W的CO2激光器。
本实施例中，通过以上方法处理的结构钢回收粉末，激光沉积后组织均匀致密，沉积孔洞缺陷完全消除，混合合金钢粉末沉积抗拉强度可达到原始粉末沉积的91％。
实施例结果表明，本发明提供一种有效提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法，激光沉积组织致密均匀，且沉积孔洞缺陷完全消除，沉积层的力学性能也明显改善；实现结构钢回收粉末多次利用，有效解决合金钢粉末的利用率低问题，同时也为激光增材制造钢结构件方面提供性能优化的解决办法。
Claims (6)
1.一种提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法，其特征在于，该方法的工艺步骤如下：
采用粒度相同的Ni、Cr、Nb、Si粉末，分别取一种或两种以上粉末球磨处理后，均匀混入结构钢回收粉末中形成混合合金钢粉末，并将混合合金钢粉末进行干燥处理，干燥处理温度为85～150℃，干燥结束后，冷却至室温；根据沉积的目标钢粉末选择基体，在真空手套箱环境中，采用激光沉积、同步送粉方式，选择一种光斑的光束在基体上进行激光沉积处理，同时用保护气体覆盖激光作用区，净化激光作用区并提高凝固速率；
所述的结构钢回收粉末，粒度在100～300目，球形度≥80％，氧含量≥1000PPM；
所述的Ni、Cr、Nb、Si粉末，粒度为100～300目，球形度≥90％，化学成分纯度在99wt％以上，氧含量≤500PPM；
所述的Ni、Cr、Nb、Si一种或两种以上粉末，占混合合金钢粉末比例不大于15wt％，混合合金钢粉末总重量100％；
该方法处理的结构钢回收粉末，激光沉积后组织均匀致密，孔洞、裂纹及夹杂物缺陷完全消除，抗拉强度达到450～900MPa，延伸率达到10％～40％。
2.根据权利要求1所述的提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法，其特征在于，所述的干燥处理是将混合合金钢粉末置于干燥箱中，在100～200℃干燥1小时以上。
3.根据权利要求1所述的提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法，其特征在于，所述的基体与合金结构钢具有较好的润湿性和良好焊接性能。
4.根据权利要求1所述的提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法，其特征在于，所述的真空手套箱环境，H2O≤200PPM、O2≤200PPM。
5.根据权利要求1所述的提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法，其特征在于，所述的激光沉积、同步送粉的工艺参数如下：
激光连续辐照，激光功率为300～2000W，功率密度104～106W/cm2，扫描速度为2～18mm/s，搭接量为25％～65％，辐照光斑Φ2mm～Φ6mm；
送粉方式为同轴氩气送粉，送粉速度为5～25g/min，采用惰性气体氩气保护，保护气流量为5～20L/min。
6.根据权利要求1或5所述的提高激光增材制造合金钢粉末利用率的方法，其特征在于，所述的激光沉积的激光器是光纤激光器、半导体激光器、CO2激光器或Nd:YAG激光器。
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