CN111283196B - 铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件及其激光增材制造方法 - Google Patents

铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件及其激光增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，其公开了一种铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件及其激光增材制造方法，所述方法包括以下步骤：(1)提供混合粉末，所述混合粉末的原料包括镍粉及碳化硅陶瓷粉末，还包括铁粉或者铁合金粉末；(2)以所述混合粉末为原料进行同轴激光增材制造铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件，且同轴激光增材制造过程中，周期性改变单层增材起始点的位置，直至增材制造完成。本发明不仅改善原材料体系的力学性能，扩大了原材料体系的使用范围和进一步提高原材料体系在激光增材过程中的抗变形能力，而且有效地解决了由于陶瓷颗粒的加入对激光增材制造过程的工艺性消极影响。

Description

铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件及其激光增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件及其激光增材制造方法。
背景技术
激光增材制造是以粉材或者丝材为原料，通过激光热源原位冶金熔化/快速凝固逐层堆积，直接近净成形构件的一种加工制造方法。激光增材制造技术主要分为基于铺粉式的选区激光熔化和基于送粉式的直接激光熔覆两种主流技术。其中，同轴送粉式激光熔覆增材由于粉末沉积效率高，广泛应用于大型金属构件的增材制造。
铁合金大型薄壁回转体构件广泛应用于航天航空、船舶工业以及军事装备领域，例如火箭发动机舱体、导弹发射架等。对比于传统的铸造+减材和薄板卷制+焊接的制造方法，同轴送粉式激光熔覆增材技术具有制造周期短，原料利用率高，制造柔性大，设备简单等绝对优势，突破传统制造技术对构件结构尺寸的限制。
然而，在激光熔池冶金过程中，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。薄壁零件由于刚度较低，变形风险较高，严重可导致构件局部开裂。此外，增材过程中的熔池波动带来的局部尺寸偏差会严重影响构件的尺寸精度和制造效率。专利201811427066.3公开了一种减小铁合金激光增材制造中变形的方法，通过添加镍粉、改变铁合金中的镍含量，使得合金粉末在激光增材制造过程中产生磁致收缩效应，继而减小构件的残余应力，有效地降低了铁合金构件的变形风险。
然而，镍含量的增加会明显地降低铁合金的强度，严重地限制了该材料体系的利用。基于陶瓷颗粒增强金属基复合材料的强化机理，在该低膨胀铁合金材料体系中添加适量的碳化硅陶瓷颗粒，可以有效地提高该合金材料体系的强度和刚度，参见图1，从而增强铁合金构件的抗变形能力和高温力学性能的稳定性。但是在同轴送粉式激光熔池中，陶瓷颗粒的添加会明显降低熔池的稳定性，使得熔覆层在增材高度方向发生尺寸波动，不利于获得激光熔覆增材的稳态工艺。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件及其激光增材制造方法，其面向大型回转体薄壁构件的制造需求，通过在原料粉末中添加碳化硅陶瓷颗粒，并使用循环式熔覆起点工艺和强制负离焦的加工策略，不仅改善原材料体系的力学性能，扩大了原材料体系的使用范围和进一步提高原材料体系在激光增材制造中的抗变形能力，而且有效地解决了由于陶瓷颗粒的加入对激光增材制造过程的工艺性消极影响。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件的激光增材制造方法，所述方法包括以下步骤：
(1)提供混合粉末，所述混合粉末的原料包括镍粉及碳化硅陶瓷粉末，还包括铁粉或者铁合金粉末；
(2)以所述混合粉末为原料进行同轴激光增材制造铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件，且同轴激光增材制造过程中，周期性改变单层增材起始点的位置，直至增材制造完成。
进一步地，所述混合粉末中所述碳化硅陶瓷粉末所占的体积分数小于等于10％，且所述碳化硅陶瓷粉末的粒径为20μm～50μm。
进一步地，所述混合粉末中铁和镍的质量比为：Fe:Ni＝(62～66):(34～38)。
进一步地，铁合金粉末的粒径为45μm～105μm，镍粉的粒径为1μm～10μm。
进一步地，混合过程中，先将镍粉和碳化硅陶瓷粉末进行球磨混合，然后与铁合金粉末或者铁粉一起混合均匀。
进一步地，球磨混合时的滚筒机的转速为350r/min～400r/min，混合时间为6h～9h；所述混合粉末干燥方法为烘干箱烘干，烘干温度为100℃～200℃，烘干时间为0.5h～3h。
进一步地，同轴送粉激光増材制造采用的激光功率为600W～3000W，光斑直径为2mm～3mm，扫描速度为0.6m/min～2m/min，送粉速度为10g/min～40g/min。
进一步地，通过周期性改变单层熔覆起始点的位置，以调节零件的温度场及单层收尾搭接处带来的零件尺寸波动。
进一步地，激光熔覆的单层提升量为单层增材高度的80％～90％，且每提高一层，激光熔覆起始点的位置沿单一方向旋转预定角度。
按照本发明的另一个方面，提供了一种铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件，所述铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件是采用如上所述的铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件的激光增材制造方法制造而成的。
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，本发明提供的铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件及其激光增材制造方法主要具有以下有益效果：
1.通过激光增材制造陶瓷颗粒增强沉积态低膨胀铁基金属材料的方法，在保持原合金体系的变形小的激光增材加工特性外，有效地提高了原材料体系的力学性能，扩大其应用范围。
2.在负离焦的激光熔覆工艺的基础上，使用循环式动态熔覆起点的方法，有效地提高了激光增材制造薄壁构件的熔池稳定性，进一步提高了构件制造的成功率。
3.通过周期性改变单层熔覆起始点的位置，以调节零件的温度场及单层收尾搭接处带来的零件尺寸波动，单层熔覆起始点的旋转角度可以根据零件具体结构而改变。
4.对于激光增材制造过程中增材方向出现的局部尺寸明显偏离现象，可以停止增材过程，待通过机械打磨至增材方向尺寸统一后，继续完成增材制造，由此提高了质量。
附图说明
图1是现有的碳化硅陶瓷的体积分数对原合金材料强度的影响曲线；
图2是本发明提供的铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件的激光增材制造方法的流程示意图；
图3是本发明涉及的同轴送粉式激光打印铁基碳化硅陶瓷复合材料的微观形貌图；
图4中的(a)、(b)分别为本发明实施例1的循环式动态熔覆起点分布图和单层加工路径示意图；
图5是中的(a)、(b)分别为本发明实施例2的循环式动态熔覆起点分布图和单层加工路径示意图；
图6是本发明实施例3涉及的构件的加工示意图。
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。
请参阅图2及图3，本发明提供的铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件的激光增材制造方法，所述激光增材制造方法主要包括以下步骤：
步骤一，提供混合粉末，所述混合粉末的原料包括镍粉及碳化硅陶瓷粉末，还包括铁粉或者铁合金粉末。
具体地，选取铁粉或者铁合金粉末，并在选取的铁粉或者铁合金粉末中添加镍粉和碳化硅陶瓷粉末进行混合以得到混合均匀的混合粉末，并将所述混合粉末干燥以为同轴送粉激光增材制造备用。所述混合粉末中所述碳化硅陶瓷粉末所占的体积分数不超过10％，且所述碳化硅陶瓷粉末的粒径为20μm～50μm。
本实施方式中，所述混合粉末中铁和镍的质量比为：Fe:Ni＝(62～66):(34～38)，满足其沉积态满足低膨胀的特性，铁合金粉末的粒径优选为45μm～105μm，镍粉粒径为1μm～10μm；混合过程中，先将镍粉和碳化硅陶瓷粉末进行球磨混合，然后与铁合金粉末一起混合均匀。
球磨混合时的滚筒机的转速为350r/min～400r/min，混合时间优选为6h～9h；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℃，烘干时间优选为0.5h～3h；
步骤二，以所述混合粉末为原料进行同轴激光增材制造铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件，且同轴激光增材制造过程中，周期性改变单层增材起始点的位置，直至增材制造完成。
具体地，对于激光增材制造过程中增材方向出现的局部尺寸明显偏离现象，可以停止增材过程，待通过机械打磨至增材方向尺寸统一后，继续完成增材制造。
本实施方式中，同轴送粉激光増材制造采用的激光功率为600W～3000W，光斑直径为2mm～3mm，扫描速度为0.6m/min～2m/min，送粉速度为10g/min～40g/min。
通过周期性改变单层熔覆起始点的位置，以调节零件的温度场及单层收尾搭接处带来的零件尺寸波动，单层熔覆起始点的旋转角度可以根据零件具体结构而改变。
本实施方式中，激光熔覆的单层提升量为单层增材高度的80％～90％，且每提高一层，激光熔覆起始点的位置沿单一方向旋转90°，由于目标构件为回转体，所以激光熔覆的单层起始点在增材平面上呈周期性改变；当然在其他实施方式中，单层熔覆起始点的旋转角度根据零件具体结构而改变，可以为其他角度，如70°、60°。
本发明还提供了一种铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件，所述薄壁回转体构件是采用如上所述的铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件的激光制造方法制备而成的。
以下以几个具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
选用的铁合金粉末为304不锈钢粉末，打印回转体薄壁构件(直径0.8m，高1.8m，壁厚2mm)，构件截面如图4所示，本发明实施例1提供的铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件的激光增材制造方法具体包括以下步骤：
S1：配粉及混粉。
首先，选取一定量的304不锈钢粉末、纯镍粉和碳化硅陶瓷粉末。
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，镍粉的纯度达到99.9％；
接着，先将纯镍粉和碳化硅陶瓷粉末球磨混合，具体为：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，采用滚筒机转速为400r/min。
最后，将上述混合均匀的粉末和304不锈钢粉末进行混合，使用粉体混料机混合3h，罐体转速为20转/分钟，混料浆转速为60转/分钟。
优选地，在上述混合粉末中，碳化硅陶瓷的体积分数为8％，铁元素和镍元素的质量比为：Fe:Ni＝64:36。
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，干燥温度为170℃，干燥时间时间2h，采用氩气气氛保护。
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：激光功率为2300W，光斑直径为2.5mm，扫描速度为1.2m/min，送粉速度为20g/min，每层提升量为0.80mm，为单层增材高度的80％。
S4：循环式动态熔覆起点工艺设计。
如图4所示，根据回转体构件的结构特点，确定其起点旋转角度为90°，则四个起点的所在位置为a1、a2、a3和a4；若从a1点开始构件打印，按照既定路径和S3的工艺参数打印完一层；然后送粉头提高0.80mm，且移动至a2点，按照既定路径和S3的工艺参数打印完第二层；同样的，依此完成a3点的移动和第三层的打印以及a4点的移动和第四层的打印；这样就完成一个完整的加工循环，持续进行单层熔覆起点的循环移动和S3步骤，直至整体构件的打印完成。
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(直径0.6m，高1.2m，壁厚2.5mm)，构件截面如图5所示，本发明实施例3提供的激光增材制造方法具体包括以下步骤：
S1,选取一定量的316不锈钢粉末、纯镍粉和碳化硅陶瓷粉末。
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，镍粉的纯度达到99.9％；
先将纯镍粉和碳化硅陶瓷粉末球磨混合，具体为：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。
然后将上述混合均匀的粉末和316不锈钢粉末进行混合，使用粉体混料机混合3h，罐体转速为20转/分钟，混料浆转速为60转/分钟。在上述混合粉末中，碳化硅陶瓷的体积分数为6％，铁元素和镍元素的质量比为：Fe:Ni＝66:34。
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，烘干温度为170℃，烘干时间为2h，采用氩气气氛保护；
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：激光功率为2600W，光斑直径为3.0mm，扫描速度为1.2m/min，送粉速度为20g/min，每层提升量为0.80mm，为单层增材高度的80％。
S4：循环式动态熔覆起点工艺设计。
如图5所示，根据回转体构件的结构特点，确定其起点旋转角度为45°，则八个起点的所在位置依此为b1-b8；若从b1点开始构件打印，按照既定路径和S3的工艺参数打印完一层；然后送粉头提高0.80mm，且移动至b2点，按照既定路径和S3的工艺参数打印完第二层；同样的，依此完成b3-b8点的移动和第三层至第八层的打印，这样就完成一个完整的加工循环，持续进行单层熔覆起点的循环移动和S3步骤，直至整体构件的打印完成。
实施例3
本发明实施例3对于上述两种案例构件加工过程中出现的增材方向尺寸波动现象，如图6所示，其在单层打印结束后停止增材；用角磨机等打磨工具对局部区域进行打磨，使得该部分打磨加工后的高度与该层平均高度差在10％的单层高度的范围内；对于实施例1，即尺寸差在-0.1mm～0.1mm之间。
对于处理后的加工平面，在既定的起点处进行重新调整同轴送粉头在增材方向的高度，符合提升量满足单层增材高度的80％的位置要求。
在满足起始点位置调整要求后，按照实施例1的S4步骤要求继续增材，直至构件打印完成。
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 (8)

1.一种铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件的激光增材制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）提供混合粉末，所述混合粉末的原料包括镍粉及碳化硅陶瓷粉末，还包括铁粉或者铁合金粉末；
（2）以所述混合粉末为原料进行同轴激光增材制造铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件，且同轴激光增材制造过程中，周期性改变单层增材起始点的位置和加工路径，直至增材制造完成，通过周期性改变单层熔覆起始点的位置，以调节零件的温度场及单层收尾搭接处带来的零件尺寸波动；
所述混合粉末中所述碳化硅陶瓷粉末所占的体积分数小于等于10%；所述碳化硅陶瓷粉末的粒径为20μm～50μm。
2.如权利要求1所述的铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件的激光增材制造方法，其特征在于：所述混合粉末中铁和镍的质量比为：Fe:Ni=（62～66）:（34～38）。
3.如权利要求1所述的铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件的激光增材制造方法，其特征在于：铁合金粉末的粒径为45μm～105μm，镍粉的粒径为1μm～10μm。
4.如权利要求1-3任一项所述的铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件的激光增材制造方法，其特征在于：混合过程中，先将镍粉和碳化硅陶瓷粉末进行球磨混合，然后与铁合金粉末或者铁粉一起混合均匀。
5.如权利要求4所述的铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件的激光增材制造方法，其特征在于：球磨混合时的滚筒机的转速为350r/min～400r/min，混合时间为6h～9h；所述混合粉末干燥方法为烘干箱烘干，烘干温度为100℃～200℃，烘干时间为0.5h～3h。
6.如权利要求1-3任一项所述的铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件的激光增材制造方法，其特征在于：同轴送粉激光増材制造采用的激光功率为600W～3000W，光斑直径为2mm～3mm，扫描速度为0.6m/min～2m/min，送粉速度为10g/min～40g/min。
7.如权利要求1-3任一项所述的铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件的激光增材制造方法，其特征在于：激光熔覆的单层提升量为单层增材高度的80%~90%，且每提高一层，激光熔覆起始点的位置沿单一方向旋转预定角度。
8.一种铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件，其特征在于：所述薄壁回转体构件是采用权利要求1-7任一项所述的铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件的激光增材制造方法制备而成的。
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