CN111451490A - 一种金属型粉芯丝材及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于增材制造相关技术领域，其公开了一种金属型粉芯丝材及其制备方法与应用，所述金属型粉芯丝材包括钢带及复合粉芯，所述钢带包裹所述复合粉芯；所述复合粉芯的原料组成及质量百分比为：二氧化钛粉12.5％～25％、碳粉1.8％～3.6％、铝粉5.6％～11.2％、镁粉0.6％～2％、硅铁粉0.3％～2％、氟化钙粉0.1％～1％，其余为雾化合金钢粉；所述金属型粉芯丝材利用电弧自身的热量引发所述金属型粉芯丝材中的复合粉芯发生化学反应来合成所需的陶瓷颗粒。本发明利用电弧热引发其中反应物的化学反应而原位自生所需的陶瓷颗粒，以解决熔铸法制备陶瓷颗粒增强铁基复合材料中因外加陶瓷颗粒与钢液相容性差而导致的陶瓷颗粒聚集且界面污染等问题。
Description
技术领域
本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种金属型粉芯丝材及其制备方法与应用。
背景技术
钢铁材料是一种应用面广、使用量大的传统结构材料，在国民经济中占有重要地位。随着科技的发展和社会的进步，对钢铁材料的性能提出了更高的要求。因此，有必要进一步提升钢铁材料的综合性能，以满足现代工业的需求。
利用陶瓷颗粒的高熔点、高强度和高稳定性，将其加入到钢铁材料中，制备所述的陶瓷颗粒增强铁基复合材料，是提升钢铁材料综合性能的有效措施之一。在陶瓷颗粒增强金属基复合材料的组织结构中，陶瓷颗粒一般通过弥散强化机制来提升基体材料的性能。因此，复合材料的性能与增强颗粒的尺寸、形态、数量、分布及其与基体的界面结合状态等五大特征要素密切相关。一般地，陶瓷的尺寸越小、形态越圆整、数量越多、分布越均匀且与基体界面结合越好，则其增强效果越好，制备的复合材料性能越高。
但是在制备陶瓷颗粒增强铁基复合材料的现有工艺中，难以使陶瓷颗粒在基体中的上述五大特征要素同时达到理想状态，例如在液相熔铸法中，由于陶瓷颗粒与钢铁熔体相容性差，难以实现陶瓷颗粒在基体中的均匀弥散分布，且当加入的陶瓷颗粒体积百分含量大于20％时，混合熔体的流动性下降，难以铸造成形，等等。又如，在固相粉末冶金法中，钢铁粉末烧结致密化的烧结温度高、时间长、陶瓷颗粒容易长大，难以保证在基体中获得细小的增强粒子，且该工艺不适合制备大型复杂零件等等。相应地，本领域存在着发展一种工艺简单、成本低且能获得较理想复合组织结构的陶瓷颗粒增强铁基复合材料的金属型粉芯丝材及其制备方法的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属型粉芯丝材及其制备方法与应用，所述金属型粉芯丝材由钢带包裹复合粉芯并经拉拔获得，所述复合粉芯由机械活化的(mechanical activated)反应物粉末、综合助剂粉末和合金钢基体粉末组成，该粉芯丝材可用于电弧熔丝增材制造中，利用电弧热引发其中反应物的化学反应而原位自生所需的陶瓷颗粒，以解决熔铸法中因外加陶瓷颗粒与钢液相容性差而导致的陶瓷颗粒聚集且界面污染等问题；利用电弧熔丝小熔池熔炼与铸造的特点，抑制陶瓷颗粒的聚集与长大，以在基体中获得细小且分布均匀的陶瓷颗粒；利用丝材中综合助剂的作用来保证丝材使用过程中电弧稳定、飞溅小及所制备材料的高致密性；利用增材制造无需模具进行逐层沉积的特点，直接打印出所需的复合材料零件，以弥补传统粉末冶金法难以制备大型复杂零件的不足。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属型粉芯丝材，所述金属型粉芯丝材包括钢带及复合粉芯，所述钢带包裹所述复合粉芯；所述复合粉芯的原料组成及质量百分比为：二氧化钛粉12.5％～25％、碳粉1.8％～3.6％、铝粉5.6％～11.2％、镁粉0.6％～2％、硅铁粉0.3％～2％、氟化钙粉0.1％～1％，其余为雾化合金钢粉；
所述金属型粉芯丝材适用于电弧熔丝增材制造，电弧自身的热量引发所述金属型粉芯丝材中的复合粉芯发生化学反应来合成所需的陶瓷颗粒。
进一步地，所述钢带为宽为12mm、厚为1.5mm的冷轧钢带。
进一步地，所述金属型粉芯丝材的直径为1mm～2mm，所述复合粉芯的填充率为10％～40％。
按照本发明的另一个方面，提供了一种金属型粉芯丝材的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将二氧化钛粉、碳粉及铝粉按照化学反应式的化学计量数进行配比，并在真空环境中进行球磨混合以得到机械活化的反应物粉体，所述反应物粉体对应反应体系TiO2-C-Al；
(2)将镁粉、硅铁粉及氟化钙粉在真空环境中进行球磨混合以得到综合助剂粉体，镁粉占所述综合助剂粉体原料的质量百分比为40％～75％、硅铁粉占所述综合助剂粉体原料的质量百分比为20％～40％、氟化钙粉占所述综合助剂粉体原料的质量百分比为5％～20％；
(3)将合金钢基体粉末与所述综合助剂粉体及所述反应物粉体在真空环境中进行球磨混合以得到复合粉芯，综合助剂粉体占所述复合粉芯原料的质量百分比为1％～5％、反应物粉体占所述复合粉芯原料的质量百分比为20％～40％，余量为合金钢基体粉末；
(4)采用钢带包裹所述复合粉芯后进行反复拉拔成型，以得到所述金属型粉芯丝材。
进一步地，所述反应物粉体的原料中的二氧化钛粉、碳粉及铝粉的摩尔比为3:3:4。
进一步地，步骤(1)～步骤(3)中，采用的球磨时间为2h～10h，球料比为5:1～10:1，转速为200rpm～500rpm。
进一步地，步骤(1)～步骤(3)的球磨过程中还加入1wt％～10wt％的过程控制剂。
进一步地，所述过程控制剂为乙醇或硬脂酸。
本发明还提供了一种如上所述的金属型粉芯丝材在陶瓷颗粒增强铁基复合材料中的应用。
进一步地，所述陶瓷颗粒增强铁基复合材料是采用所述金属型粉芯丝材通过电弧熔丝增材制造得到的。
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，本发明提供的金属型粉芯丝材及其制备方法与应用主要具有以下有益效果：
1.本发明在丝材中设置了一种反应体系，在电弧熔丝过程中，充分利用了电弧自身的热量引发丝材中的化学反应，合成所需的陶瓷颗粒，具有节能且工艺简单的特点。
2.本发明对丝材中的反应物粉末进行了机械活化处理(mechanical activatingtreatment)，降低了反应激活能，增强了反应活性，保证了丝材在使用过程中可以顺利发生所需的化学反应。
3.本发明在丝材中设置了一种综合助剂，利用其助熔、除气、去渣等综合作用，使制备的丝材具有使用稳定、飞溅少的特点，同时保证制备的材料致密且夹杂少。
4.本发明可对丝材组分进行设计调整，制备出不同体积百分含量的陶瓷颗粒增强铁基复合材料，以满足不同服役性能的需要。
5.本发明所涉及的Al2O3和TiC陶瓷增强颗粒是在复合材料增材制造过程中原位(in situ)生成的，这种原位复合的陶瓷增强颗粒表面无污染，与基体相容性良好，界面结合强度较高。
6.本发明获得的丝材直径细小(≤2mm)，在电弧熔丝增材制造中，形成的熔池细小且冷却凝固快速，抑制了原位自生陶瓷颗粒的聚集与长大，保证了制备的复合材料中陶瓷颗粒尺寸细小且分布均匀。
7.本发明获得的丝材可用于电弧熔丝增材制造，特别适合直接制备大型复杂的铁基复合材料零件，能实现机械化和规模化生产。
附图说明
图1是本发明提供的金属型粉芯丝材的制备方法的流程示意图；
图2中的(a)图是本发明实施例2得到的金属型粉芯丝材通过电弧熔丝增材制造制备的陶瓷颗粒增强铁基复合材料的显微组织SEM图，图2中的(b)及(c)分别是对图2中的(a)图中的两种颗粒进行能谱分析的EDS图；
图3是本发明实施例3得到的金属型粉芯丝材通过电弧熔丝增材制造制备的陶瓷颗粒增强铁基复合材料显微组织的SEM图；
图4是本发明实施例4得到的金属型粉芯丝材通过电弧熔丝增材制造技术制备得到的陶瓷颗粒增强铁基复合材料的断口形貌SEM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。
本发明提供的金属型粉芯丝材包括钢带及复合粉芯，所述钢带包裹所述复合粉芯。所述复合粉芯的原料包括反应物粉末、综合助剂粉末及合金钢基体粉末。所述金属型粉芯丝材适用于电弧熔丝增材制造，电弧自身的热量引发所述金属型粉芯丝材中的复合粉芯发生化学反应来合成所需的陶瓷颗粒。
本实施方式中，所述复合粉芯的原料组成及质量百分比为：二氧化钛粉12.5％～25％、碳粉1.8％～3.6％、铝粉5.6％～11.2％、镁粉0.6％～2％、硅铁粉0.3％～2％、氟化钙粉0.1％～1％，其余为雾化合金钢粉。
所述钢带为宽为12mm、厚为1.5mm的冷轧钢带，所述金属型粉芯丝材的直径为1mm～2mm，所述复合粉芯的填充率为10％～40％。
请参阅图1，本发明还提供了一种金属型粉芯丝材的制备方法，所述制备方法主要包括以下步骤：
步骤一，将二氧化钛粉、碳粉及铝粉按照化学反应式的化学计量数进行配比，并在真空环境中进行球磨混合以得到机械活化的反应物粉体，所述反应物粉体对应反应体系TiO2-C-Al；
具体地，所述反应物粉体的原料中的二氧化钛粉、碳粉及铝粉的摩尔比为3:3:4；采用的球磨时间为2h～10h，球料比为5:1～10:1，转速为200rpm～500rpm；所述球磨混合过程中还需加入1wt％～10wt％的过程控制剂，所述过程控制剂为乙醇或硬脂酸。
步骤二，将镁粉、硅铁粉及氟化钙粉在真空环境中进行球磨混合以得到综合助剂粉体，镁粉占所述综合助剂粉体原料的质量百分比为40％～75％、硅铁粉占所述综合助剂粉体原料的质量百分比为20％～40％、氟化钙粉占所述综合助剂粉体原料的质量百分比为5％～20％。
具体地，此步骤采用的球磨时间为2h～10h，球料比为5:1～10:1，转速为200rpm～500rpm。所述球磨混合过程中还需加入1wt％～10wt％的过程控制剂，所述过程控制剂为乙醇或硬脂酸。
步骤三，将合金钢基体粉末与所述综合助剂粉体及所述反应物粉体在真空环境中进行球磨混合以得到复合粉芯，综合助剂粉体占所述复合粉芯原料的质量百分比为1％～5％、反应物粉体占所述复合粉芯原料的质量百分比为20％～40％，余量为合金钢基体粉末。
具体地，此步骤中采用的球磨时间为2h～10h，球料比为5:1～10:1，转速为200rpm～500rpm；所述球磨混合过程中还需加入1wt％～10wt％的过程控制剂，所述过程控制剂为乙醇或硬脂酸；所述得到的复合粉芯的原料组成及质量百分比为：二氧化钛粉12.5％～25％、碳粉1.8％～3.6％、铝粉5.6％～11.2％、镁粉0.6％～2％、硅铁粉0.3％～2％、氟化钙粉0.1％～1％，其余为雾化合金钢粉。
步骤四，采用钢带包裹所述复合粉芯后进行反复拉拔成型，以得到所述金属型粉芯丝材。
具体地，所述钢带为宽12mm、厚1.5mm的冷轧钢带，所述制备出的金属型粉芯丝材的直径为1mm～2mm，复合粉芯的填充率为10％～40％。
本实施方式得到的金属型粉芯丝材可用于电弧熔丝增材制造中，具有电弧稳定、飞溅小等特点，并实现原位Al2O3和TiC陶瓷颗粒增强铁基复合材料的直接增材制造。制备的复合材料中陶瓷颗粒具有原位复合的特点，其形态为准球形，直径小于400nm，体积百分比含量为5％～30％，且在基体中分布均匀，界面洁净。因此，利用本实施方式得到的金属型粉芯丝材，并通过电弧熔丝增材制造技术，可为工程机械、能源电力、石油化工等行业提供所需服役性能的陶瓷颗粒增强铁基复合材料。
本发明还提供了一种如上所述的金属型粉芯丝材在陶瓷颗粒增强铁基复合材料中的应用。所述陶瓷颗粒增强铁基复合材料是采用所述金属型粉芯丝材通过电弧熔丝增材制造得到的，其陶瓷颗粒是原位生成的。
以下以几个实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供的一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料的制备方法包括以下步骤：首先，将二氧化钛粉、碳粉和铝粉按照3：3：4的摩尔比进行配比，添加1wt％含量的硬脂酸作为过程控制剂，设置球料比为5:1，转速为200rpm，在真空环境下球磨混合2h，得到机械活化的反应物粉末。然后，在镁粉中，分别添加40wt％的硅铁粉和20wt％的氟化钙粉，在真空环境中进行球磨混合，其中硬脂酸含量为1wt％，球料比为5:1，转速为200rpm，球磨时间为2h，得到综合助剂粉末。之后，在合金钢基体粉末中，添加20wt％的反应物粉末和5wt％综合助剂粉末，并加入10wt％含量的硬脂酸作为过程控制剂，设置球料比为10:1，转速为500rpm，在真空环境下球磨混合10h，得到如下质量百分比组成的复合粉芯：二氧化钛粉12.5％、碳粉1.8％、铝粉5.6％、镁粉2％、硅铁粉2％、氟化钙粉1％，其余为雾化合金钢粉。接着，复合粉芯再通过钢带包裹成型，并经过拉丝机组减径得到直径为1mm的金属型粉芯丝材，其中复合粉芯的填充率为10％。最后，将得到的金属型粉芯丝材装入电弧熔丝设备，设定工作电压为20V，工作电流为220A，焊枪移动速度为8mm/s，在流量为15L/min的CO2气体保护下，在清洁后的钢板上进行单层单道和多层多道电弧熔丝堆积实验。
获得的粉芯丝材单层单道堆积试样的两侧齐整，表面未观察到气孔、夹渣、裂纹等缺陷；粉芯丝材多层多道堆积的试样经切割磨平后，内部也未观察到明显的气孔、夹渣、裂纹等缺陷。由此说明，该金属型粉芯丝材在使用过程中飞溅小，具有良好的电弧稳定性和成形质量。
实施例2
本发明实施例2提供的一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料的制备方法包括以下步骤：首先，将二氧化钛粉、碳粉和铝粉按照3：3：4的摩尔比进行配比，添加5wt％含量的硬脂酸作为过程控制剂，设置球料比为8:1，转速为300rpm，在真空环境下球磨混合5h，得到机械活化的反应物粉末。然后，在镁粉中，分别添加40wt％的硅铁粉和10wt％的氟化钙粉，在真空环境中进行球磨混合，其中硬脂酸含量为5wt％，球料比为8:1，转速为300rpm，球磨时间为5h，得到综合助剂粉末。之后，在合金钢基体粉末中，添加30wt％的反应物粉末和4wt％综合助剂粉末，并加入8wt％含量的硬脂酸作为过程控制剂，设置球料比为8:1，转速为400rpm，在真空环境下球磨混合8h，得到如下质量百分比组成的复合粉芯：二氧化钛粉18.8％、碳粉2.7％、铝粉8.4％、镁粉2％、硅铁粉1.6％、氟化钙粉0.4％，其余为雾化合金钢粉。之后，复合粉芯再通过钢带包裹成型，并经过拉丝机组减径得到直径为1.5mm的金属型粉芯丝材，其中复合粉芯的填充率为20％。最后，将得到的金属型粉芯丝材装入电弧熔丝设备，设定工作电压为20V，工作电流为200A，焊枪移动速度为8mm/s，在流量为15L/min的CO2气体保护下，在清洁后的钢板上进行单层单道和多层多道电弧熔丝堆积实验。
由图2可见，制备的复合材料显微组织中陶瓷增强颗粒形态为准球形，尺寸小于400nm，体积百分含量约10％，且在基体中独立均匀分布。其中，图2中的(c)图示表明黑色颗粒为TiC。
实施例3
本发明实施例3提供的一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料的制备方法包括以下步骤：首先，将二氧化钛粉、碳粉和铝粉按照3：3：4的摩尔比进行配比，添加8wt％含量的硬脂酸作为过程控制剂，设置球料比为8:1，转速为400rpm，在真空环境下球磨混合8h，得到机械活化的反应物粉末。然后，在镁粉中，分别添加25wt％的硅铁粉和15wt％的氟化钙粉，在真空环境中进行球磨混合，其中硬脂酸含量为8wt％，球料比为8:1，转速为400rpm，球磨时间为8h，得到综合助剂粉末。之后，在合金钢基体粉末中，添加35wt％的反应物粉末和1wt％综合助剂粉末，并加入5wt％含量的硬脂酸作为过程控制剂，设置球料比为5:1，转速为300rpm，在真空环境下球磨混合5h，得到如下质量百分比组成的复合粉芯：二氧化钛粉21.9％、碳粉3.2％、铝粉9.8％、镁粉0.6％、硅铁粉0.3％、氟化钙粉0.2％，其余为雾化合金钢粉。接着，复合粉芯再通过钢带包裹成型，并经过拉丝机组减径得到直径为1.5mm的金属型粉芯丝材，其中复合粉芯的填充率为30％。最后，将得到的金属型粉芯丝材装入电弧熔丝设备，设定工作电压为15V，工作电流为200A，焊枪移动速度为8mm/s，在流量为10L/min的CO2气体保护下，在清洁后的钢板上进行单层单道和多层多道电弧熔丝堆积实验。
图3是按照本发明实施例3制备得到的陶瓷颗粒增强铁基复合材料的显微组织SEM图。由图3可见，制备的复合材料显微组织中陶瓷增强颗粒形态为准球形，尺寸小于400nm，体积百分含量约20％，且在基体中分布较均匀，无明显的聚集现象。
实施例4
本发明实施例4提供的一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料的制备方法包括以下步骤：首先，将二氧化钛粉、碳粉和铝粉按照3：3：4的摩尔比进行配比，添加10wt％含量的硬脂酸作为过程控制剂，设置球料比为10:1，转速为500rpm，在真空环境下球磨混合10h，得到机械活化的反应物粉末。然后，在镁粉中，分别添加20wt％的硅铁粉和5wt％的氟化钙粉，在真空环境中进行球磨混合，其中硬脂酸含量为10wt％，球料比为10:1，转速为500rpm，球磨时间为10h，得到综合助剂粉末。之后，在合金钢基体粉末中，添加40wt％的反应物粉末和2wt％综合助剂粉末，并加入1wt％含量的硬脂酸作为过程控制剂，设置球料比为5:1，转速为200rpm，在真空环境下球磨混合2h，得到如下质量百分比组成的复合粉芯：二氧化钛粉25％、碳粉3.6％、铝粉11.2％、镁粉1.5％、硅铁粉0.4％、氟化钙粉0.1％，其余为雾化合金钢粉。接着，复合粉芯再通过钢带包裹成型，并经过拉丝机组减径得到直径为2mm的金属型粉芯丝材，其中复合粉芯的填充率为40％。最后，将得到的金属型粉芯丝材装入电弧熔丝设备，设定工作电压为15V，工作电流为150A，焊枪移动速度为8mm/s，在流量为10L/min的CO2气体保护下，在清洁后的钢板上进行单层单道和多层多道电弧熔丝堆积实验。
图4是按照本发明实施例4制备得到的陶瓷颗粒增强铁基复合材料的断口形貌SEM图。由图4可见，复合材料的断口形貌展现出较明显的韧窝特征，陶瓷颗粒均匀分布在韧窝中，其形态为准球形，尺寸小于400nm，体积百分含量约30％。
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 (10)
1.一种金属型粉芯丝材，其特征在于：
所述金属型粉芯丝材包括钢带及复合粉芯，所述钢带包裹所述复合粉芯；所述复合粉芯的原料组成及质量百分比为：二氧化钛粉12.5％～25％、碳粉1.8％～3.6％、铝粉5.6％～11.2％、镁粉0.6％～2％、硅铁粉0.3％～2％、氟化钙粉0.1％～1％，其余为雾化合金钢粉；
所述金属型粉芯丝材适用于电弧熔丝增材制造，电弧自身的热量引发所述金属型粉芯丝材中的复合粉芯发生化学反应来合成所需的陶瓷颗粒。
2.如权利要求1所述的金属型粉芯丝材，其特征在于：所述钢带为宽为12mm、厚为1.5mm的冷轧钢带。
3.如权利要求1所述的金属型粉芯丝材，其特征在于：所述金属型粉芯丝材的直径为1mm～2mm，所述复合粉芯的填充率为10％～40％。
4.一种权利要求1-3任一项所述的金属型粉芯丝材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将二氧化钛粉、碳粉及铝粉按照化学反应式的化学计量数进行配比，并在真空环境中进行球磨混合以得到机械活化的反应物粉体，所述反应物粉体对应反应体系TiO2-C-Al；
(2)将镁粉、硅铁粉及氟化钙粉在真空环境中进行球磨混合以得到综合助剂粉体，镁粉占所述综合助剂粉体原料的质量百分比为40％～75％、硅铁粉占所述综合助剂粉体原料的质量百分比为20％～40％、氟化钙粉占所述综合助剂粉体原料的质量百分比为5％～20％；
(3)将合金钢基体粉末与所述综合助剂粉体及所述反应物粉体在真空环境中进行球磨混合以得到复合粉芯，综合助剂粉体占所述复合粉芯原料的质量百分比为1％～5％、反应物粉体占所述复合粉芯原料的质量百分比为20％～40％，余量为合金钢基体粉末；
(4)采用钢带包裹所述复合粉芯后进行反复拉拔成型，以得到所述金属型粉芯丝材。
5.如权利要求4所述的金属型粉芯丝材的制备方法，其特征在于：所述反应物粉体的原料中的二氧化钛粉、碳粉及铝粉的摩尔比为3:3:4。
6.如权利要求4所述的金属型粉芯丝材的制备方法，其特征在于：步骤(1)～步骤(3)中，采用的球磨时间为2h～10h，球料比为5:1～10:1，转速为200rpm～500rpm。
7.如权利要求4所述的金属型粉芯丝材的制备方法，其特征在于：步骤(1)～步骤(3)的球磨过程中还加入1wt％～10wt％的过程控制剂。
8.如权利要求7所述的金属型粉芯丝材的制备方法，其特征在于：所述过程控制剂为乙醇或硬脂酸。
9.一种如权利要求1-5任一项所述的金属型粉芯丝材在陶瓷颗粒增强铁基复合材料中的应用。
10.如权利要求1所述的金属型粉芯丝材在陶瓷颗粒增强铁基复合材料中的应用，其特征在于：所述陶瓷颗粒增强铁基复合材料是采用所述金属型粉芯丝材通过电弧熔丝增材制造得到的，其陶瓷颗粒是原位生成的。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114107720A (zh) * | 2021-11-28 | 2022-03-01 | 国网山东省电力公司电力科学研究院 | 一种铝碳复合材料、制备方法及其应用 |
| CN116638089A (zh) * | 2023-07-27 | 2023-08-25 | 成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司 | 基于大颗粒球形金属粉末制备电弧增材制造用的丝材方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1476953A (zh) * | 2002-07-26 | 2004-02-25 | ��ʽ�������Ƹ��� | 用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝 |
| CN102251205A (zh) * | 2011-07-26 | 2011-11-23 | 北京工业大学 | 一种制备含CaF2自润滑相铁基涂层用粉芯丝材及涂层制备方法 |
| CN104988448A (zh) * | 2015-05-31 | 2015-10-21 | 中国人民解放军装甲兵工程学院 | 一种Al-Ti-C体系反应粉芯丝材的制备方法 |
| US20160189820A1 (en) * | 2014-12-26 | 2016-06-30 | Korea Institute Of Machinery & Materials | Ti-INCLUDED OXIDE DISPERSION STRENGTHENED COPPER ALLOY AND METHOD FOR MANUFACTURING DISPERSED COPPER |
| KR20160149735A (ko) * | 2015-06-19 | 2016-12-28 | 부경대학교 산학협력단 | 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법 |
| CN108531845A (zh) * | 2018-05-29 | 2018-09-14 | 苏州乔纳森新材料科技有限公司 | 一种制备输油管道涂层用的纳米复合粉芯丝材及其制备方法 |
| CN108971800A (zh) * | 2018-10-29 | 2018-12-11 | 山东大学 | 一种耐磨耐热堆焊用金属陶瓷焊条 |
| CN110560681A (zh) * | 2019-09-25 | 2019-12-13 | 华中科技大学 | 一种金属型粉芯丝材、制备方法及应用 |
| CN110788520A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-02-14 | 桂林航天工业学院 | 高合金钢耐磨药芯焊丝及其制备方法 |
-
2020
- 2020-05-25 CN CN202010449492.8A patent/CN111451490B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1476953A (zh) * | 2002-07-26 | 2004-02-25 | ��ʽ�������Ƹ��� | 用于气体保护电弧焊接的粉芯焊丝 |
| CN102251205A (zh) * | 2011-07-26 | 2011-11-23 | 北京工业大学 | 一种制备含CaF2自润滑相铁基涂层用粉芯丝材及涂层制备方法 |
| US20160189820A1 (en) * | 2014-12-26 | 2016-06-30 | Korea Institute Of Machinery & Materials | Ti-INCLUDED OXIDE DISPERSION STRENGTHENED COPPER ALLOY AND METHOD FOR MANUFACTURING DISPERSED COPPER |
| CN104988448A (zh) * | 2015-05-31 | 2015-10-21 | 中国人民解放军装甲兵工程学院 | 一种Al-Ti-C体系反应粉芯丝材的制备方法 |
| KR20160149735A (ko) * | 2015-06-19 | 2016-12-28 | 부경대학교 산학협력단 | 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법 |
| CN108531845A (zh) * | 2018-05-29 | 2018-09-14 | 苏州乔纳森新材料科技有限公司 | 一种制备输油管道涂层用的纳米复合粉芯丝材及其制备方法 |
| CN108971800A (zh) * | 2018-10-29 | 2018-12-11 | 山东大学 | 一种耐磨耐热堆焊用金属陶瓷焊条 |
| CN110560681A (zh) * | 2019-09-25 | 2019-12-13 | 华中科技大学 | 一种金属型粉芯丝材、制备方法及应用 |
| CN110788520A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-02-14 | 桂林航天工业学院 | 高合金钢耐磨药芯焊丝及其制备方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114107720A (zh) * | 2021-11-28 | 2022-03-01 | 国网山东省电力公司电力科学研究院 | 一种铝碳复合材料、制备方法及其应用 |
| CN116638089A (zh) * | 2023-07-27 | 2023-08-25 | 成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司 | 基于大颗粒球形金属粉末制备电弧增材制造用的丝材方法 |
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