CN111745153A - 一种3d打印制备车刀用合金粉末及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印制备车刀用合金粉末及其制备方法，制备所述3D打印制备车刀用合金粉末的原料按其质量百分数包括：锰0.5％～1.5％、铝12.3％～13.3％，镁3.6％～4.6％、钼2.2％～3.2％、铁10.5％～12.5％、碳0.10％～0.20％、镍0.3％～0.7％、钒0.02％～0.08％、锆0.45％～0.85％、余量为钛及不可避免的杂质。本发明制备的3D打印制备车刀用合金粉末，机械性能良好，具有较好的强度和硬度，抗拉强度和耐热性能优异，以及具有极好的耐磨性和抗腐蚀性能，制备的车刀品质优良，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印用材技术领域，具体涉及一种3D打印制备车刀用合金粉末及其制备方法。
背景技术
切削加工是机械制造业材料去除的主要手段，而切削车刀的品质高低直接影响了切削加工的效率及加工质量。在切削加工中，切削车刀作为去除材料的主要部位，有着十分重要的作用。为了适应多种环境和多种材质材料的切削，对切削车刀与其他构件紧密结合程度、车刀自身的硬度、耐磨性，抗压性、耐高温性能、强度等要求十分严格。
3D打印技术以数字模型文件为基础，将材料逐层堆积制造出实物，是一种增材制造技术。将3D打印技术应用于合金制品的成型，免去了传统制造业中开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等过程成型，达到传统制造上无法达成的设计，从而制作出更复杂的合金制品，保证更高质量的合金制品和较低的废品率。
而且，3D打印技术具有快速更新产品设计周期，节约生产成本，有利于定制化生产的特点，在多种技术领域应用广泛。目前，适用于3D打印的合金材料主要有铁基合金、镍基合金、铝合金、钛合金等。但是，合金材料制备加工比较困难，由此限制了合金材料在3D打印技术领域的发展和应用。
目前，用于3D打印的材料形态一般分为以下两种：一种球形粉末；一种是连续纤维丝。现有技术中，制备合金球形粉末时一般采用雾化法制备，这一技术已经取得一定的研究和发展，但是合金球形粉末的制备仍然存在制备成本高、杂质含量高的问题。
因此，提供一种低成本、高纯度的用于3D打印的合金材料，制成的切削车刀具有高硬度、高强度和较好的耐磨、耐热等性能，十分重要。
中国专利CN107142394B公开了一种精密加工车床车刀用合金及其制备方法，该精密加工车床车刀用合金由以下按照质量百分比的原料组成：Mo12～18％，Nb8.6～14.7％，Zr10～17％，Hf5.6～7.2％，Ta2.8～4.9％，Si0.1～0.5％，Fe0.9～2.1％，余量为Ti。配料后将原料放入马弗炉中熔炼，温度控制在1250℃精炼3h，得到熔融合金；随后进行雾化处理，利用氩气做喷射介质来击碎熔融合金，并在冷却介质中凝固成合金粉末；再通过超高液压胀管机对合金粉末压制成型，压力参数为100～200MPa；最后在压制好的合金内加入粘结剂，放入马弗炉中烧结，温度为1000～1200℃，烧结时间为2～4h。
中国专利CN106238724B公开了一种3D打印合金材料及其制备方法与3D成型方法，原料：Cr、Al、Ti、W、Si、Mo、Mn、其余为Fe；制备方法：将原料单质熔融，得到熔体；流转到汽化炉中，使熔体充分汽化形成气相产物，高速冷却后形成均匀细小的合金粉末；经正火退温即得；3D成型方法：将制得的3D打印合金材料粉体装填于料斗中，逐层稳定熔化形成液相熔体，控制打印速度，进行逐层3D打印，形成造型初品；将造型初品升温至300℃～350℃并保温，去除残存的热应力，自然冷却至室温，即得最终成品。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种3D打印制备车刀用合金粉末及其制备方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种3D打印制备车刀用合金粉末，制备3D打印制备车刀用合金粉末的原料按其质量百分数包括：锰0.5％～1.5％、铝12.3％～13.3％，镁3.6％～4.6％、钼2.2％～3.2％、铁10.5％～12.5％、碳0.10％～0.20％、镍0.3％～0.7％、钒0.02％～0.08％、锆0.45％～0.85％、余量为钛及不可避免的杂质。
进一步的，制备3D打印制备车刀用合金粉末的原料按其质量百分数包括：锰0.7％～1.3％、铝12.6％～13.0％，镁3.9％～4.3％、钼2.4％～3.0％、铁11.0％～12.0％、碳0.12％～0.18％、镍0.4％～0.6％、钒0.04％～0.06％、锆0.55％～0.75％、余量为钛及不可避免的杂质。
更进一步的，制备3D打印制备车刀用合金粉末的原料按其质量百分数还包括：铌0.04％～0.12％、锡0.56％～0.96％。
再进一步的，制备3D打印制备车刀用合金粉末的原料按其质量百分数为：铌0.08％、锡0.76％、锰1.0％、铝12.8％，镁4.1％、钼2.7％、铁11.5％、碳0.15％、镍0.5％、钒0.05％、锆0.65％、余量为钛及不可避免的杂质。
本发明3D打印制备车刀用合金粉末中，添加铌可以细化晶粒，提高合金粉末的抗腐蚀性能；添加的锰能把合金粉末中的氧化物还原，改善合金粉末的品质，提高3D打印成型率，改善合金粉末的热加工性能；锰还可以提高合金粉末的强度和硬度；添加铝具有细化晶粒，改善合金粉末品质和韧性的作用；添加钒可以增强合金粉末的淬透性和碳化物，提高合金粉末的耐高温强度和硬度，并且可以细化晶粒，稳定合金粉末结构，增强耐磨性；添加锆和锡，具有固溶强化的作用，可以提高合金粉末的耐热性能和抗拉强度，增强合金粉末的耐磨性和耐腐蚀性能，提高3D打印成型性。
本发明的另一发明目的在于提供一种3D打印制备车刀用合金粉末的制备方法，包括如下步骤：
步骤A、所述质量百分数的锰、铝，镁、钼、铁、碳、镍以及钛在真空熔炼炉中混合熔炼，得到熔体Ⅰ，然后加入所述质量百分数的铌、锡、钒、锆，熔炼30分钟～60分钟，得到熔体Ⅱ；分步熔炼合金使熔体自身在熔炼过程中具有一定的精炼效果，降低杂质含量，保证熔体的纯度；
步骤B、步骤A中得到的熔体Ⅱ利用氦气作喷射介质，击碎熔体Ⅱ，并快速冷却成型得到合金粉末；
步骤C、步骤B中得到的合金粉末以5℃/min～10℃/min的速率升温至温度为650℃～750℃，之后在温度为650℃～750℃的条件下保温2h～4h，然后以2.5℃/min～5℃/min的速率升温至温度为780℃～900℃，再在温度为780℃～900℃的条件下保温1h～2h，最后随炉冷却至室温，得到3D打印制备车刀用合金粉末。
进一步的，步骤A中，混合熔炼时，真空熔炼炉的升温过程为：熔炼炉首先以15℃/分钟～20℃/分钟的速率升温至980℃～1080℃，然后以10℃/分钟～12℃/分钟的速率升温至1620℃～1680℃，并在温度为1620℃～1680℃的条件下保温熔炼3小时～6小时。
进一步的，步骤B中，击碎过程分两步进行，其中，第一步中氦气的喷射压力25MPa～45MPa，第二步中氦气的喷射压力65MPa～75MPa。
进一步的，步骤B中，快速冷却的速率为180℃/min～260℃/min。
本发明的优点是：
(1)本发明制备的3D打印制备车刀用合金粉末，机械性能良好，具有较好的强度和硬度，抗拉强度和耐热性能优异，以及具有极好的耐磨性和抗腐蚀性能，制备的车刀品质优良，使用寿命长；
(2)本发明3D打印制备车刀用合金粉末的制备过程中，分步熔炼，不需要加入精炼剂，具有精炼效果，可以保证各部分原料的分散性，减少杂质，熔体纯度较好，得到的3D打印制备车刀用合金粉末杂质少、性能好，用途广；
(3)本发明制备的3D打印制备车刀用合金粉末，原料成本较低，制备工艺简单，工艺能耗低，易于操作。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
一种3D打印制备车刀用合金粉末
制备3D打印制备车刀用合金粉末的原料按其质量百分数包括：铌0.04％、锡0.56％、锰0.5％、铝12.3％，镁3.6％、钼2.2％、铁10.5％、碳0.10％、镍0.3％、钒0.02％、锆0.45％、余量为钛及不可避免的杂质。
通过以下方法制备：
步骤A、所述质量百分数的锰、铝，镁、钼、铁、碳、镍以及钛在真空熔炼炉中混合熔炼，得到熔体Ⅰ，然后加入所述质量百分数的铌、锡、钒、锆，熔炼30分钟，得到熔体Ⅱ；
上述，混合熔炼时，真空熔炼炉的升温过程为：熔炼炉首先以15℃/分钟的速率升温至980℃，然后以10℃/分钟的速率升温至1620℃，并在温度为1620℃的条件下保温熔炼6小时。
步骤B、步骤A中得到的熔体Ⅱ利用氦气作喷射介质，击碎熔体Ⅱ，并以速率为180℃/min的速率快速冷却成型得到合金粉末；
上述，击碎过程分两步进行，其中，第一步中氦气的喷射压力25MPa，第二步中氦气的喷射压力65MPa。
步骤C、步骤B中得到的合金粉末以5℃/min的速率升温至温度为650℃，之后在温度为650℃的条件下保温2h，然后以2.5℃/min的速率升温至温度为780℃，再在温度为780℃的条件下保温1h，最后随炉冷却至室温，得到3D打印制备车刀用合金粉末。
实施例2
一种3D打印制备车刀用合金粉末
制备3D打印制备车刀用合金粉末的原料按其质量百分数包括：铌0.12％、锡0.96％、锰1.5％、铝13.3％，镁4.6％、钼3.2％、铁12.5％、碳0.20％、镍0.7％、钒0.08％、锆0.85％、余量为钛及不可避免的杂质。
通过以下方法制备：
步骤A、所述质量百分数的锰、铝，镁、钼、铁、碳、镍以及钛在真空熔炼炉中混合熔炼，得到熔体Ⅰ，然后加入所述质量百分数的铌、锡、钒、锆，熔炼60分钟，得到熔体Ⅱ；
上述，混合熔炼时，真空熔炼炉的升温过程为：熔炼炉首先以20℃/分钟的速率升温至1080℃，然后以12℃/分钟的速率升温至1680℃，并在温度为1680℃的条件下保温熔炼3小时。
步骤B、步骤A中得到的熔体Ⅱ利用氦气作喷射介质，击碎熔体Ⅱ，并以速率为260℃/min的速率快速冷却成型得到合金粉末；
上述，击碎过程分两步进行，其中，第一步中氦气的喷射压力45MPa，第二步中氦气的喷射压力75MPa。
步骤C、步骤B中得到的合金粉末以10℃/min的速率升温至温度为750℃，之后在温度为750℃的条件下保温4h，然后以5℃/min的速率升温至温度为900℃，再在温度为900℃的条件下保温2h，最后随炉冷却至室温，得到3D打印制备车刀用合金粉末。
实施例3
一种3D打印制备车刀用合金粉末
制备3D打印制备车刀用合金粉末的原料按其质量百分数包括：铌0.06％、锡0.66％、锰0.7％、铝12.6％，镁3.9％、钼2.4％、铁11.0％、碳0.12％、镍0.4％、钒0.04％、锆0.55％、余量为钛及不可避免的杂质。
通过以下方法制备：
步骤A、所述质量百分数的锰、铝，镁、钼、铁、碳、镍以及钛在真空熔炼炉中混合熔炼，得到熔体Ⅰ，然后加入所述质量百分数的铌、锡、钒、锆，熔炼40分钟，得到熔体Ⅱ；
上述，混合熔炼时，真空熔炼炉的升温过程为：熔炼炉首先以16℃/分钟的速率升温至990℃，然后以12℃/分钟的速率升温至1640℃，并在温度为1640℃的条件下保温熔炼4小时。
步骤B、步骤A中得到的熔体Ⅱ利用氦气作喷射介质，击碎熔体Ⅱ，并以速率为200℃/min的速率快速冷却成型得到合金粉末；
上述，击碎过程分两步进行，其中，第一步中氦气的喷射压力30MPa，第二步中氦气的喷射压力75MPa，。
步骤C、步骤B中得到的合金粉末以6℃/min的速率升温至温度为680℃，之后在温度为680℃的条件下保温4h，然后以3℃/min的速率升温至温度为800℃，再在温度为800℃的条件下保温2h，最后随炉冷却至室温，得到3D打印制备车刀用合金粉末。
实施例4
一种3D打印制备车刀用合金粉末
制备3D打印制备车刀用合金粉末的原料按其质量百分数包括：铌0.10％、锡0.86％、锰1.3％、铝13.0％，镁4.3％、钼3.0％、铁12.0％、碳0.18％、镍0.6％、钒0.06％、锆0.75％、余量为钛及不可避免的杂质。
通过以下方法制备：
步骤A、所述质量百分数的锰、铝，镁、钼、铁、碳、镍以及钛在真空熔炼炉中混合熔炼，得到熔体Ⅰ，然后加入所述质量百分数的铌、锡、钒、锆，熔炼50分钟，得到熔体Ⅱ；
上述，混合熔炼时，真空熔炼炉的升温过程为：熔炼炉首先以19℃/分钟的速率升温至1060℃，然后以10℃/分钟的速率升温至1660℃，并在温度为1660℃的条件下保温熔炼5小时。
步骤B、步骤A中得到的熔体Ⅱ利用氦气作喷射介质，击碎熔体Ⅱ，并以速率为240℃/min的速率快速冷却成型得到合金粉末；
上述，击碎过程分两步进行，其中，第一步中氦气的喷射压力40MPa，第二步中氦气的喷射压力65MPa。
步骤C、步骤B中得到的合金粉末以8℃/min的速率升温至温度为730℃，之后在温度为730℃的条件下保温2h，然后以4℃/min的速率升温至温度为880℃，再在温度为880℃的条件下保温1h，最后随炉冷却至室温，得到3D打印制备车刀用合金粉末。
实施例5
一种3D打印制备车刀用合金粉末
制备3D打印制备车刀用合金粉末的原料按其质量百分数为：铌0.08％、锡0.76％、锰1.0％、铝12.8％，镁4.1％、钼2.7％、铁11.5％、碳0.15％、镍0.5％、钒0.05％、锆0.65％、余量为钛及不可避免的杂质。
通过以下方法制备：
步骤A、所述质量百分数的锰、铝，镁、钼、铁、碳、镍以及钛在真空熔炼炉中混合熔炼，得到熔体Ⅰ，然后加入所述质量百分数的铌、锡、钒、锆，熔炼45分钟，得到熔体Ⅱ；
上述，混合熔炼时，真空熔炼炉的升温过程为：熔炼炉首先以18℃/分钟的速率升温至1030℃，然后以11℃/分钟的速率升温至1650℃，并在温度为1650℃的条件下保温熔炼4小时。
步骤B、步骤A中得到的熔体Ⅱ利用氦气作喷射介质，击碎熔体Ⅱ，并以速率为220℃/min的速率快速冷却成型得到合金粉末；
上述，击碎过程分两步进行，其中，第一步中氦气的喷射压力35MPa，第二步中氦气的喷射压力70MPa。
步骤C、步骤B中得到的合金粉末以7℃/min的速率升温至温度为700℃，之后在温度为700℃的条件下保温3h，然后以3.5℃/min的速率升温至温度为840℃，再在温度为840℃的条件下保温2h，最后随炉冷却至室温，得到3D打印制备车刀用合金粉末。
实验例
为了进一步说明本发明的技术进步性，现采用实验进一步说明。
实验材料：本发明实施例1～5所制备的3D打印制备车刀用合金粉末以及利用3D打印技术制成的车刀。
实验方法：同等情况下比较实施例1～5所制备的3D打印制备车刀用合金粉末的性能以及利用3D打印技术制成的车刀的主要性能，结果统计见下表1和表2：
表1.实施例1～5所制备的3D打印制备车刀用合金粉末测试结果
表2实施例1～5所制备的3D打印制备车刀用合金粉末利用3D打印技术制成的车刀测试结果
上述表1和表2结果说明，本发明制备的3D打印制备车刀用合金粉末的性能优异，并且利用3D打印技术制备的车刀的硬度高，耐磨性好，抗拉强度、延伸率和抗拉强度优异，可以在适应多种环境，应用领域广泛而且使用寿命长。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种3D打印制备车刀用合金粉末，其特征在于，制备所述3D打印制备车刀用合金粉末的原料按其质量百分数包括：锰0.5％～1.5％、铝12.3％～13.3％，镁3.6％～4.6％、钼2.2％～3.2％、铁10.5％～12.5％、碳0.10％～0.20％、镍0.3％～0.7％、钒0.02％～0.08％、锆0.45％～0.85％、余量为钛及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的3D打印制备车刀用合金粉末，其特征在于，制备所述3D打印制备车刀用合金粉末的原料按其质量百分数包括：锰0.7％～1.3％、铝12.6％～13.0％，镁3.9％～4.3％、钼2.4％～3.0％、铁11.0％～12.0％、碳0.12％～0.18％、镍0.4％～0.6％、钒0.04％～0.06％、锆0.55％～0.75％、余量为钛及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的3D打印制备车刀用合金粉末，其特征在于，制备所述3D打印制备车刀用合金粉末的原料按其质量百分数还包括：铌0.04％～0.12％、锡0.56％～0.96％。
4.根据权利要求1所述的3D打印制备车刀用合金粉末，其特征在于，制备所述3D打印制备车刀用合金粉末的原料按其质量百分数为：铌0.08％、锡0.76％、锰1.0％、铝12.8％，镁4.1％、钼2.7％、铁11.5％、碳0.15％、镍0.5％、钒0.05％、锆0.65％、余量为钛及不可避免的杂质。
5.一种根据权利要求1～4中任一项所述的3D打印制备车刀用合金粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、所述质量百分数的锰、铝，镁、钼、铁、碳、镍以及钛在真空熔炼炉中混合熔炼，得到熔体Ⅰ，然后加入所述质量百分数的铌、锡、钒、锆，熔炼30分钟～60分钟，得到熔体Ⅱ；
步骤B、步骤A中得到的熔体Ⅱ利用氦气作喷射介质，击碎熔体Ⅱ，并快速冷却成型得到合金粉末；
步骤C、步骤B中得到的合金粉末以5℃/min～10℃/min的速率升温至温度为650℃～750℃，之后在温度为650℃～750℃的条件下保温2h～4h，然后以2.5℃/min～5℃/min的速率升温至温度为780℃～900℃，再在温度为780℃～900℃的条件下保温1h～2h，最后随炉冷却至室温，得到3D打印制备车刀用合金粉末。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述混合熔炼时，真空熔炼炉的升温过程为：熔炼炉首先以15℃/分钟～20℃/分钟的速率升温至980℃～1080℃，然后以10℃/分钟～12℃/分钟的速率升温至1620℃～1680℃，并在温度为1620℃～1680℃的条件下保温熔炼3小时～6小时。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤B中，所述击碎过程分两步进行，其中，第一步中氦气的喷射压力25MPa～45MPa，第二步中氦气的喷射压力65MPa～75MPa。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤B中，所述快速冷却的速率为180℃/min～260℃/min。
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