CN111843110B - 一种钼基结构件的电弧增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钼基结构件的电弧增材制造方法，属于钼基结构件的制备技术领域。本发明提供的制造方法包括如下步骤：构建目标结构件的三维实体模型，然后经切片处理，生成加工程序，并导入控制系统；以钼基丝材为原料，采用重熔法按照所述加工程序在基板上进行电弧增材制造，得到钼基结构件；所述重熔法为逐点重熔、逐层重熔或逐段重熔。本发明提供的方法通过重熔法，可将熔池内的气体溢出，减少了气孔缺陷，能够得到致密度较高的高质量钼基结构件。

Description

一种钼基结构件的电弧增材制造方法

技术领域

本发明涉及钼基结构件的制备技术领域，尤其涉及一种钼基结构件的电弧增材制造方法。

背景技术

对于难熔金属材料的制备技术，目前主要有3类方法。第一类为粉末冶金烧结技术，该技术是制备难熔金属及其合金锭坯的主要方法，该方法采用金属粉末为原材料，利用氢气、电能等能源将难熔金属粉末在真空室内熔融，在外加压制压力作用下制成金属锭坯。第二类为现代烧结技术，如微波烧结、放电等离子烧结、选择性激光烧结，其中微波烧结采用微波发生器代替传统热源将金属粉末烧结成锭坯，该技术中热量不是通过介质传递到材料表面再向内部扩散，而是将材料吸收的微波能转化成材料内部分子的动能和势能，使材料内部每一个分子和原子都成为热源；放电等离子烧结是将金属粉末放置于模具内，将直流脉冲电流和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术；选择性激光烧结技术又称激光选区熔化技术，是利用激光有选择地自下而上逐层烧结固体粉末，叠加生成预先设计三维图形的一种快速成形制造方法。第三类为高纯材料制备，如电子束熔炼和等离子弧熔炼，利用电子束或者等离子束等高能束流对材料进行熔化、提纯，获得高纯材料。

上述制备方法除选择性激光烧结技术外，均存在难以制备形状复杂的结构件，且制备成本高、周期长的问题。选择性激光烧结技术虽然能够制备形状复杂的零件，但由于该技术采用铺粉-烧结-再铺粉-再烧结逐层堆叠的方式，单层厚度只有数十至数百微米，成形极其缓慢，不适宜制备大型结构件。新兴的电弧增材制造技术具有成型精度高、可制备大型结构件的优势，但是由于难熔金属材料尤其是钼合金具有熔点高的特点，需要大量的热输入，且对于钼基材料来说，热导率较大，不易热积累，热输入量大的同时，易形成气孔缺陷，进一步限制了电弧增材制造技术在钼基结构件制备中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钼基结构件的电弧增材制造方法，本发明所提供的电弧增材制造方法可得到气孔缺陷少的钼基结构件，使电弧增材制造技术可在钼基结构件制备中的应用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种钼基结构件的电弧增材制造方法，包括如下步骤：

构建目标结构件的三维实体模型，然后经切片处理，生成加工程序，并导入控制系统；

以钼基丝材为原料，采用重熔法按照所述加工程序在基板上进行电弧增材制造，得到钼基结构件；所述重熔法为逐点重熔、逐层重熔或逐段重熔。

优选地，所述重熔法具体为得到一个熔池或一层沉积层或一段沉积段后，停止送丝，对所述熔池或沉积层或沉积段进行循环电弧加热，以重熔所述熔池或沉积层或沉积段；完成重熔后，开始送丝，继续制备下一个熔池或沉积层或沉积段，然后重复上述步骤，直至得到钼基结构件；所述循环电弧加热的参数与所述电弧增材制造的参数相同。

优选地，所述循环电弧加热的次数为2次以上。

优选地，所述电弧增材制造过程中，对所述钼基丝材进行辅助加热，所述辅助加热的方式为将钼基丝材与热丝电源的正极连接，将热丝电源的负极与基板或工作台连接，热丝电源保持通电状态。

优选地，当所述钼基结构件为管材时，所述电弧增材制造的参数包括：电弧脉冲的频率为1～1.5Hz，峰值电流为320～380A，基值电流为70～120A，占空比为35～50％；所述热丝电源的热丝电流为100～160A；电弧长度为5～7mm。

优选地，所述钼基丝材的直径为1.1～1.3mm；送丝速度为0.8～1.2m/min；扫描速度为100～120mm/min，层高为1.6～1.8mm；所述钼基丝材与热丝电源的正极的连接点和钼基丝材的熔化端的距离为10～15cm。

优选地，当所述钼基结构件为棒材时，所述电弧增材制造的参数包括：电弧脉冲的频率为0.1～0.2Hz，峰值电流为280～300A，基值电流为15～80A，占空比为5～10％；电弧长度为5～7mm。

优选地，所述钼基丝材的直径为1.1～1.3mm；送丝速度为10～25cm/min；扫描速度为100～120mm/min，层高为0.3～0.8mm。

优选地，所述电弧增材制造前，向所述电弧增材制造的腔室通入保护气40～50min，保护气的流量为45～55L/min。

本发明采用重熔法进行电弧增材制造，每个熔池会经历若干次重熔，即若干次熔化-凝固过程，从而使得熔池内部气体向熔池表面溢出，减少了冷却凝固后气孔缺陷的产生，提高钼基结构件的致密度，实现了高质量钼基结构件的制备。

附图说明

图1为本发明实施例中进行钼基结构件的电弧增材制造的示意图；

图2为实施例1所得钼管材的实物图(a)、横截面图(b)和纵截面图(c)；

图3为实施例2所得钼管材的实物图(a)和横截面图(b)；

图4为实施例3所得钼管材的实物图(a)和横截面图(b)；

图5为实施例4所得钼棒材的实物图；

图6为实施例4所得钼棒材的横截面金相图；

图7为对比例1所得钼棒材的实物图；

图8为对比例1所得钼棒材的横截面金相图。

具体实施方式

本发明提供了一种钼基结构件的电弧增材制造方法，包括如下步骤：

构建目标结构件的三维实体模型，然后经切片处理，生成加工程序，并导入控制系统；

以钼基丝材为原料，采用重熔法按照所述加工程序在基板上进行电弧增材制造，得到钼基结构件；所述重熔法为逐点重熔、逐层重熔或逐段重熔。

本发明首先构建目标结构件的三维实体模型，然后经切片处理，生成加工程序，并导入控制系统。本发明对所述三维实体模型的构建、切片处理和生成加工程序的具体步骤没有特殊限定，本领域技术人员可以根据需要生成不同结构件的加工程序。在本发明实施例中，优选采用软件完成三维实体模型的构建、切片处理和生成加工程序的步骤，所述三维实体模型的构建所用软件优选为solidworks或UG；所述切片处理和生成加工程序所用软件优选为激光3D打印数据处理软件；得到加工程序后，本发明将所述加工程序导入控制系统中，以便于后续步骤按照该加工程序进行电弧增材制造。

本发明对所述加工程序中的路径没有特殊限定，能够得到最终产品即可。在本发明实施例中，当所述钼基结构件为管材时，所述路径优选为沿着所述管材的长度方向切片，每层切片为一个圆环，沿着所述圆环进行逐层电弧增材制造；当所述钼基结构件为棒材时，所述路径优选为沿着棒材长度方向切片，每层切片为一个薄圆柱片，单个熔滴在重力和表面张力的作用下形成一个薄圆柱层，熔滴沿棒材长度方向逐层累积，即可完成棒材增材制造，所述棒材的直径优选为8～10mm，更优选为10mm。

将加工程序导入控制系统后，本发明以钼基丝材为原料，采用重熔法按照所述加工程序在基板上进行电弧增材制造，得到钼基结构件；所述重熔法为逐点重熔、逐层重熔或逐段重熔。

在本发明中，所述电弧增材制造前，本发明优选向所述电弧增材制造的腔室通入保护气40～50min，保护气的流量为45～55L/min，所述保护气为氩气，所述氩气的纯度为99.99％。在本发明中，通入电弧增材制造的腔室通入保护气40～50min，可防止加工过程中钼合金高温下被氧化。

在本发明中，通入保护气40～50min后，优选对所述基板进行预热，再进行电弧增材制造；所述预热的范围为所述钼基结构件与基板接触的地方，所述预热的参数优选与电弧增材制造的参数相同，所述预热的程度以在需预热的地方循环扫描5～10次为准。

在本发明中，所述重熔法具体优选为得到一个熔池或一层沉积层或一段沉积段后，停止送丝，对所述熔池或沉积层或沉积段进行循环电弧加热，以重熔所述熔池或沉积层或沉积段；完成重熔后，开始送丝，继续制备下一个熔池或沉积层或沉积段，然后重复上述步骤，直至得到钼基结构件；所述循环电弧加热的参数与所述电弧增材制造的参数相同。当所述重熔法为对一个熔池进行循环电弧加热时，所述重熔法记为逐点重熔；当上述重熔法为对一个沉积层进行循环电弧加热时，所述重熔法即为逐层重熔；当上述重熔法为对一个沉积段进行循环电弧加热时，所述重熔法即为逐段重熔；当所述重熔法为逐层重熔或逐段重熔时，本发明对每次循环电弧加热的起点没有特殊限定，可以为电弧增材制造沉积层或沉积段的终点或起点，在本发明实施例中，每次循环电弧加热的起点优选为电弧增材制造沉积层或沉积段的起点。

在本发明中，所述循环电弧加热的次数优选为2次以上，更优选为5次以上，最优选为10次以上。

在本发明中，所述电弧增材制造过程中，优选对所述钼基丝材进行辅助加热，所述辅助加热的方式优选为将钼基丝材与热丝电源的正极连接，将热丝电源的负极与基板或工作台连接，热丝电源保持通电状态。本发明对所述热丝电源与钼基丝材的连接方式没有特殊限定，采用常规的连接方式即可，在本发明实施例中，所述热丝电源与钼基丝材优选通过在钼基丝材上设置铜导电滑块，将铜导电滑块通过导线与热丝电源的正极连接。在本发明中，所述热丝电源优选选择交流电，可防止电流周围磁场对电弧稳定性产生影响。在本发明中，所述辅助加热可在钼基丝材熔化前对其进行预热，有助于降低焊枪的热输出，减小钼基丝材与熔体之间的温度梯度，有利于进一步提高钼基结构件的力学性能。

本发明对所述钼基丝材的种类没有特殊限定，在本发明实施例中，所述钼基丝材优选为工业纯钼，更优选为工业纯钼Mo1。

在本发明中，当所述钼基结构件为管材时，所述电弧增材制造的参数优选包括：电弧脉冲的频率为1～1.5Hz，峰值电流为320～380A，基值电流为70～120A，占空比为35～50％；所述热丝电源的热丝电流为100～160A，热丝电流的频率为200Hz；电弧长度为5～7mm。本发明对所述钼基丝材的直径和送丝速度、扫描速度、钼基丝材与热丝电源的正极的连接点和钼基丝材的熔化端的距离没有特殊限定，能够将钼基丝材熔化即可，在本发明实施例中，所述钼基丝材的直径优选为1.1～1.3mm，更优选为1.2mm；送丝速度优选为0.8～1.2m/min；扫描速度(即焊机或机床的移动速度)优选为100～120mm/min；层高优选为1.6～1.8mm；钼基丝材与基板的角度优选为45°，钼基丝材末端与基板的距离优选为2～3mm；所述钼基丝材与热丝电源的正极的连接点和钼基丝材的熔化端的距离优选为10～15cm，更优选为10cm。

在本发明中，当所述钼基结构件为棒材时，优选不对钼基丝材进行辅助加热，所述电弧增材制造的参数优选包括：电弧脉冲的频率为0.1～0.2Hz，峰值电流为280～300A，基值电流为15～80A，占空比为5～10％；电弧长度为5～7mm。本发明对所述钼基丝材的直径和送丝速度、扫描速度没有特殊限定，能够将钼基丝材熔化即可，在本发明实施例中，所述钼基丝材的直径优选为1.1～1.3mm，更优选为1.2mm；送丝速度优选为10～25cm/min；扫描速度(即焊机或机床的移动速度)优选为100～120mm/min；层高优选为0.3～0.8mm；钼基丝材与基板的角度优选为45°，钼基丝材末端与基板的距离优选为2～3mm。

在本发明中，所述电弧增材制造所用焊机优选为脉冲钨极氩弧焊，所用保护气优选为氩气，所述氩气的纯度为99.99％，所述焊机的钨极保护气的流量优选为18～22L/min，保护气氛围的保护气流量优选为45～55L/min；所述电弧脉冲优选为直流脉冲。

在本发明中，所述基板的材质优选为钼合金或钨合金。

在本发明中，完成电弧增材制造后，在保护气氛围中自然冷却50～70min，然后将所得钼基结构件从基板上取下。

本发明对所述钼基结构件电弧增材制造所用设备没有特殊限定，能够实现上述制备过程的条件即可，在本发明中，钼基结构件的电弧增材制造方法所用设备，在现有的电弧增材设备的基础上，增加了热丝电源，在需要的时候用于对钼基丝材进行预热，结构简单，且易于操控，适合工业化应用。在本发明实施例中，所述钼基结构件电弧增材制造所用设备优选包括脉冲钨极氩弧焊机、送丝系统、热丝电源、数控机床、氩气保护设备和控制系统；所述脉冲钨极氩弧焊机的焊枪垂直固定在所述数控机床上；所述脉冲钨极氩弧焊机的负极与所述数控机床的工作台连接，正极与所述焊枪连接；所述氩气保护系统用于提供氩气保护氛围以及为脉冲钨极氩弧焊机的焊枪提供保护气；所述热丝电源的正极用于连接钼基丝材，所述热丝电源的负极用于连接基板或工作台；所述脉冲钨极氩弧焊机、送丝系统与控制系统通信连接。在本发明中，所述焊机优选包括焊机控制器和焊枪；所述送丝系统优选包括送丝机和校直器。

本发明对所述钼基结构件的电弧增材制造方法所用设备的使用方法没有特殊限定，按照常规的电弧增材设备的使用方法使用即可，不同之处仅在于，当需要使用热丝电源时，将钼基丝材安装在电弧增材设备的送丝器上后，需要将钼基丝材与热丝电源的正极连接，将基板或工作台与热丝电源的负极连接，并控制热丝电源的电流。

如图1所示，为本发明实施例中进行钼基结构件的电弧增材制造的示意图，其中，钼基基板1放在数控机床2上，且位于脉冲钨极氩弧焊机的焊枪3下方，钼基丝材7依次通过校直器8和送丝机9送入焊枪3下方，热丝电源4的正极与钼基丝材7相连，负极与数控机床的工作台相连；氩气保护系统6将氩气通入脉冲氩弧焊的焊枪中为电弧增材提供保护气氛，脉冲氩弧焊机的焊机控制器5、送丝系统的送丝机9与控制系统10通信连接。

下面结合实施例对本发明提供的一种钼基结构件的电弧增材制造方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

以钼管材为目标结构件，外径为20mm，壁厚为5mm，长度为80mm，通过solidworks软件构建三维实体模型，然后沿模型的管材长度方向进行切片处理，层高为1.6～1.8mm，然后生成加工程序，将加工程序导入控制系统；

将钼基板(材质为工业纯钼Mo1)固定在数控机床的导轨上，将材质为工业纯钼Mo1直径为1.2mm的钼基丝材通过送丝机送至基板正上方，将所述钼基丝材与热丝电源的正极连接，将基板与热丝电源的负极连接；调整送丝角度为45°，使钼基丝材末端与基板之间的距离为2～3mm，送丝速度设置为0.8～1.2m/min，扫描速度设置为100～120mm/min，电弧长度调整为5～7mm；设置热丝电源的热丝电流为100～120A；

脉冲钨极氩弧焊的参数设置如下：焊接电流为直流脉冲，峰值电流为320～380A，占空比为35％～50％，基值电流为70～120A，脉冲频率为1～1.5Hz；

打开纯度为99.99％的氩气，调整焊机的钨极保护气流量为20L/min，氩气氛围保护气流量为50L/min，并对电弧增材制造的腔室通氩气40min以排出腔室内的空气；

然后开启脉冲钨极氩弧焊，对基板进行预热，预热的区域与目标管材的截面相同，方向为沿着截面的圆环扫描10次；然后开始进行电弧增材制造，具体为开始送丝，在预热的区域进行电弧增材制造一个沉积层，然后停止送丝，对所得沉积层进行循环加热10次，然后重复上述送丝-电弧增材制造-循环加热的步骤，直至得到钼合金管材，然后继续通氩气60min，然后取出钼合金管材，用切割机将钼管材从基板上切下。

本实施例所得钼管材的实物图如图2中a所示，由图2中a可知，本实施例所得钼管材外部无明显缺陷(即未熔合，空洞，塌陷，成形不连续，壁厚不均匀等缺陷)。将本实施例所得的钼合金管材用线切割法切割出横截面和纵截面，其截面如图2中的b和c所示，由b和c可知本实施例所得钼管的横纵截面虽然有气孔但是气孔非常少，致密度相对较高。

在本实施例所得钼合金管材上取样后，采用国标GB/T 228—2002公开的方法(使用P7编号矩形横截面试样)测试本实施例所得钼管材的抗拉强度和断后伸长率，抗拉强度为364MPa，断后伸长率为2％，说明本发明所提供的方法所得钼管材具有良好的力学性能。

实施例2

按照实施例1的方法制备与实施例1相同规格的钼管材，不同之处仅在于，将循环加热的次数调整为5。所得钼管材实物如图3中a所示，横截面如图3中b所示，由图3可知其横截面分布有大量直径小于2mm的气孔。

实施例3

按照实施例1的方法制备与实施例1相同规格的钼管材，不同之处仅在于，将循环加热的次数调整为2。所得钼管材实物如图4中a所示，横截面如图4中b所示，由图4可知其横截面分布有大量直径小于3mm的气孔。

对比实施例1～3所得钼管材，可知，随着循环加热的次数的增多(即重熔次数的增多)，气孔逐渐减小，且气孔量也明显减少，说明循环加热的次数越多，有利于减小气孔缺陷。

实施例4

以钼棒材为目标结构件，其直径为10mm，长度为150mm，按照实施例1的方法制备钼棒材，不同之处仅在于脉冲钨极氩弧焊的参数设置如下：峰值电流280～300A，占空比5～10％，频率0.1～0.2Hz，基值电流15～80A；钼基丝材的送丝速度10～25cm/min；层高为0.3～0.8mm，扫描速度为120mm/min，路径为沿Z轴(即垂直向上的直线)进行电弧增材沉积，每个沉积层循环加热的次数为10次。

本实施例所得钼棒材的实物图如图5所示，由图5可知其表面无明显缺陷。测试其横截面的金相图结果如图6所示，由图6可知，其横截面较为致密，未见明显气孔。

在本实施例所得钼棒材上采样后，采用国标GB/T 228—2002公开的方法(使用试样编号为R6的圆形截面比例试样，标距为15mm)测试本实施例所得钼棒材的抗拉强度和断后伸长率，抗拉强度为411Mpa，断后伸长率为5.4％，说明其具有良好的力学性能。

使用工业CT对本实施例所得钼棒材进行致密度检测，沿Z轴(即钼棒长度方向)进行扫描，相邻的扫描间隔为0.25mm，测得致密度为99.978％，说明本实施例所得钼棒材具有较高的致密度。

对比例1

按照实施例4所述的方法制备钼棒材，不同之处在循环加热的次数为0。

本对比例所得钼棒材的实物图如图7所示，由图7可知其表面无明显缺陷。测试其横截面的金相图结果如图8所示，由图8可知，整个横截面存在大量直径1～2mm的气孔。与实施例4对比可知，重熔法可有效消除气孔缺陷。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种钼基结构件的电弧增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

构建目标结构件的三维实体模型，然后经切片处理，生成加工程序，并导入控制系统；

以钼基丝材为原料，采用重熔法按照所述加工程序在基板上进行电弧增材制造，得到钼基结构件；所述重熔法为逐点重熔、逐层重熔或逐段重熔；

所述重熔法具体为得到一个熔池或一层沉积层或一段沉积段后，停止送丝，对所述熔池或沉积层或沉积段进行循环电弧加热，以重熔所述熔池或沉积层或沉积段；完成重熔后，开始送丝，继续制备下一个熔池或沉积层或沉积段，然后重复上述步骤，直至得到钼基结构件；所述循环电弧加热的参数与所述电弧增材制造的参数相同。

2.根据权利要求1所述的电弧增材制造方法，其特征在于，所述循环电弧加热的次数为2次以上。

3.根据权利要求1所述的电弧增材制造方法，其特征在于，所述电弧增材制造过程中，对所述钼基丝材进行辅助加热，所述辅助加热的方式为将钼基丝材与热丝电源的正极连接，将热丝电源的负极与基板或工作台连接，热丝电源保持通电状态。

4.根据权利要求3所述的电弧增材制造方法，其特征在于，当所述钼基结构件为管材时，所述电弧增材制造的参数包括：电弧脉冲的频率为1～1.5Hz，峰值电流为320～380A，基值电流为70～120A，占空比为35～50％；所述热丝电源的热丝电流为100～160A；电弧长度为5～7mm。

5.根据权利要求4所述的电弧增材制造方法，其特征在于，所述钼基丝材的直径为1.1～1.3mm；送丝速度为0.8～1.2m/min；扫描速度为100～120mm/min，层高为1.6～1.8mm；所述钼基丝材与热丝电源的正极的连接点和钼基丝材的熔化端的距离为10～15cm。

6.根据权利要求1～3任一项所述的电弧增材制造方法，其特征在于，当所述钼基结构件为棒材时，所述电弧增材制造的参数包括：电弧脉冲的频率为0.1～0.2Hz，峰值电流为280～300A，基值电流为15～80A，占空比为5～10％；电弧长度为5～7mm。

7.根据权利要求6所述的电弧增材制造方法，其特征在于，所述钼基丝材的直径为1.1～1.3mm；送丝速度为10～25cm/min；扫描速度为100～120mm/min，层高为0.3～0.8mm。

8.根据权利要求1所述的电弧增材制造方法，其特征在于，所述电弧增材制造前，向所述电弧增材制造的腔室通入保护气40～50min，保护气的流量为45～55L/min。

9.根据权利要求1所述的电弧增材制造方法，其特征在于，完成电弧增材制造后，在保护气氛围中自然冷却50～70min，然后将所得钼基结构件从基板上取下。

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