CN111940722A - 一种钛合金轴类零件增材强化用粉末及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金轴类零件增材强化用粉末，由以下质量百分含量的成分组成：Co 1％～3％，W 3％～5％，Fe 2％～4％，Mo 6％～10％，Ni 11％～13％，余量为Ti和不可避免的杂质；本发明还公开了一种钛合金轴类零件增材强化用粉末的制备方法，将各元素粉末混合后进行球磨；本发明还公开了一种钛合金轴类零件增材强化用粉末的应用。本发明在钛元素基体中加入Fe、Ni、Mo、Co和W元素，保证了增材强化用粉末与钛合金轴类零件良好的融合性，同时提高了增材强化用粉末耐磨损性能；本发明的方法提高了增材强化用粉末的成分均匀性；本发明的应用提高了钛合金轴类零件表面的耐磨性能、显微硬度及工作强度。
Description
技术领域
本发明属于增材粉末制备技术领域，具体涉及一种钛合金轴类零件增材强化用粉末及其制备方法和应用。
背景技术
钛合金增材过程是一个高能瞬态冶金过程，过程中材料的熔化、凝固和冷却都是在极短的时间内完成。若增材粉末选择不当，成形件中容易出现球化、裂纹、孔隙以及翘曲变形等缺陷，严重影响其成形精度和力学性能。
目前已公开的学术论文或者专利中，申请号为201910811099.6的发明专利公开了一种增材制造用钛合金粉末，采用该粉末进行激光沉积，可消除未熔合、缩孔、缩松等缺陷，制造的钛合金构件内部组织均匀致密、强度较高。也有研究(高压EIGA法制备Ti6Al4V合金粉末及其3D可打印性[J].中国有色金属学报(英文版)2020,01,147-159)采用电极感应熔炼气雾化设备制备传统钛合金TC4粉末，制备的钛合金粉末具有良好的3D可打印性，电极感应熔炼气雾化制备的TC4合金的力学性能超过铸造或锻造件。目前大多研究基本都是针对3D构件成形需求而研究的制粉技术，用于零件的整体打印成形。但关于钛合金表面强化的增材强化用粉末却鲜有涉及。
钛合金轴类零件表面硬化主要通过表面感应淬火、超声滚压、喷丸强化等方法进行，但对于钛合金轴硬度的提高效果较为有限。使用增材强化用钛粉对钛合金轴类零件表面激光熔覆，可显著提高钛合金轴硬度，且具有高效、较低成本等优点。因此，对钛合金轴类零件增材强化用粉末进行研究是十分必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种钛合金轴类零件增材强化用粉末。本发明的钛合金轴类零件增材强化用粉末以钛元素为基体，保证了增材强化用粉末与钛合金轴类零件良好的融合性，同时通过加入适量的Fe、Ni、Mo、Co和W元素，在保证不影响增材强化用粉末焊接性和润湿性的前提下，对钛基体进行元素强化，有效提高了增材强化用粉末耐磨损性能，使其适用于钛合金轴类零件。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钛合金轴类零件增材强化用粉末，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Co1％～3％，W 3％～5％，Fe 2％～4％，Mo 6％～10％，Ni 11％～13％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本发明针对钛合金轴类零件设计增材强化用粉末，选择以钛元素为基体，保证了增材强化用粉末与钛合金轴类零件良好的融合性，并在钛元素基体中加入适量的Fe、Ni、Mo、Co和W元素，在钛基体中Fe元素属于β稳定元素，显著降低了增材强化用粉末的相变温度，提高淬透性，进而提高了粉末强化后的钛合金轴类零件内部力学性能，降低了粉末在钛合金轴类零件表面强化形成的熔覆层间性能差异，避免了Fe含量过高产生偏析、导致形成β斑型冶金缺陷；同时加入11％～3％的Ni元素提高钛合金轴类零件的耐磨性，引入熔点较高的Co和W在粉末合金中固溶形成强化相，提高了熔覆层的强度，通过加入Mo元素提高粉末合金的强度、耐热性和耐蚀性，并结合后续淬火时效显著提高钛合金轴类零件的强度，避免了Mo含量过高形成Mo夹杂和偏析、降低粉末合金的塑性、抗氧化性和可焊接性能。本发明成分组成的粉末在保证不影响增材强化用粉末焊接性和润湿性的前提下，对钛基体进行元素强化，有效提高了增材强化用粉末耐磨损性能，使其适用于钛合金轴类零件。
上述的一种钛合金轴类零件增材强化用粉末，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成Co 1.2％～2.7％，W 3.3％～4.8％，Fe 2.2％～3.8％，Mo 6.5％～9.6％，Ni11.2％～12.8％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种钛合金轴类零件增材强化用粉末，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Co 1.5％～2.5％，W 3.5％～4.5％，Fe 2.5％～3.5％，Mo 7.5％～8.5％，Ni11.5％～12.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。
另外，本发明还提供了一种制备钛合金轴类零件增材强化用粉末的方法，其特征在于，该方法的具体过程为：按照目标粉末的设计成分将各元素粉末混合，然后采用球磨机进行球磨处理，得到钛合金轴类零件增材强化用粉末。
本发明按照目标粉末的设计成分直接将各元素粉末混合后球磨，保证了钛合金轴类零件增材强化用粉末的成分均匀性，提高了粉末形成的熔覆层的强度和均匀性，有利于发挥粉末对钛合金轴类零件增材强化作用。
上述的方法，其特征在于，所述元素粉末的质量纯度均大于99％，粒径均为115目～300目。该优选质量纯度与粒径的元素粉末的流动性较好，且避免了元素粉末粒径偏大引起的熔覆层微裂纹等凝固缺陷，在控制原料成本的同时保证了增材强化用粉末形成的熔覆层的质量。
上述的方法，其特征在于，所述球磨处理的转速为600r/min，时间为30min。该优选工艺参数下球磨得到的钛合金轴类零件增材强化用粉末团聚较少且颗粒分布均匀，松装密度增大，质量较好。
另外，本发明还提供了一种钛合金轴类零件增材强化用粉末的应用，其特征在于，该应用包括以下步骤：
步骤一、将钛合金轴类零件增材强化用粉末在惰性气体保护下进行干燥，然后送入激光器的送粉器中，再将钛合金轴类零件与工装安装后固定在工作台上，并与激光器的加工头共同放置于气体保护条件下的气氛室中；所述干燥的温度为100℃～150℃，时间为4h～5h，所述惰性气体为氩气或氦气；所述激光器的送粉器内设置有连通送粉气的气体喷嘴；
步骤二、开启步骤一中气氛室中的工装带动钛合金轴类零件做圆周运动，同时开启气氛室中激光器的加工头，使其按照设定扫描策略对钛合金轴类零件表面进行运动，激光器的送粉器中经干燥后的钛合金轴类零件增材强化用粉末在送粉气作用下喷覆在钛合金轴类零件表面，并在激光器的加工头发射的激光的作用下熔覆沉积，对钛合金轴类零件的表面进行逐层的增材强化。
本发明将钛合金轴类零件增材强化用粉末干燥后喷覆在钛合金轴类零件表面并在激光作用下熔覆沉积，即通过在钛合金轴类零件表面添加熔覆粉末，并利用高能密度的激光束使之与钛合金轴类零件表面薄层共同熔凝形成冶金结合的熔覆层，从而对钛合金轴类零件的表面进行逐层的增材强化，在钛合金轴类零件的表面制备高性能的合金层，有效提高了钛合金轴类零件表面的耐磨性能，同时提高了钛合金轴类零件表面的显微硬度及工作强度。
上述的应用，其特征在于，步骤二中所述激光器为IPG光纤激光器。IPG光纤激光器在电光转换效率及光束亮度方面均有显著的改善，且无需预热，功率改变时，光斑直径始终保持稳定如一；同时，IPG光纤激光器的脉冲频率更高，参数的实时调节性能也更强，其可靠性、功率稳定性及灵活性方面较传统激光器有了显著的提升，有利于增材强化用粉末充分熔凝形成熔覆层。
上述的应用，其特征在于，步骤二中所述增材强化采用同步送粉方式，钛合金轴类零件增材强化用粉末的供给速度为15g/min～20g/min，所述送粉气为氦气，送粉气的流量为6L/h。优选采用同步送粉方式保证了送粉的连续性、稳定性和均匀性，有利于对钛合金轴类零件的表面进行逐层的增材强化；该优选的供给速度在保证生产效率的同时，提高了熔覆层的厚度均匀性，提高钛合金轴类零件的表面制备的合金层的质量；该优选送粉气种类和流量避免了粉末在熔覆过程中与空气接触发生氧化及其他化学反应，进一步保证了合金层的质量。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的钛合金轴类零件增材强化用粉末以钛元素为基体，保证了增材强化用粉末与钛合金轴类零件良好的融合性，同时通过加入适量的Fe、Ni、Mo、Co和W元素，在保证不影响增材强化用粉末焊接性和润湿性的前提下，对钛基体进行元素强化，有效提高了增材强化用粉末耐磨损性能，使其适用于钛合金轴类零件。
2、本发明按照目标粉末的设计成分直接将各元素粉末混合后球磨，保证了钛合金轴类零件增材强化用粉末的成分均匀性，有利于发挥强化作用。
3、本发明将钛合金轴类零件增材强化用粉末喷覆在钛合金轴类零件表面并在激光作用下熔覆沉积，在钛合金轴类零件的表面制备高性能的合金层，有效提高了钛合金轴类零件表面的耐磨性能，同时提高了钛合金轴类零件表面的显微硬度及工作强度。
4、本发明根据钛合金轴类零件增材强化用粉末的组成调节激光功率与扫描速度，使得粉末熔覆形成的合金层与钛合金轴类零件紧密结合，提高了两者的熔合率，有效提高了钛合金轴类零件表面的耐磨性能，同时提高了钛合金轴类零件表面的显微硬度及工作强度。
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
本发明的钛合金轴类零件增材强化用粉末及其制备方法通过实施例1～实施例8进行详细描述。
实施例1
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末由以下质量百分含量的成分组成：Co1.7％，W 4.0％，Fe 2.9％，Mo 8.3％，Ni 11.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末的制备方法为：按照目标粉末的设计成分将质量纯度为99.5％、粒径为115目的钴粉、质量纯度为99.5％、粒径为115目的钨粉、质量纯度为99.5％、粒径为115目的铁粉、质量纯度为99.5％、粒径为115目的钼粉、质量纯度为99.5％、粒径为115目的镍粉和质量纯度为99.5％、粒径为115目的钛粉混合，然后采用球磨机在转速为600r/min的条件下进行球磨处理30min，得到钛合金轴类零件增材强化用粉末。
实施例2
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末由以下质量百分含量的成分组成：Co1.0％，W 5.0％，Fe 2.0％，Mo 6.0％，Ni 11.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末的制备方法为：按照目标粉末的设计成分将质量纯度为99.7％、粒径为200目的钴粉、质量纯度为99.7％、粒径为150目的钨粉、质量纯度为99.7％、粒径为180目的铁粉、质量纯度为99.5％、粒径为200目的钼粉、质量纯度为99.8％、粒径为250目的镍粉和质量纯度为99.7％、粒径为250目的钛粉混合，然后采用球磨机在转速为600r/min的条件下进行球磨处理30min，得到钛合金轴类零件增材强化用粉末。
实施例3
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末由以下质量百分含量的成分组成：Co3.0％，W 3.0％，Fe 4.0％，Mo 10.0％，Ni 13.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末的制备方法为：按照目标粉末的设计成分将质量纯度为99.6％、粒径为300目的钴粉、质量纯度为99.6％、粒径为300目的钨粉、质量纯度为99.7％、粒径为300目的铁粉、质量纯度为99.8％、粒径为300目的钼粉、质量纯度为99.9％、粒径为300目的镍粉和质量纯度为99.9％、粒径为300目的钛粉混合，然后采用球磨机在转速为600r/min的条件下进行球磨处理30min，得到钛合金轴类零件增材强化用粉末。
实施例4
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末由以下质量百分含量的成分组成：Co1.2％，W 3.3％，Fe2.2％，Mo 6.5％，Ni 11.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末的制备方法为：按照目标粉末的设计成分将质量纯度为99.7％、粒径为200目的钴粉、质量纯度为99.7％、粒径为150目的钨粉、质量纯度为99.7％、粒径为180目的铁粉、质量纯度为99.5％、粒径为200目的钼粉、质量纯度为99.8％、粒径为250目的镍粉和质量纯度为99.7％、粒径为250目的钛粉混合，然后采用球磨机在转速为600r/min的条件下进行球磨处理30min，得到钛合金轴类零件增材强化用粉末。
实施例5
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末由以下质量百分含量的成分组成：Co2.7％，W 3.5％，Fe2.5％，Mo 9.6％，Ni 12.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末的制备方法为：按照目标粉末的设计成分将质量纯度为99.7％、粒径为200目的钴粉、质量纯度为99.7％、粒径为150目的钨粉、质量纯度为99.7％、粒径为180目的铁粉、质量纯度为99.5％、粒径为200目的钼粉、质量纯度为99.8％、粒径为250目的镍粉和质量纯度为99.7％、粒径为250目的钛粉混合，然后采用球磨机在转速为600r/min的条件下进行球磨处理30min，得到钛合金轴类零件增材强化用粉末。
实施例6
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末由以下质量百分含量的成分组成：Co1.0％，W 4.8％，Fe 3.8％，Mo 8.5％，Ni 12.8％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末的制备方法为：按照目标粉末的设计成分将质量纯度为99.7％、粒径为200目的钴粉、质量纯度为99.7％、粒径为150目的钨粉、质量纯度为99.7％、粒径为180目的铁粉、质量纯度为99.5％、粒径为200目的钼粉、质量纯度为99.8％、粒径为250目的镍粉和质量纯度为99.7％、粒径为250目的钛粉混合，然后采用球磨机在转速为600r/min的条件下进行球磨处理30min，得到钛合金轴类零件增材强化用粉末。
实施例7
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末由以下质量百分含量的成分组成：Co3.0％，W 4.5％，Fe 4.0％，Mo 10.0％，Ni 13.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末的制备方法为：按照目标粉末的设计成分将质量纯度为99.7％、粒径为200目的钴粉、质量纯度为99.7％、粒径为150目的钨粉、质量纯度为99.7％、粒径为180目的铁粉、质量纯度为99.5％、粒径为200目的钼粉、质量纯度为99.8％、粒径为250目的镍粉和质量纯度为99.7％、粒径为250目的钛粉混合，然后采用球磨机在转速为600r/min的条件下进行球磨处理30min，得到钛合金轴类零件增材强化用粉末。
实施例8
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末由以下质量百分含量的成分组成：Co2.5％，W 4.2％，Fe 3.5％，Mo 7.5％，Ni 11.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的钛合金轴类零件增材强化用粉末的制备方法为：按照目标粉末的设计成分将质量纯度为99.5％、粒径为200目的钴粉、质量纯度为99.5％、粒径为150目的钨粉、质量纯度为99.5％、粒径为180目的铁粉、质量纯度为99.5％、粒径为200目的钼粉、质量纯度为99.5％、粒径为250目的镍粉和质量纯度为99.5％、粒径为250目的钛粉混合，然后采用球磨机在转速为600r/min的条件下进行球磨处理30min，得到钛合金轴类零件增材强化用粉末。
本发明的钛合金轴类零件增材强化用粉末的应用通过实施例9～实施例11进行详细描述。
实施例9
本实施例的应用包括以下步骤：
步骤一、将实施例1中的钛合金轴类零件增材强化用粉末在氩气保护下在100℃进行干燥4h，然后送入激光器的送粉器中，再将钛合金电主轴与工装安装后固定在工作台上，并与激光器的加工头共同放置于气体保护条件下的气氛室中；所述激光器的送粉器内设置有连通送粉气的气体喷嘴；
步骤二、开启步骤一中气氛室中的工装，电动机在脉冲控制器控制下带动工装中的输入齿轮轴转动，进而带动钛合金电主轴做圆周运动，同时开启气氛室中的激光器的加工头，使其在控制器控制下按照设定扫描策略对钛合金电主轴表面进行运动，激光器的送粉器中经干燥后的钛合金轴类零件增材强化用粉末在送粉气作用下喷覆在钛合金电主轴表面，并在激光器的加工头中IPG光纤激光器发射的激光的作用下熔覆沉积，对钛合金电主轴的表面进行逐层的增材强化；所述增材强化采用同步送粉方式，钛合金轴类零件增材强化用粉末的供给速度为15g/min，所述送粉气为氦气，氦气的流量为6L/h，激光功率为600W，光斑直径Φ为0.1mm，扫描速度为1.5mm/s，增材强化过程在保护气氛中进行，保护气为氦气，氦气流量为15L/h。
对本实施例经增材强化的钛合金电主轴的表面进行外观检验及硬度测试，结果显示：经增材强化的钛合金电主轴的表面形成的硬化层均匀，且硬度达68.3HRC。
实施例10
本实施例的应用包括以下步骤：
步骤一、将实施例2中的钛合金轴类零件增材强化用粉末在氦气保护下在110℃进行干燥5h，然后送入激光器的送粉器中，再将钛合金泵轴与工装安装后固定在工作台上，并与激光器的加工头共同放置于气体保护条件下的气氛室中；所述激光器的送粉器内设置有连通送粉气的气体喷嘴；
步骤二、开启步骤一中气氛室中的工装，电动机在脉冲控制器控制下带动工装中的输入齿轮轴转动，进而带动钛合金泵轴做圆周运动，同时开启气氛室中的激光器的加工头，使其在控制器控制下按照设定扫描策略对钛合金泵轴表面进行运动，激光器的送粉器中经干燥后的钛合金轴类零件增材强化用粉末在送粉气作用下喷覆在钛合金泵轴表面，并在激光器的加工头中IPG光纤激光器发射的激光的作用下熔覆沉积，对钛合金泵轴的表面进行逐层的增材强化；所述增材强化采用同步送粉方式，钛合金轴类零件增材强化用粉末的供给速度为17g/min，所述送粉气为氦气，氦气的流量为6L/h，激光功率为400W，光斑直径Φ为0.12mm，扫描速度为1.7mm/s，增材强化过程在保护气氛中进行，保护气为氦气，氦气流量为15L/h。
对本实施例经增材强化的钛合金泵轴的表面进行外观检验及硬度测试，结果显示：经增材强化的钛合金泵轴的表面形成的硬化层均匀，且硬度达70.8HRC。
实施例11
本实施例的应用包括以下步骤：
步骤一、将实施例2中的钛合金轴类零件增材强化用粉末在氦气保护下在150℃进行干燥4.5h，然后送入激光器的送粉器中，再将钛合金支承辊与工装安装后固定在工作台上，并与激光器的加工头共同放置于气体保护条件下的气氛室中；所述激光器的送粉器内设置有连通送粉气的气体喷嘴；
步骤二、开启步骤一中气氛室中的工装，电动机在脉冲控制器控制下带动工装中的输入齿轮轴转动，进而带动钛合金支承辊做圆周运动，同时开启气氛室中的激光器的加工头，使其在控制器控制下按照设定扫描策略对钛合金支承辊表面进行运动，激光器的送粉器中经干燥后的钛合金轴类零件增材强化用粉末在送粉气作用下喷覆在钛合金支承辊表面，并在激光器的加工头中IPG光纤激光器发射的激光的作用下熔覆沉积，对钛合金支承辊的表面进行逐层的增材强化；所述增材强化采用同步送粉方式，钛合金轴类零件增材强化用粉末的供给速度为20g/min，所述送粉气为氦气，氦气的流量为6L/h，激光功率为550W，光斑直径Φ为0.2mm，扫描速度为2mm/s，增材强化过程在保护气氛中进行，保护气为氦气，氦气流量为15L/h。
对本实施例经增材强化的钛合金支承辊的表面进行外观检验及硬度测试，结果显示：经增材强化的钛合金支承辊的表面形成的硬化层均匀，且硬度达73.8HRC。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种钛合金轴类零件增材强化用粉末，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Co 1％～3％，W 3％～5％，Fe 2％～4％，Mo 6％～10％，Ni 11％～13％，余量为Ti和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金轴类零件增材强化用粉末，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成Co 1.2％～2.7％，W 3.3％～4.8％，Fe 2.2％～3.8％，Mo 6.5％～9.6％，Ni 11.2％～12.8％，余量为Ti和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的一种钛合金轴类零件增材强化用粉末，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Co 1.5％～2.5％，W 3.5％～4.5％，Fe 2.5％～3.5％，Mo 7.5％～8.5％，Ni 11.5％～12.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。
4.一种制备如权利要求1～权利要求3中任一权利要求所述的钛合金轴类零件增材强化用粉末的方法，其特征在于，该方法的具体过程为：按照目标粉末的设计成分将各元素粉末混合，然后采用球磨机进行球磨处理，得到钛合金轴类零件增材强化用粉末。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述元素粉末的质量纯度均大于99％，粒径均为115目～300目。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述球磨处理的转速为600r/min，时间为30min。
7.一种如权利要求1～权利要求3中任一权利要求所述的钛合金轴类零件增材强化用粉末的应用，其特征在于，该应用包括以下步骤：
步骤一、将钛合金轴类零件增材强化用粉末在惰性气体保护下进行干燥，然后送入激光器的送粉器中，再将钛合金轴类零件与工装安装后固定在工作台上，并与激光器的加工头共同放置于气体保护条件下的气氛室中；所述干燥的温度为100℃～150℃，时间为4h～5h，所述惰性气体为氩气或氦气；所述激光器的送粉器内设置有连通送粉气的气体喷嘴；
步骤二、开启步骤一中气氛室中的工装带动钛合金轴类零件做圆周运动，同时开启气氛室中激光器的加工头，使其按照设定扫描策略对钛合金轴类零件表面进行运动，激光器的送粉器中经干燥后的钛合金轴类零件增材强化用粉末在送粉气作用下喷覆在钛合金轴类零件表面，并在激光器的加工头发射的激光的作用下熔覆沉积，对钛合金轴类零件的表面进行逐层的增材强化。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，步骤二中所述激光器为IPG光纤激光器。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，步骤二中所述增材强化采用同步送粉方式，钛合金轴类零件增材强化用粉末的供给速度为15g/min～20g/min，所述送粉气为氦气，送粉气的流量为6L/h。
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