CN112894075B - 一种多丝等离子弧增材制造高熵合金设备及制造高熵合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了金属合金成型和制造技术领域，提供了一种多丝等离子弧增材制造高熵合金设备及制造高熵合金的方法，其特征在于采用等离子弧为热源，熔化多丝焊丝，多丝焊丝通过绞合的组件进行配方绞合，本发明可通过改变绞丝的组成实心焊丝的成份来调节所制备高熵合金零部件的组合成分及性能；本发明突破了通过熔化金属粉末来进行高熵合金的增材制造，使用各种常见的合金丝材作为原料进行绞合均匀高熵合金的增材制造，使高熵合金的增材制造的成本大大降低，增材的效率大幅度提升。

Description

一种多丝等离子弧增材制造高熵合金设备及制造高熵合金的 方法

技术领域

本发明高熵合金及增材制造技术领域，特别涉及一种多丝等离子弧增材制造高熵合金设备，还涉及到一种多丝等离子弧增材制造高熵合金的方法。

背景技术

高熵合金，也称之为多组元合金，通常由5种及以上的元素，且每种元素原子比5％～35％之间。由于具备非常高的混合熵，使抑制了金属间化合物的形成，丝合金具有简单的相。通过改变高熵合金中元素的成分和比例，可以使合金具有高强度，高硬度，高耐磨性，耐腐蚀性，以及出色的高温和低温机械性能。电弧熔炼是高熵合金最普遍的方式，但是该方式会使高熵合金会产生偏析。部分高熵合金具有非常高的强度，机械加工不便。

高熵合金的增材制造可以克服传统熔炼的不足。增材制造，又称3D打印，通过熔化填充材料进行层层累积，最终形成零部件。高熵合金增材制造的方式有选区激光熔化，选区电子束熔化，激光直接沉积等方式。但以上方式存在原料价格贵，利用率低，增材效率低等缺点，限制了高熵合金在工业中的应用。

发明内容

为了解决上述存在的问题和不足，本发明提供一种多丝等离子弧增材制造高熵合金的方法，使高熵合金的增材制造实现，低成本，高效率，并且可以进行大型零部件的制造。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种多丝等离子弧增材制造高熵合金设备，包括设备本体，固定设备本体的工作台、送丝机构、角磨机构、焊接机构以及保护气系统，其特征在于，所述送丝机构包括绞丝组件和送丝组件，所述绞丝组件包括用于放置实心焊丝的焊丝盘、相对设备本体固定设置的绞丝盘以及位于相对绞丝盘周向转动的绞杆，所述绞杆前端呈锥形，其末端正对送丝组件的贯穿孔，所述送丝组件的贯穿孔的内壁设置有呈螺旋状延伸的凹面槽，且所述的贯穿孔的内径从绞杆方向逐渐缩小。

通过上述方案设置，本发明的设备相对于现有设备其送丝机构不仅可将绞丝进行匀速输送至焊接机构焊枪下，其还可以直接对绞丝的组合结构内的实心焊丝进行绞合，本设备相对于现有设备，其无需预先将绞丝绞合，可直接在增材制作时进行成分配比设计，现场进行参数设定将绞丝制作并使用。

作为上述方案的进一步设置，所述送丝组件相对设备本体可转动设置，且所述贯穿孔的内径可通过位于送丝组件上的螺纹调节机构进行调节，所述贯穿孔内的凹面槽表面带有弹性，所述送丝组件旋转时所述的凹面槽根据螺旋方向施加朝向螺旋方向的推动力于绞丝上。

通过上述方案设置，通过凹面槽和逐渐缩小的贯穿孔的设计结构，使得通过绞丝组件制作的绞丝可以进一步的绞合，使其组成实心焊丝之间的间隙更小，增材制作的合金更符合要求。

作为上述方案的进一步设置，所述绞丝盘上设置有若干的焊丝夹头，所述的焊丝夹头使用数量可根据绞丝的配方启用，所述绞杆包括有绞杆套，且其上还设有实心焊丝的过孔和螺旋状的绞丝端。

通过上述方案设置，分离的实心焊丝通过过孔靠近，再由螺旋状且不停旋转的绞丝端进行绞合制作，可快速的将分离的实心焊丝进行绞合。

作为上述方案的进一步设置，所述送丝组件还包括位于贯穿孔前方的匀速送丝装置，所述匀速送丝装置设置有抽丝轮，其用于从贯穿孔内将绞合的绞丝收取并匀速的送出，供焊接机构进行增材制造。

通过上述方案设置，匀速送丝装置两端分别对应送丝组件和焊接机构，其主要用于将绞合的绞丝从送丝机构中拉出匀速的送至焊接机构，抽丝轮设置有动力机构可从送丝组件内主动抽取绞合好的绞丝，然后通过匀速送丝装置供应焊接机构，满足增材制造所需，且匀速的送丝可避免增材制作后的表面和结构的不规整。

作为上述方案的进一步设置，所述焊丝盘上对应所述实心焊丝设置有用于独立控制实心焊丝出丝速度的转速控制机构，所述转速控制机构包内置控制程序的驱动单元和控制元件。

通过上述方案设置，本发明设置的转速控制机构通过外部的计算机对控制元件的程序参数进行设定，其控制元件对驱动单元进行控制使得其上固定安装的实心焊丝按照设计的出丝速度匀速的出丝，满足设备对绞丝的各实心焊丝的成分占比设计。

根据上述一种多丝等离子弧增材制造高熵合金设备制备高熵合金的方法，其特征在于：包含以下步骤：

1)根据所需材料性能决定合金的成分，反向计算得到的成分组成，挑选对应成分材料制作的实心焊丝9进行绞丝的组合，计算完成后将对应的实心焊丝9装入送丝机构3,由设备进行绞丝操作；

2)将预设计的零件模型导入计算机，由计算机程序软件对其进行切片、分层计算，并导出焊接参数至设备进行设定；

3)所有参数设定完毕后，启动保护气系统，并预热设备并进行试运行，并进行人工干预和修改最终确定参数；

4)所有准备工作完成后，设备启动正常增材打印；

5)每打印增材一层，通过喷保护气快速冷却至100～500℃之间，启动角磨机构将工件表面氧化层打磨干净；

6)继续循环增材，直到程序运行结束；

7)等待打印件冷却后，取下打印件，可得到高熵合金制件。

优选的，所述步骤1)至步骤5)中的绞丝包括常见金属制备的直径为0.1mm～3.6mm的实心焊丝9，所述绞丝的实心焊丝9数量为3～10根，所述送丝机构3的送丝速度为0.1m/min～5m/min，制备设定的增材电流为20A～300A，所述的焊接机构采用等离子弧为热源进行电弧增材制造，其焊枪的运行速度为0.1mm/s～20mm/s。

优选的，所述步骤1)对最终合金进行反向计算分析后得出实心焊丝9的组合，其绞丝步骤如下：

S1：将成卷的实心焊丝9安装在送丝机构3的焊丝盘311上，并将所述实心焊丝9的一头穿过焊丝夹头3121后送入绞杆314的过孔3143内；

S2：通过绞杆314的绞丝端3141将穿过过孔3143的多根的实心焊丝9绞合为相互螺旋状缠绕的绞丝，并进入送丝组件32的贯穿孔321内；

S3：送丝组件32通过与绞杆314同向联动的旋转，将绞丝不断地向贯穿孔321的末端输送，且通过贯穿孔321内壁的凹面槽322以及逐渐缩小的贯穿孔321，对绞丝的绞合强度合相邻实心焊丝9之间的缝隙进行缩小。

优选的，所述贯穿孔321内的凹面槽322的螺旋延伸方向与绞杆314的旋转方向相同设置。

有益效果：相对于现有高熵合金增材制造技术，通过设备现场将焊丝螺旋绞丝，避免了提前设计绞丝临时变化的繁琐，其次避免了绞丝材料制作过多堆积浪费的问题，此外本发明还便于操作人员在增材制造开启前进行调整，制作过程中发现问题及时进行调节，本发明能使打印高熵合金零部件的整套设置，有效改进了设备制作流程需要，减少了材料的浪费、成本大大降低，且其效率更高，并且能打印大型部件，工艺简单。

附图说明

图1为实施例1中使用三丝等离子弧增材制造高熵合金的方法模型图；

图2为实施例1中使用三丝等离子弧增材制造高熵合金的方法制备的合金试样图；

图3为实施例1中使用三丝等离子弧增材制造高熵合金的方法制备的合金试样X射线衍射图；

图4为实施例1中使用三丝等离子弧增材制造高熵合金的方法制备的合金试样金相图；

图5为实施例2中使用四丝等离子弧增材制造高熵合金的方法模型图；

图6为实施例3中使用五丝等离子弧增材制造高熵合金的方法模型图；

图7为本发明的设备送丝机构的结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图1-7和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1-4所示的实施例是以304不锈钢作为金属基板，使用三根实心焊丝9作为原材料制备高熵合金零部件的组合概念图。其图中三丝组成为：1根304不锈钢丝(～70％Fe，～20％Cr，～10％Ni)，1根CrNi合金丝(～80％Ni，～20％Cr)，1根纯Al丝(ER1070)，三根焊丝的直径都为1.2mm。步骤如下：

1)将304基板表面进行打磨去除氧化层，并用酒精清洗表面；

2)使用夹具将基板固定在工作台上；

3)将三根焊丝装入送丝机构，通过控制对应焊丝盘的松紧控制送丝速度，304不锈钢丝和CrNi合金丝的送丝速度都为1.5m/min，Al丝的送丝速度为5m/min，采用氩气为保护，增材电流为160A，设保护气流速为25L/min；

4)将焊枪前端调整到距离基板8～12mm，并将需要打印的模型导入计算机，确定打印参数后由焊接软件计算出路径并上传到机器人控制柜；

5)运行程序，开始打印；

6)在每打印一层层间，冷却至100～500℃之间，并使用角磨机将表面氧化层打磨干净；

7)等待打印件冷却后，取下打印件，可得到高熵合金制件。

实施例2：

如图5所示的实施例是以304不锈钢作为金属基板，使用四根焊丝制备高熵合金零部件的组合概念图。其图中四丝组成为：1根304不锈钢丝(～70％Fe，～20％Cr，～10％Ni)，1根CrNi合金丝(～80％Ni，～20％Cr)，1根纯Al丝(ER1070)，1根纯Ti丝，四根焊丝的直径都为1.0mm。步骤如下：

1)将304基板表面进行打磨去除氧化层，并用酒精清洗表面；

2)使用夹具将基板固定在工作台上；

3)将四根焊丝装入送丝机构，通过控制对应焊丝盘的松紧控制送丝速度，304不锈钢丝和CrNi合金丝的送丝速度1.5m/min，Al丝和Ti丝的送丝速度为0.5m/min，采用氩气为保护，增材电流为160A，设保护气流速为25L/min；

4)将焊枪前端调整到距离基板8～12mm，并将需要打印的模型导入计算机，确定打印参数后由焊接软件计算出路径并上传到机器人控制柜；

5)运行程序，开始打印；

6)在每打印一层层间，冷却至100～500℃之间，并使用角磨机将表面氧化层打磨干净；

7)等待打印件冷却后，取下打印件，可得到高熵合金制件。

实施例3：

如图6所示的实施例是以304不锈钢作为金属基板，使用五根焊丝制备高熵合金零部件的组合概念图。其图中四丝组成为：2根304不锈钢丝(～70％Fe，～20％Cr，～10％Ni)，1根CrNi合金丝(～80％Ni，～20％Cr)，1根纯Al丝(ER1070)，1根纯Cu丝，五根焊丝的直径都为1.0mm。步骤如下：

1)将304基板表面进行打磨去除氧化层，并用酒精清洗表面；

2)使用夹具将基板固定在工作台上；

3)将五根焊丝装入送丝机构，进行螺旋绞合，所有绞丝送丝速度均为1.0m/min，采用氩气为保护，增材电流为180A，设保护气流速为25L/min；

4)将焊枪前端调整到距离基板8～12mm，并将需要打印的模型导入计算机，确定打印参数后由焊接软件计算出路径并上传到机器人控制柜；

5)运行程序，开始打印；

6)在每打印一层层间，冷却至100～500℃之间，并使用角磨机将表面氧化层打磨干净；

7)等待打印件冷却后，取下打印件，可得到高熵合金制件。

本发明的设备送丝机构的原理为，通过焊丝盘的独立控制每一根材质的实心焊丝的送丝速度使得其相互绞合的绞合比例进行控制，以满足快速调整高熵合金成分的功能，通过带有螺旋锥形套头的绞杆的转动使得分离的实心焊丝相互进行缠绕绞合，并通过送丝机构的两联动旋转的组件进行压缩紧绷，使得绞丝相互间的缝隙缩小，增材制造的效果更加。

本发明的方法相对于现有高熵合金增材制造技术，本发明能使打印高熵合金零部件的成本大大降低，效率更高，并且能打印大型部件，工艺简单，相对于现有方法采用本发明所公开的方案具有显著的提升和效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种多丝等离子弧增材制造高熵合金设备，包括设备本体，固定设备本体的工作台、送丝机构（3）、角磨机构、焊接机构以及保护气系统，其特征在于，所述送丝机构（3）包括绞丝组件（31）和送丝组件（32），所述绞丝组件（31）包括用于放置实心焊丝（9）的焊丝盘（311）、相对设备本体固定设置的绞丝盘（312）以及位于相对绞丝盘（312）周向转动的绞杆（314），所述绞杆（314）前端呈锥形，其末端正对送丝组件（32）的贯穿孔（321），所述送丝组件（32）的贯穿孔（321）的内壁设置有呈螺旋状延伸的凹面槽（322），且所述的贯穿孔（321）的内径从绞杆（314）方向逐渐缩小，所述送丝组件（32）相对设备本体可转动设置，且所述贯穿孔（321）的内径可通过位于送丝组件（32）上的螺纹调节机构进行调节，所述贯穿孔（321）内的凹面槽（322）表面带有弹性，所述送丝组件（32）旋转时所述的凹面槽（322）根据螺旋方向施加朝向螺旋方向的推动力于绞丝上，所述绞丝盘（312）上设置有若干的焊丝夹头（3121），所述的焊丝夹头（3121）使用数量可根据绞丝的配方启用，所述绞杆（314）包括有绞杆套（3142），且其上还设有实心焊丝（9）的过孔（3143）和螺旋状的绞丝端（3141），所述送丝组件（32）还包括位于贯穿孔（321）前方的匀速送丝装置，所述匀速送丝装置设置有抽丝轮，其用于从贯穿孔（321）内将绞合的绞丝收取并匀速的送出，供焊接机构进行增材制造，所述焊丝盘（311）上对应所述实心焊丝（9）设置有用于独立控制实心焊丝（9）出丝速度的转速控制机构，所述转速控制机构包内置控制程序的驱动单元和控制元件。

2.根据权利要求1所述一种多丝等离子弧增材制造高熵合金设备制备高熵合金的方法，其特征在于：包含以下步骤：

1）根据所需材料性能决定合金的成分，反向计算得到的成分组成，挑选对应成分材料制作的实心焊丝（9）进行绞丝的组合，计算完成后将对应的实心焊丝（9）装入送丝机构（3）,由设备进行绞丝操作；

2）将预设计的零件模型导入计算机，由计算机程序软件对其进行切片、分层计算，并导出焊接参数至设备进行设定；

3）所有参数设定完毕后，启动保护气系统，并预热设备并进行试运行，并进行人工干预和修改最终确定参数；

4）所有准备工作完成后，设备启动正常增材打印；

5）每打印增材一层，通过喷保护气快速冷却至100~500℃之间，启动角磨机构将工件表面氧化层打磨干净；

6）继续循环增材，直到程序运行结束；

7）等待打印件冷却后，取下打印件，可得到高熵合金制件。

3.根据权利要求2所述的一种多丝等离子弧增材制造高熵合金的方法，其特征在于：所述步骤1）至步骤5）中的绞丝包括常见金属制备的直径为0.1mm ~ 3.6mm的实心焊丝（9），所述绞丝的实心焊丝（9）数量为3~10根，所述送丝机构（3）的送丝速度为0.1m/min ~ 5m/min，制备设定的增材电流为20 A ~ 300A，所述的焊接机构采用等离子弧为热源进行电弧增材制造，其焊枪的运行速度为0.1mm/s ~20mm/s。

4.根据权利要求3所述的一种多丝等离子弧增材制造高熵合金的方法，其特征在于：所述步骤1）对最终合金进行反向计算分析后得出实心焊丝（9）的组合，其绞丝步骤如下：

S1：将成卷的实心焊丝（9）安装在送丝机构（3）的焊丝盘（311）上，并将所述实心焊丝（9）的一头穿过焊丝夹头（3121）后送入绞杆（314）的过孔（3143）内；

S2：通过绞杆（314）的绞丝端（3141）将穿过过孔（3143）的多根的实心焊丝（9）绞合为相互螺旋状缠绕的绞丝，并进入送丝组件（32）的贯穿孔（321）内；

S3：送丝组件（32）通过与绞杆（314）同向联动的旋转，将绞丝不断地向贯穿孔（321）的末端输送，且通过贯穿孔（321）内壁的凹面槽（322）以及逐渐缩小的贯穿孔（321），对绞丝的绞合强度合相邻实心焊丝（9）之间的缝隙进行缩小。

5.根据权利要求4所述的一种多丝等离子弧增材制造高熵合金的方法，其特征在于：所述贯穿孔（321）内的凹面槽（322）的螺旋延伸方向与绞杆（314）的旋转方向相同设置。

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