CN112894076A - 一种双丝电弧增材制造梯度高熵合金设备及高熵合金的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双丝电弧增材制造梯度高熵合金设备及高熵合金的制造方法，其特征在于：包括设备本体、工作台、送丝机构、角磨机构、焊接机构以及保护气系统，其双丝为组合绞丝和实心焊丝，所述的组合绞丝为若干单根不同材质的实心丝螺旋绞合组成，其采用了电弧为热源，融化焊丝来进行增材，可通过改变两种绞丝的成分以及相互之间的送丝速度来调整制备出的梯度材料零件的成分；本发明突破了通过融化金属粉末来进行高熵合金梯度材料的增材制造，通过采用丝材搭配进行不同高熵合金梯度材料的增材制造，优点在于原料成本低，增材效率高，原料利用率高，可制造大尺寸梯度高熵合金零件。

Description

一种双丝电弧增材制造梯度高熵合金设备及高熵合金的制造 方法

技术领域

本发明高熵合金及增材制造技术领域，特别涉及一种双丝电弧增材制造梯度高熵合金设备，及涉及到一种双丝电弧增材制造梯度高熵合金的制造方法。

背景技术

金属材料高熵合金又称多主元合金，一般是由五种或五种以上等摩尔或者近似等摩尔的元素组成的合金，并且每种元素的摩尔量都在5％～35％之间。虽然高尚合金拥有较多种类的元素，但是并没有形成吉布斯相率所预测的复杂的金属间化合物，而是形成了简单固溶体。其与传统合金相比，高熵合金具有高强度、高硬度，并且具有良好的耐高温性能和耐腐蚀性。高熵合金在舰船、涡轮叶片、高温炉及热交换器等耐高温耐磨材料方面成为备受关注的材料之一，并且在航天航空和核工业也具有较大潜力。

缆式焊丝作为一种新型焊丝，由多股细丝旋转绞合而成。最常用的缆式焊丝由7根细丝组成，1根中间丝和6根外围丝。缆式焊丝由于其特殊的形状，可以降低丝材的刚度，便于缠绕和使用，在焊接过程中拥有高效的焊接效率，而且在焊接过程中焊丝的旋转使电弧发生旋转，使得缆式焊丝拥有较好的焊接质量。

高熵合金梯度材料由于不同区域拥有不用的机械性能，使其同时满足强度和韧性。增材制造领域打印高熵合金梯度材料的早就已经出现，但是普遍使用的是粉末烧结和粉末熔覆。由于使用粉末进行增材制造设备及原材料成本高，且打印部件尺寸受到限制，增材效率低下等原因并没有在在工业中广泛应用。

发明内容

为了解决上述存在的问题和不足，本发明提供一种双丝电弧增材制造梯度高熵合金设备及高熵合金的制造方法，能使打印高熵合金梯度材料的成本更低，生产效率更高，而且可以打印大型高熵合金梯度材料的零部件。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种双丝电弧增材制造梯度高熵合金的设备，其特征在于：包括设备本体、工作台、送丝机构、角磨机构、焊接机构以及保护气系统；

所述工作台固定于设备本体上，且所述的工作台上设置有夹具，用于在使用过程中固定基板保证制作过程中高熵合金基板的稳定；

所述送丝机构包括若干焊丝的输送组件，所述输送组件的末端正对焊接机构设置，且其可相对工作台活动设置，其用于通过内置程序控制绞丝匀速接触焊枪制造高熵合金；

所述焊接机构包括主焊枪和控制主焊枪移动的驱动单元模块以及控制主焊枪电流输出的控制电路模块，所述焊接机构用于通过内置程序控制以电弧为热源对绞丝进行加热进行电弧增材制造；

所述角磨机构包括角磨机和驱动单元，用于焊接过程中对工件层与层之间进行打磨去除氧化层；

所述保护气系统包括储气罐和喷气模块，所述储气罐用于存储惰性混合气体，所述喷气模块用于根据程序设定匀速的朝焊接处喷射保护气以及对焊接高温部位进行快速降温冷却。

通过上述方案设置，相对于现有的高熵合金制作设备，本设备可由操作人员现场进行控制，通过对设备各部件的单独控制，尤其是其送丝机构的控制，控制其各夹头上焊丝的进给速度和进给与否即可控制成品高熵合金的材质和成分。

还包括有一种基于上述设备制作高熵合金的方法，所述绞丝包括组合绞丝和实心焊丝，所述的组合绞丝为若干单根不同材质的实心丝螺旋绞合组成，所述的主焊枪采用电弧为热源进行电弧增材制造。

作为上述方案的进一步设置，所述输送组件内置程序可通过计算机进行设定调整每个所述输送组件对绞丝的匀速输送速度。

作为上述方案的进一步设置，所述高熵合金的组合成分可通过改变单根金属细丝材料成分以改变组合绞丝的整体成分或改变组合绞丝与实心焊丝相互间的送丝速度进行快速调整。

作为上述方案的进一步设置，所述的基底为304不锈钢，所述的电弧采用熔化极MIG焊或TIG焊或等离子弧。

作为上述方案的进一步设置，所述的电弧增材制造包含以下步骤：

1)将基板表面进行打磨去除氧化层，并用酒精清洗表面；

2)待清洁完毕后，使用夹具将基板固定在工作台上；

3)将预制作的双丝分别装入送丝机构，通过计算对设备内置程序控制各机构进行参数设定，所述的参数包括送丝速度、焊接电流以及保护气流量；

4)参数设定完成后，将焊枪前端调整到距离基板10～25mm，并将需要打印的模型导入计算机，通过软件对模型进行切片分层，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)通过程序快速对打印模型进行模拟，通过计算机带入温度冷却时间参数，输出打磨工序时间和路径并输入至角磨机构；

6)步骤5)计算完成后，启动保护气系统，并通过检测确定保护气系统均匀输出保护气，且输出参数符合设定参数；

7)所有参数、程序准备完成后，运行程序，设备启动预热，设备预热完成后开始打印；

8)焊接机构、送丝机构以及保护气系统联动在基板上进行水平移动进行第一层的制造，一层制造完成后，移开焊接机构以及送丝机构，并启动角磨机构对工件进行打磨，去除氧化层；

9)打磨完成后，再次进行第二层制造，并循环；

10)等待打印件冷却后，取下打印件，可得到高熵合金制件。

作为上述方案的进一步设置，所述步骤8)至步骤9)中每打印的一层层间隔，可通根据需要主动暂停，通过程序修改、调节两种焊丝的送丝速度。

有益效果：与现有技术相比，本发明的高熵合金制作设备针对高熵合金制作工件通过程序控制进行增材制造，其不拘泥于现有的粉料等繁琐方式，采用焊丝作为原材料，通过独立的多送丝设计使得操作人员可通过程序计算，再控制送丝机构的送丝速度和控制独立的送丝夹头送丝，即可快捷的改变增材成分，本发明能使打印高熵合金梯度材料的成本更低，生产效率更高，而且可以打印大型部件，工艺简单，并且由于快速冷却作用，是材料内部晶粒细化，具有良好的力学性能。

附图说明

图1为实施例1中通过MIG双丝电弧增材制造梯度高熵合金的方法模型图；

图2为实施例1中通过MIG双丝电弧增材制造梯度高熵合金试样图；

图3为实施例2、3中通过TIG双丝电弧增材制造梯度高熵合金的方法模型图。

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。

以下结合附图1-3和具体实施例来对本发明作具体的介绍。

实施例1：

该实施例是以304不锈钢作为金属基板，使用组合绞丝和实心焊丝作为组合双丝；组合绞丝由1根铁丝，1根不锈钢丝，1根钴丝，2根镍丝和2根Al丝绞合而成；实心焊丝采用铝丝；本实施例采用MIG熔化极焊接方式进行增材制造，步骤如下：

1)将基板表面进行打磨去除氧化层，并用酒精清洗表面；

2)待表面清洁完毕，使用夹具将基板固定在工作台上；

3)将两根焊丝分别装入送丝机构的输送组件中，绞丝送入主焊枪，铝丝送入旁路输送组件，设置主焊枪送丝速度为5.5m/min，旁路输送组件送丝速度为0m/min，设置焊接电流为160A，保护气流速为25L/min；

4)将焊枪前端调整到距离基板10～25mm，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，将铝丝的送丝速度提升0.5m/min，并使用角磨机打磨工件表面，去除氧化层；

7)等待打印件冷却后，取下打印件，可得到高熵合金梯度材料制件。

实施例2：

该实施例是以304不锈钢作为金属基板，使用双绞丝组合双丝；其中绞丝1由：3根铁丝，2根镍丝，2根钴丝绞合而成，绞丝2由：3根铝丝，4根钛丝绞合而成；采用TIG非熔化极焊接方式进行增材，步骤如下：

1)将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)将两根绞丝分别装入送丝机构，设置绞丝1的送丝速度为1.5m/min，绞丝2的送丝速度为0m/min；设置焊接电流为160A，保护气流速为25L/min；

4)将焊枪前端调整到距离基板10～15mm，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，将绞丝2的送丝速度提升0.1m/min，并使用角磨机打磨工件表面，去除氧化层；

7)等待打印件冷却后，取下打印件，可得到高熵合金梯度材料制件。

实施例3：

该实施例是以304不锈钢作为金属基板，使用双绞丝组合双丝；其中绞丝由，2根铁丝，2根镍丝，2根钴丝，1根铬丝绞合而成，实心焊丝为钛丝；采用TIG非熔化极焊接方式进行增材，步骤如下：

1)将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)将两根绞丝装入送丝机构。设置绞丝送丝速度为1.5m/min，钛丝速度为0m/min。设置焊接电流为160A，保护气流速为25L/min；

4)将焊枪前端调整到距离基板10～15mm，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，将钛丝的送丝速度提升0.1m/min，并使用角磨机打磨工件表面，去除氧化层；

7)等待打印件冷却后，取下打印件，可得到高熵合金梯度材料制件。

本发明的高熵合金制作设备设计简单，机构科学，其原理主要针对高熵合金制作工件通过程序控制进行增材制造，其不拘泥于现有的粉料等繁琐方式，采用焊丝作为原材料，通过可独立控制的多头送丝结构设计使得操作人员可通过程序计算，再设定参数以控制送丝机构内独立设置的输送组件控制每一根单独焊丝或绞丝的送丝速度和控制独立的送丝夹头送丝是否送丝，通过上述操作即可便捷的改变增材成分，反之可用于对高熵合金增材设计，且此结构的场地限制相对较小，本发明能使打印高熵合金梯度材料的成本更低，生产效率更高，而且可以打印大型部件，工艺简单，并且由于快速冷却作用，是材料内部晶粒细化，具有良好的力学性能。

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 (7)

1.一种双丝电弧增材制造梯度高熵合金的设备，其特征在于：包括设备本体、工作台、送丝机构、角磨机构、焊接机构以及保护气系统；

所述工作台固定于设备本体上，且所述的工作台上设置有夹具，用于在使用过程中固定基板保证制作过程中高熵合金基板的稳定；

所述送丝机构包括若干焊丝的输送组件，所述输送组件的末端正对焊接机构设置，且可相对工作台活动设置，其用于通过内置程序控制绞丝匀速接触焊枪制造高熵合金；

所述焊接机构包括主焊枪和控制主焊枪移动的驱动单元模块以及控制主焊枪电流输出的控制电路模块，所述焊接机构用于通过内置程序控制以电弧为热源对绞丝进行加热进行电弧增材制造；

所述角磨机构包括角磨机和驱动单元，用于焊接过程中对工件层与层之间进行打磨去除氧化层；

所述保护气系统包括储气罐和喷气模块，所述储气罐用于存储惰性混合气体，所述喷气模块用于根据程序设定匀速的朝焊接处喷射保护气以及对焊接高温部位进行快速降温冷却。

2.根据权利要求1所述的一种双丝电弧增材制造梯度高熵合金的设备，其特征在于，所述绞丝包括组合绞丝和实心焊丝，所述的组合绞丝为若干单根不同材质的实心丝螺旋绞合组成，所述的主焊枪采用电弧为热源进行电弧增材制造。

3.根据权利要求2所述的一种双丝电弧增材制造梯度高熵合金的设备，其特征在于，所述输送组件内置程序可通过计算机进行设定调整每个所述输送组件对绞丝的匀速输送速度。

4.根据权利要求3所述的一种双丝电弧增材制造梯度高熵合金的设备，其特征在于，所述的基底为304不锈钢，所述的电弧采用熔化极MIG焊或TIG焊或等离子弧。

5.根据权利要求4所述的一种双丝电弧增材制造梯度高熵合金的方法，其特征在于：所述的电弧增材制造包含以下步骤：

1)将基板表面进行打磨去除氧化层，并用酒精清洗表面；

2)待清洁完毕后，使用夹具将基板固定在工作台上；

3)将预制作的双丝分别装入送丝机构，通过计算对设备内置程序控制各机构进行参数设定，所述的参数包括送丝速度、焊接电流以及保护气流量；

4)参数设定完成后，将焊枪前端调整到距离基板10～25mm，并将需要打印的模型导入计算机，通过软件对模型进行切片分层，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)通过程序快速对打印模型进行模拟，通过计算机带入温度冷却时间参数，输出打磨工序时间和路径并输入至角磨机构；

6)步骤5)计算完成后，启动保护气系统，并通过检测确定保护气系统均匀输出保护气，且输出参数符合设定参数；

7)所有参数、程序准备完成后，运行程序，设备启动预热，设备预热完成后开始打印；

8)焊接机构、送丝机构以及保护气系统联动在基板上进行水平移动进行第一层的制造，一层制造完成后，移开焊接机构以及送丝机构，并启动角磨机构对工件进行打磨，去除氧化层；

9)打磨完成后，再次进行第二层制造，并循环；

10)等待打印件冷却后，取下打印件，可得到高熵合金制件。

6.根据权利要求5所述的一种双丝电弧增材制造梯度高熵合金的方法，其特征在于：所述步骤8)至步骤9)中每打印的一层层间隔，可通根据需要主动暂停，通过程序修改、调节两种焊丝的送丝速度。

7.根据权利要求5所述的一种双丝电弧增材制造梯度高熵合金的设备，其特征在于，所述高熵合金的组合成分可通过改变单根金属细丝材料成分以改变组合绞丝的整体成分或改变组合绞丝与实心焊丝相互间的送丝速度进行快速调整。

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