CN113118603B - 一种利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，该高硬抗冲击结构是采用非熔化极电弧(等离子电弧)熔化制备的。具体是由高氮钢丝材和铁基碳化钨丝材按一定的送丝速度比采用非熔化极电弧同时熔化制成，其碳化钨质量分数为5.0～20.0％。该方法制备的高硬抗冲击结构的维氏硬度达到370～450HV，动态屈服应力达到1400～1700MPa。其维氏硬度均超过纯高氮钢丝材的320HV；其动态屈服应力均超过高氮钢丝材熔敷金属的1150MPa。采用电弧熔化二种丝材的方式制备全新高硬抗冲击结构，同时使制造高硬抗冲击材质的结构件更为方便快捷。

Description

一种利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法
技术领域
本发明属于电弧增材制造技术领域，具体是一种利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法。
背景技术
高氮钢使用氮代替镍作为主要奥氏体元素，与常规不锈钢相比，其具有高强高硬与高耐腐蚀性等优点，在生物医疗、海洋工程和军工装备等领域有着良好的应用前景。高氮钢的硬度和动态力学性能提高存在着明显的瓶颈，而铁基碳化钨为进一步增强其性能提供了新的思路和选择。
专利《一种性能优异的高N奥氏体不锈钢中厚板及其制造方法》(申请号201910821769.2)公开了一种高氮钢制造方法，该高强钢对原材料添加特定元素进行电路炼钢和连铸，而后进行轧制、热处理等工艺，该方法流程繁杂，且难以保证金属元素的稀释率，另外铸件内部存在无法避免的缺陷(如气孔、夹杂)，设备成本较高；专利《一种高氮无磁不锈钢及其制造方法》(申请201811401175.8)公开了一种高氮无磁不锈钢的制备方法，该方法主要步骤为非真空感应熔炼,电渣重熔,开坯锻造,终锻成型锻造以及水冷处理。该方法可通过控制N元素的质量百分比保证高氮无磁不锈钢的耐局部腐蚀性能，但其制造工序同样较为复杂，工艺成本过高，周期较长。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用铁基粉芯丝材多热源阶段加热制造高硬抗冲击结构的制备方法，在保证纯高氮钢具有耐腐蚀性能的前提下，其动态屈服应力达到1400～1700MPa，维氏硬度达到370～450HV。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，该高硬抗冲击结构是先使用石墨板对基板加热，再使用电弧加热熔化一定送丝速度比的高氮钢丝材和铁基碳化钨丝材，于堆敷层间对样件进行气罐喷枪环绕加热，堆敷后使用石墨板对基板和样件再加热所进行制造的，加热电弧为等离子电弧；所述的铁基碳化钨-高氮钢材料中，其碳化钨质量分数为5.0～20.0％。
进一步的，高氮钢丝材的直径为0.8mm、1.0mm或1.2mm，铁基碳化钨丝材的直径1.6mm、1.8mm或2.0mm。
进一步的，高氮钢丝材主要成分质量分数如下：Mn含量17.47％，Cr含量20.82％，Mo含量3.62％，N含量0.81％，余量主要为Fe；铁基碳化钨丝材主要成分质量分数为：WC含量45％，Cr含量18％，余量主要为Fe。
进一步的，利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，包括以下具体步骤如下：
1)使用石墨板加热不锈钢基板达到预设温度；
2)预设工艺参数：包括根据等离子电弧设定堆敷电流、堆敷速度、离子气和保护气流量，设定二种丝材送丝速度；
3)控制焊枪距离工件高度，在不锈钢基板上起弧后，利用电弧加热，将高氮钢丝材和铁基碳化钨丝材同时送至电弧下熔化，按照预设机器人行走轨迹堆敷样件第一层；
4)使用气罐喷枪加热上一层堆敷层，调节气压控制气焰强度，调整层间温度达到期望值，样件旋转180°后，从上一层熄弧处附近开始堆敷下一层；
5)重复步骤4)，直至达到预设尺寸要求后停止堆敷。
6)使用石墨板加热基板和堆敷样件，维持预设温度一定时间，并使用保温棉覆盖使其冷却至室温。
进一步的，按质量分数比设定二种丝材送丝速度，高氮钢丝材送丝速度为1.0～3.0m/min，铁基碳化钨丝材送丝速度为0.10～0.50m/min。
进一步的，等离子电弧的堆敷电流为140～170A。
进一步的，堆敷前，石墨板加热基板温度为120～200℃；堆敷后，石墨板加热基板温度为180～220℃，保温2～4h后停止。
进一步的，起弧位置处于末端内侧6～10mm处减少塌陷，起弧后不送丝先向末端移动6～10mm，移动速度为40～60cm/min，再向另一端正常堆敷。
进一步的，使用气罐喷枪调整层间温度为120～200℃，喷枪加热方向为环绕加热1～5min。
相对于现有技术，本发明有以下优点：1、该方法制备的材料力学性能优良，其动态屈服应力可达到1400～1700MPa，维氏硬度达到370～450HV，证明结构高硬抗冲击；2、该方法采用电弧熔化方式制备，相对于冶炼方式，设备成本更低；3、该方法采用高氮钢丝材和铁基碳化钨粉芯丝材熔化制造高硬抗冲击材料，制备的工艺流程简化且周期缩短，制造成本更低。
附图说明
图1为铁基碳化钨-高氮钢等离子弧双送丝位置示意图。
图2为等离子弧堆敷样品末端起弧与末端内侧起弧对照图(内侧特指单个堆敷道的中心一侧)。
图3为气罐喷枪环绕加热样品示意图。
图4为等离子弧堆敷样品200倍金相组织照片(铁基碳化钨丝材与高氮钢丝材送丝比为0.15:2.0)。
图5为等离子弧堆敷样品200倍金相组织照片(铁基碳化钨丝材与高氮钢丝材送丝比为0.25:2.0)。
图6为实施例3堆敷试样外观照片。
图7为实施例4堆敷试样外观照片。
图8为本发明的工艺流程图。
附图标记说明：1-高氮钢丝材；2-铁基碳化钨丝材；3-等离子弧；4-样件；5-基板；6-气罐喷枪加热轨迹。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1
利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，该高硬抗冲击结构是先使用石墨板对基板加热，再使用电弧加热熔化一定送丝速度比的高氮钢丝材和铁基碳化钨丝材，于堆敷层间对样件进行气罐喷枪环绕加热，堆敷后使用石墨板对基板和样件再加热所进行制造的。加热电弧为等离子电弧；所述的铁基碳化钨-高氮钢材料中，其碳化钨质量分数为6.0％。
其中，高氮钢丝材的直径为1.2mm，铁基碳化钨丝材的直径为1.6mm。
高氮钢丝材主要成分质量分数如下：Mn含量17.47％，Cr含量20.82％，Mo含量3.62％，N含量0.81％，余量主要为Fe；铁基碳化钨丝材主要成分质量分数为：WC含量45％，Cr含量18％，余量主要为Fe。
包括以下具体步骤如下：
1)使用石墨板加热不锈钢基板达到预设温度；
2)预设工艺参数：包括根据等离子电弧设定堆敷电流、堆敷速度、离子气和保护气流量，设定二种丝材送丝速度；
3)控制焊枪距离工件高度，在不锈钢基板上起弧后，利用电弧加热，将高氮钢丝材和铁基碳化钨丝材同时送至电弧下熔化，按照预设机器人行走轨迹堆敷样件第一层；
4)使用气罐喷枪加热上一层堆敷层，调整层间温度达到期望值，样件旋转180°后，从上一层熄弧处附近开始堆敷下一层；
5)重复步骤4)，直至达到预设尺寸要求后停止堆敷。
6)使用石墨板加热基板和堆敷样件，维持预设温度一定时间，并使用保温棉覆盖使其冷却至室温。
上述步骤中，按质量分数比设定二种丝材送丝速度，高氮钢丝材送丝速度为2.0m/min，铁基碳化钨丝材送丝速度为0.15m/min。等离子电弧的堆敷电流为150A。
堆敷前，石墨板加热基板温度为120℃；堆敷后，石墨板加热基板温度为180℃，保温2h后停止。
起弧位置处于末端内侧6mm处减少塌陷，起弧后不送丝先向末端移动6mm，移动速度为40cm/min，再向另一端正常堆敷。
使用气罐喷枪调整层间温度为150℃，喷枪加热方向为环绕加热，加热时长为1～2min。
堆敷试样表面无明显缺陷，成形良好。图3为堆敷试样200倍金相组织照片，可知试样基体组织为奥氏体，另有少量铁素体，以及较少的弥散分布的碳化物颗粒，通过弥散强化和钨元素固溶强化可以提高试样的力学性能。经动态力学性能测试和显微维氏硬度测试得到：动态屈服应力达到1440MPa，维氏硬度为380HV，且经EDS分析可知内部元素分布较为均匀，偏聚现象较少。
实施例2
利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，该高硬抗冲击结构是先使用石墨板对基板加热，再使用电弧加热熔化一定送丝速度比的高氮钢丝材和铁基碳化钨丝材，于堆敷层间对样件进行气罐喷枪环绕加热，堆敷后使用石墨板对基板和样件再加热所进行制造的。加热电弧为等离子电弧；所述的铁基碳化钨-高氮钢材料中，其碳化钨质量分数为10.0％。
高氮钢丝材的直径为1.2mm，铁基碳化钨丝材的直径为1.6mm。
高氮钢丝材主要成分质量分数如下：Mn含量17.47％，Cr含量20.82％，Mo含量3.62％，N含量0.81％，余量主要为Fe；铁基碳化钨丝材主要成分质量分数为：WC含量45％，Cr含量18％，余量主要为Fe。
包括以下具体步骤如下：
1)使用石墨板加热不锈钢基板达到预设温度；
2)预设工艺参数：包括根据等离子电弧设定堆敷电流、堆敷速度、离子气和保护气流量，设定二种丝材送丝速度；
3)控制焊枪距离工件高度，在不锈钢基板上起弧后，利用电弧加热，将高氮钢丝材和铁基碳化钨丝材同时送至电弧下熔化，按照预设机器人行走轨迹堆敷样件第一层；
4)使用气罐喷枪加热上一层堆敷层，调节气压控制气焰强度，调整层间温度达到期望值，样件旋转180°后，从上一层熄弧处附近开始堆敷下一层；
5)重复步骤4)，直至达到预设尺寸要求后停止堆敷。
6)使用石墨板加热台加热基板和堆敷样件，维持预设温度一定时间，并使用保温棉覆盖使其冷却至室温。
按质量分数比设定二种丝材送丝速度，高氮钢丝材送丝速度为2.0m/min，铁基碳化钨丝材送丝速度为0.25m/min。
等离子电弧的堆敷电流为150A。
堆敷前，石墨板加热基板温度为150℃；堆敷后，石墨板加热基板温度为200℃，保温2h后停止。
起弧位置处于末端内侧8mm处减少塌陷，起弧后不送丝先向末端移动8mm，移动速度为50cm/min，再向另一端正常堆敷。
使用气罐喷枪调整层间温度为150℃，喷枪加热方向为环绕加热，加热时长为2～3min。
堆敷试样表面无明显缺陷，成形良好。图4为堆敷试样200倍金相组织照片，可知试样基体组织为奥氏体，另有少量铁素体，以及较多的弥散分布的碳化物颗粒，通过弥散强化和钨元素固溶强化可以较多地提高试样的力学性能。经动态力学性能测试和显微维氏硬度测试得到：动态屈服应力达到1540MPa，维氏硬度为410HV，且经EDS分析可知内部元素分布较为均匀，偏聚现象较少。
实施例3
利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，该高硬抗冲击结构是先使用石墨板对基板加热，再使用电弧加热熔化一定送丝速度比的高氮钢丝材和铁基碳化钨丝材，于堆敷层间对样件进行气罐喷枪环绕加热，堆敷后使用石墨板对基板和样件再加热所进行制造的。加热电弧为等离子电弧；所述的铁基碳化钨-高氮钢材料中，其碳化钨质量分数为10.0％。
高氮钢丝材的直径为1.2mm，铁基碳化钨丝材的直径为1.6mm。
高氮钢丝材主要成分质量分数如下：Mn含量17.47％，Cr含量20.82％，Mo含量3.62％，N含量0.81％，余量主要为Fe；铁基碳化钨丝材主要成分质量分数为：WC含量45％，Cr含量18％，余量主要为Fe。
包括以下具体步骤如下：
1)使用石墨板加热不锈钢基板达到预设温度；
2)预设工艺参数：包括根据等离子电弧设定堆敷电流、堆敷速度、离子气和保护气流量，设定二种丝材送丝速度；
3)控制焊枪距离工件高度，在不锈钢基板上起弧后，利用电弧加热，将高氮钢丝材和铁基碳化钨丝材同时送至电弧下熔化，按照预设机器人行走轨迹堆敷样件第一层；
4)使用气罐喷枪加热上一层堆敷层，调节气压控制气焰强度，调整层间温度达到期望值，样件旋转180°后，从上一层熄弧处附近开始堆敷下一层；
5)重复步骤4)，直至达到预设尺寸要求后停止堆敷。
6)使用石墨板加热基板和堆敷样件，维持预设温度一定时间，并使用保温棉覆盖使其冷却至室温。
按质量分数比设定二种丝材送丝速度，高氮钢丝材送丝速度为2.0m/min，铁基碳化钨丝材送丝速度为0.60m/min。
等离子电弧的堆敷电流为150A。
堆敷前，石墨板加热基板温度为150℃；堆敷后，石墨板加热基板温度为200℃，保温2h后停止。
起弧位置处于末端内侧8mm处减少塌陷，起弧后不送丝先向末端移动8mm，移动速度为50cm/min，再向另一端正常堆敷。
使用气罐喷枪调整层间温度为150℃，喷枪加热方向为环绕加热，加热时长为2～3min。
堆敷试样表面平整，但出现开裂现象。图6为堆敷试样外观照片，可知试样中心处发现肉眼可见的宏观贯穿裂纹。这是由于铁基碳化钨与高氮钢的材料送丝配比超限，碳化钨含量过高，材料脆性增大，内部裂纹受热冲击作用不断扩展，最终导致宏观贯穿裂纹出现，样件失效。
实施例4
利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，该高硬抗冲击结构是先使用石墨板对基板加热，再使用电弧加热熔化一定送丝速度比的高氮钢丝材和铁基碳化钨丝材，于堆敷层间对样件进行气罐喷枪环绕加热，堆敷后使用石墨板对基板和样件再加热所进行制造的。加热电弧为等离子电弧；所述的铁基碳化钨-高氮钢材料中，其碳化钨质量分数为10.0％。
高氮钢丝材的直径为1.2mm，铁基碳化钨丝材的直径为1.6mm。
高氮钢丝材主要成分质量分数如下：Mn含量17.47％，Cr含量20.82％，Mo含量3.62％，N含量0.81％，余量主要为Fe；铁基碳化钨丝材主要成分质量分数为：WC含量45％，Cr含量18％，余量主要为Fe。
包括以下具体步骤如下：
1)使用石墨板加热不锈钢基板达到预设温度；
2)预设工艺参数：包括根据等离子电弧设定堆敷电流、堆敷速度、离子气和保护气流量，设定二种丝材送丝速度；
3)控制焊枪距离工件高度，在不锈钢基板上起弧后，利用电弧加热，将高氮钢丝材和铁基碳化钨丝材同时送至电弧下熔化，按照预设机器人行走轨迹堆敷样件第一层；
4)使用气罐喷枪加热上一层堆敷层，调节气压控制气焰强度，调整层间温度达到期望值，样件旋转180°后，从上一层熄弧处附近开始堆敷下一层；
5)重复步骤4)，直至达到预设尺寸要求后停止堆敷。
6)使用石墨板加热基板和堆敷样件，维持预设温度一定时间，并使用保温棉覆盖使其冷却至室温。
按质量分数比设定二种丝材送丝速度，高氮钢丝材送丝速度为2.0m/min，铁基碳化钨丝材送丝速度为0.25m/min。
等离子电弧的堆敷电流为150A。
堆敷前，石墨板加热基板温度为150℃；堆敷后，不使用石墨板加热基板。
起弧位置处于末端内侧8mm处减少塌陷，起弧后不送丝先向末端移动8mm，移动速度为50cm/min，再向另一端正常堆敷。
使用气罐喷枪调整层间温度为150℃，喷枪加热方向为环绕加热，加热时长为2～3min。
堆敷试样出现严重开裂现象。图7为堆敷试样外观照片，可知试样中心处发现肉眼可见的宏观贯穿裂纹。这是由于堆敷后未立即使用石墨板进行加热处理，材料温度梯度大，热应力过高，内部裂纹不断扩展，最终导致宏观贯穿裂纹出现，样件失效。
以上所述仅为本发明的典型实施例，并不是限制本发明，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。凡在本发明的原则之下，所做的修改，替换，改进等，均应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，其特征在于，石墨板对不锈钢基板加热，再使用等离子电弧加热熔化一定送丝速度比的高氮钢丝材和铁基碳化钨丝材，于堆敷层间对样件进行气罐喷枪环绕加热，堆敷后使用石墨板对基板和样件再加热进行制造；形成的铁基碳化钨-高氮钢材料中，其碳化钨质量分数为5.0~20.0%；
包括以下具体步骤如下：
1）使用石墨板加热不锈钢基板达到预设温度；
2）预设工艺参数：包括根据等离子电弧设定堆敷电流、堆敷速度、离子气和保护气流量，设定二种丝材送丝速度；
3）控制焊枪距离工件高度，在不锈钢基板上起弧后，利用等离子电弧加热，将高氮钢丝材和铁基碳化钨丝材同时送至电弧下熔化，按照预设机器人行走轨迹堆敷样件第一层；
4）使用气罐喷枪加热上一层堆敷层，调整层间温度达到期望值，样件旋转180°后，从上一层熄弧处附近开始堆敷下一层；
5）重复步骤4），直至达到预设尺寸要求后停止堆敷；
6）使用石墨板加热基板和堆敷样件，维持预设温度一定时间，并使用保温棉覆盖使其冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，其特征在于，高氮钢丝材的直径为0.8mm、1.0mm或1.2 mm，铁基碳化钨丝材的直径1.6mm、1.8mm或2.0mm。
3.根据权利要求1所述的利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，其特征在于，高氮钢丝材主要成分质量分数如下：Mn含量17.47%，Cr含量20.82%，Mo含量3.62%，N含量0.81%，余量主要为Fe；铁基碳化钨丝材主要成分质量分数为：WC含量45%，Cr含量18%，余量主要为Fe。
4.根据权利要求1所述的利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，其特征在于，按质量分数比设定二种丝材送丝速度，高氮钢丝材送丝速度为1.0-3.0m/min，铁基碳化钨丝材送丝速度为0.10~0.50m/min。
5.根据权利要求1所述的利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，其特征在于，等离子电弧的堆敷电流为140~170A。
6.根据权利要求1所述的利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，其特征在于，堆敷前，石墨板加热基板温度为120~200℃；堆敷后，石墨板加热基板温度为180~220℃，保温2~4h后停止。
7.根据权利要求1所述的利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，其特征在于，起弧位置处于末端内侧6~10mm处，起弧后不送丝先向末端移动6~10mm，移动速度为40~60cm/min，再向另一端正常堆敷。
8.根据权利要求1所述的利用丝材多热源加热制造高硬抗冲击结构的方法，其特征在于，使用气罐喷枪调整层间温度为120~200℃，喷枪加热时长为1~5min。
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CN112139650A (zh) * 2020-09-02 2020-12-29 南京理工大学 基于增材制造方法原位增材制备金属间化合物构件的方法

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