CN113199169A - 一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种激光增材制造用Ni‑Cr基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料组分组成：C粉1.0～3.0％，Cr粉50.0～70.0％，硅铁粉8.0～15.0％，锰铁粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，B粉4.0～10.0％，Co粉1.0～3.0％，以上组分质量百分比之和为100％。使用该药芯焊丝的熔覆层硬度高，耐磨性好。还提供一种激光增材制造用Ni‑Cr基焊丝的制备方法。

Description

一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝，还提供了一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝的制备方法。
背景技术
增材制造技术，是通过CAD设计数据将材料逐层堆积的方法直接制造出实体零件的一种先进技术。与传统加工不同，增材制造技术能够实现三维快速、自由成形，目前已被广泛的应用于新品开发及小批量复杂零件的生产。
目前，增材制造技术中应用最广泛的是激光熔覆技术。激光熔覆按照沉积所用材料不同主要分为送粉式激光熔覆和送丝式激光熔覆两种方法。送粉式激光熔覆对金属粉末的利用率极低(20％-30％)，同时粉末由于难以控制制造还会造成对环境的污染。而送丝式激光熔覆具有材料利用率高、环境污染少、成本低等优点，具有良好的工业发展前景。目前，没有专门针对送丝激光熔覆系统使用的焊丝，大多使用现有的熔化焊接用焊丝。因此，开发一种激光增材制造专用的焊丝，对于推动激光增材制造技术的应用，具有重要的工程实际价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝，专门用于送丝激光增材制造系统，采用该焊丝的熔覆层金属具有较高硬度，力学性能好。
本发明的第二个目的是提供一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料组分组成：C粉1.0～3.0％，Cr粉50.0～70.0％，硅铁粉8.0～15.0％，锰铁粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，B粉4.0～10.0％，Co粉1.0～3.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
各个原料粉末的粒度均为100～200目。
焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm；药芯焊丝药粉填充率为25wt.％～30wt.％。
本发明所采用的第二个技术方案是，
一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料粉：C粉2.0％，Cr粉60.0％，硅铁10.0％，锰铁15.0％，Al粉5.0％，B粉5.0％，钴粉3.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉置于真空加热炉内加热，加热温度为300～350℃，保温时间为2.5-4h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3-4h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
本发明的特征还在于，
步骤1中，各个原料粉末的粒度均为100～200目。
步骤3中，焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm；药芯焊丝药粉填充率为25wt.％～30wt.％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝的制备方法，使用药芯焊丝作为耗材进行激光增材制造。
(2)本发明方法采用丝材进行激光增材制造，可以提高材料的利用率，同时不会对环境造成污染，并且成本较低，具有良好的发展前景。
(3)相比实心焊丝，本发明焊丝采用金属粉末作为药粉的主要原料进行药芯焊丝制备，在激光增材制造过程中可显著提高丝材的熔化效率。
(4)通过药粉可以灵活的调整激光增材制造用Ni-Cr基焊丝的力学性能，从而可拓宽了丝材激光熔覆的使用范围。
(5)本发明焊丝专门用于送丝激光增材制造系统，采用该焊丝的熔覆层金属具有较高，硬度力学性能好，药粉以Cr元素为主添加多种合金组元，通过多组元的联合调控，可有效保证熔覆层的强、韧匹配。
附图说明
图1为实施案例2制备的药芯焊丝，在Q345钢板上进行激光熔覆时所得到的熔覆层的低倍金相组织形貌图；
图2为实施案例2制备的药芯焊丝，在Q345钢板上进行激光熔覆时所得到的熔覆层的高倍金相组织形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料组分组成：C粉1.0～3.0％，Cr粉50.0～70.0％，硅铁粉8.0～15.0％，锰铁粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，B粉4.0～10.0％，Co粉1.0～3.0％，以上组分质量百分比之和为100％。其中，各个原料粉末(C粉、Cr粉、硅铁粉、锰铁粉、Al粉、B粉、Co粉)的粒度均为100～200目。焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm；药芯焊丝药粉填充率为25wt.％～30wt.％。
该药芯焊丝中主要合金组分的作用和功能如下：
Ni元素作为药芯焊丝的主要合金元素，具有非常高的扩散激活能，导致最外层电子难以迁移，这使得Ni具有更好地抗高温特性。而且Ni的化学稳定性较好，因此它的耐腐蚀性和耐高温氧化性更胜一筹。最重要的，由于Ni的最外层特殊的电子的分布特点，可以使它在接受了大量的强化原子之后仍然可以维持很好的组织稳定性。
Cr元素作为药芯焊丝的主要合金元素，添加Cr元素后，Cr与B反应将生成CrB和Cr2B，Cr与C反应将生成Cr23C6和Cr7C3等硬质化合物，可提高熔覆层金属的硬度和耐磨性。
B元素作为药芯焊丝的主要合金元素，B元素为强脱氧元素，B元素和Si元素联合作用可以降低熔覆层金属的熔点，提高熔覆层金属的流动性，改善与基体材料的润湿性。
Si元素作为药芯焊丝的主要合金元素，在含Mn熔覆层金属中添加Si元素可减少熔覆金属中的含氧量，防止气孔的产生，熔覆层金属的硬度、强度呈非线性增加。
Mn元素作为药芯焊丝的主要合金元素，熔覆层金属中添加Mn元素可以细化晶粒，Mn和Si联合可以起到脱氧的目的，并可提高熔覆层金属的硬度和强度；
Co元素拥有良好的热化学稳定性，拥有良好的耐腐蚀和耐高温性能。
本发明还提供一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料粉：C粉2.0％，Cr粉60.0％，硅铁10.0％，锰铁15.0％，Al粉5.0％，B粉5.0％，钴粉3.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，各个原料粉末(C粉、Cr粉、硅铁粉、锰铁粉、Al粉、B粉、Co粉)的粒度均为100～200目。
步骤2：将步骤1称取的药粉置于真空加热炉内加热，加热温度为300～350℃，保温时间为2.5-4h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3-4h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm；药芯焊丝药粉填充率为25wt.％～30wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料粉：C粉1.0％，Cr粉70.0％，硅铁粉8.0％，锰铁粉10.0％，Al粉5.0％，B粉5.0％，Co粉1.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，各个原料粉末(C粉、Cr粉、硅铁粉、锰铁粉、Al粉、B粉、Co粉)的粒度均为100目。
步骤2：将步骤1称取的药粉置于真空加热炉内加热，加热温度为300℃，保温时间为2.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm；药芯焊丝药粉填充率为25wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例1制备的激光增材制造用Ni-Cr基焊丝在Q345钢板上进行激光熔覆，激光功率3000W，光斑直径2mm，扫描速度3m/min，送丝速度0.8m/min。
经测试，熔覆层金属的洛氏硬度为45HRC。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料粉：C粉2.0％，Cr粉60.0％，硅铁粉10.0％，锰铁粉15.0％，Al粉5.0％，B粉5.0％，Co粉3.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，各个原料粉末(C粉、Cr粉、硅铁粉、锰铁粉、Al粉、B粉、Co粉)的粒度均为200目。
步骤2：将步骤1称取的药粉置于真空加热炉内加热，加热温度为320℃，保温时间为2.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm；药芯焊丝药粉填充率为30wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例2制备的激光增材制造用Ni-Cr基焊丝在Q345钢板上进行激光熔覆，激光功率3000W，光斑直径2mm，扫描速度3m/min，送丝速度0.8m/min。
经测试，熔覆层金属的洛氏硬度为61HRC。
实施例2制备得到的激光增材制造用Ni-Cr基焊丝在Q345钢板上熔覆，熔覆层焊缝的低倍金相组织见图1所示，图2是熔覆层的高倍金相组织图片。从低倍扫描电镜图片上可以看出，熔覆层与Q345基体之间衔接良好，无宏观裂纹等焊接缺陷。熔覆层主要由胞状树枝晶组成，其内部无气孔、裂纹等常见缺陷。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料粉：C粉3.0％，Cr粉60.0％，硅铁粉9.0％，锰铁粉12.0％，Al粉10.0％，B粉4.0％，Co粉2.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，各个原料粉末(C粉、Cr粉、硅铁粉、锰铁粉、Al粉、B粉、Co粉)的粒度均为100目。
步骤2：将步骤1称取的药粉置于真空加热炉内加热，加热温度为350℃，保温时间为2.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm；药芯焊丝药粉填充率为30wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例3制备的激光增材制造用Ni-Cr基焊丝在Q345钢板上进行激光熔覆，激光功率3000W，光斑直径2mm，扫描速度3m/min，送丝速度0.8m/min。
经测试，熔覆层金属的洛氏硬度为58HRC。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料粉：C粉2.0％，Cr粉51.0％，硅铁粉15.0％，锰铁粉13.0％，Al粉8.0％，B粉10.0％，Co粉1.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，各个原料粉末(C粉、Cr粉、硅铁粉、锰铁粉、Al粉、B粉、Co粉)的粒度均为150目。
步骤2：将步骤1称取的药粉置于真空加热炉内加热，加热温度为330℃，保温时间为4h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为4h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm；药芯焊丝药粉填充率为25wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例4制备的激光增材制造用Ni-Cr基焊丝在Q345钢板上进行激光熔覆，激光功率3000W，光斑直径2mm，扫描速度3m/min，送丝速度0.8m/min。
经测试，熔覆层金属的洛氏硬度为46HRC。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料粉：C粉3.0％，Cr粉50.0％，硅铁粉15.0％，锰铁粉15.0％，Al粉9.0％，B粉6.0％，Co粉2.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，各个原料粉末(C粉、Cr粉、硅铁粉、锰铁粉、Al粉、B粉、Co粉)的粒度均为100目。
步骤2：将步骤1称取的药粉置于真空加热炉内加热，加热温度为340℃，保温时间为2.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm；药芯焊丝药粉填充率为30wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例5制备的激光增材制造用Ni-Cr基焊丝在Q345钢板上进行激光熔覆，激光功率3000W，光斑直径2mm，扫描速度3m/min，送丝速度0.8m/min。
经测试，熔覆层金属的洛氏硬度为42HRC。

Claims (6)

1.一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下原料组分组成：C粉1.0～3.0％，Cr粉50.0～70.0％，硅铁粉8.0～15.0％，锰铁粉10.0～15.0％，Al粉5.0～10.0％，B粉4.0～10.0％，Co粉1.0～3.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝，其特征在于，各个原料粉末的粒度均为100～200目。
3.根据权利要求1所述的一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝，其特征在于，焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm；药芯焊丝药粉填充率为25wt.％～30wt.％。
4.一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料粉：C粉2.0％，Cr粉60.0％，硅铁10.0％，锰铁15.0％，Al粉5.0％，B粉5.0％，钴粉3.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的药粉置于真空加热炉内加热，加热温度为300～350℃，保温时间为2.5-4h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3-4h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
5.根据权利要求4所述的一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝的制备方法，其特征在于，步骤1中，各个原料粉末的粒度均为100～200目。
6.根据权利要求4所述的一种激光增材制造用Ni-Cr基焊丝的制备方法，其特征在于，步骤3中，焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.4mm，宽度7mm；药芯焊丝药粉填充率为25wt.％～30wt.％。
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