CN114273815B - 一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝及其制备方法,实心焊丝中合金组分及重量百分比含量(%)为:金属镍7‑10%,金属铬3‑5%,金属钼1.5‑2%,金属铌0.5‑0.8%,硅0.8%,金属锰0.9%,金属铜0.09%,金属铁80.41‑86.21%,按照上述比例将各金属进行混合后,通过真空感应熔炼后,经过锻造、热轧制、退火制成盘条,将上述盘条进行拉丝后,即得到用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝。铁基等轴晶合金材料具有特殊的合金元素成分,结合控制TIG电弧增材过程层间温度的方式抑制了材料凝固过程中固液界面的成分过冷,优化熔池的温度梯度;铁基等轴晶合金材料的微观组织结构为等轴晶结构,具有更高的力学性能和工程应用优势。
Description
技术领域
本发明涉及合金丝材技术领域,更具体地说涉及一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝及其制备方法。
背景技术
针对例如大型发动机和涡轮机等具有复杂结构的大尺寸工程设备,传统的冶金工艺无法满足其成型和生产效率的要求。开模铸造的生产方式会极大地增加制造成本,一模一件的生产模式无法快速满足相关工程设备的个性化需求,粉末烧结无法满足复杂结构工件的成型制备,同时工艺步骤的复杂性和长制备周期会大幅降低生产效率。而电弧增材工艺具有生产周期短、生产效率高以及成本低廉等特点,其熔覆率可达3.0kg/h。相比于传统铸造、锻压、粉末烧结等工艺方法,电弧增材能够高效快速制备结构复杂的大型工程构件,同时无需模具束缚,能够根据工件的结构要求进行直接的参数调整,避免资源浪费。
在电弧增材过程中,由于合金元素成分配比导致合金溶质元素在固液界面的偏析,促使熔池固液界面产生较大的成分过冷,以及熔池凝固过程沿热流方向较大的温度梯度,电弧增材合金材料的组织多为粗大的柱状晶组织,从而降低合金材料的力学性能和应用范围。相比柱状晶材料,等轴晶材料的组织更加细化,具有更多的晶格缺陷能够增加位错阻塞,表现出更加优异的力学性能。专利CN101342580B公开了一种高铬等轴晶材料,通过合金元素成分配比调控获得细小等轴晶组织,但是该材料针对工艺方法为传统铸造法,无法应用于电弧增材的特殊制备环境;专利CN120433467B公开了一种含铬高钨镍基等轴晶合金,通过真空冶炼方式制备等轴晶材料,但是无法应用于电弧增材工艺,同时,专利中较高的Nb添加容易促使元素偏析,产生脆性共晶相,不利于材料的力学性能;专利CN1094022484B公开了一种等轴晶和纳米析出耦合高熵合金,通过粉末冶金烧结工艺制备等轴晶合金,但所公开材料无法应用于电弧增材工艺,不能满足大型复杂结构工件的制备;因此基于合金成分的调控,开发出具有细化组织结构和优异力学性能的等轴晶电弧增材合金材料是目前相关工程领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足,现有的电弧增材存在合金组织结构粗大、力学性能低、使用寿命短的缺点,提供了一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝及其制备方法,本发明制备得到的铁基等轴晶合金材料的微观组织结构为等轴晶结构,具有更高的力学性能和工程应用优势。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝及其制备方法,实心焊丝中合金组分及重量百分比含量(%)为:金属镍7-10%,金属铬3-5%,金属钼1.5-2%,金属铌0.5-0.8%,硅0.8%,金属锰0.9%,金属铜0.09%,金属铁80.41-86.21%,按照上述比例将各金属进行混合后,通过真空感应熔炼后,经过锻造、热轧制、退火制成盘条,将上述盘条进行拉丝工序:第一步,通过机械或者化学方法除去上述盘条的表面氧化层;第二步,进行对上述清洁后的盘条进行粗拉丝;第三步,上述粗丝进行精拉丝,拉丝过程中根据情况进行退火处理,拉丝至直径为1.2-1.5mm的丝材;第四步,丝材镀铜,镀铜前保证上述丝材表面洁净;第五步,上述镀铜后的丝材进行绕丝和包装后,即得到用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝。
实心焊丝中合金组分及重量百分比含量(%)为:金属镍8-9%,金属铬3.5-4.7%,金属钼1.7-1.8%,金属铌0.6-0.7%,硅0.8%,金属锰0.9%,金属铜0.09%,金属铁82.01-84.41%。
一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝进行电弧增材的方法,利用直径为1.2-1.5mm的用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝,采用TIG电弧增材的制造方法,焊接电流为130-140A,焊接速度为1.2-1.5mm/s,送丝速度为1.2-1.5m/min,在增材制造前,对基板进行预热,基板预热温度为150-200℃,基板的层间温度为150-200℃,保护气体采用纯度大于99%的高纯Ar气,最终得到利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属,即铁基等轴晶合金材料。
利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属,即铁基等轴晶合金材料的化学成分重量百分比(%)为:金属镍7.6-8.73%,金属铬3.32-4.56%,金属钼1.61-1.75%,金属铌0.57-0.68%,硅0.76-0.79%,金属锰0.68-0.88%,金属铜0.06-0.09%,金属铁77.8-81.87%。
利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属,即铁基等轴晶合金材料的主要微观组织结构为等轴晶组织。
利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属,即铁基等轴晶合金材料的拉伸强度为824-869MPa。
本发明的有益效果为:与现有的电弧增材合金材料相比,本发明制备得到的铁基等轴晶合金材料具有特殊的合金元素成分,结合控制TIG电弧增材过程层间温度的方式抑制了材料凝固过程中固液界面的成分过冷,优化熔池的温度梯度;相比现有的电弧增材合金的柱状晶组织,本发明制备得到的铁基等轴晶合金材料的微观组织结构为等轴晶结构,具有更高的力学性能和工程应用优势。
附图说明
图1是实施例1制备得到的铁基等轴晶合金材料的金相组织照片;
图2是实施例2制备得到的铁基等轴晶合金材料的金相组织照片;
图3是实施例3制备得到的铁基等轴晶合金材料的金相组织照片;
图4是实施例4制备得到的铁基等轴晶合金材料的金相组织照片;
图5是对比例1制备得到的铁基合金材料的金相组织照片;
图6是对比例2制备得到的铁基合金材料的金相组织照片。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝,按质量百分数计,由以下组分组成:Ni=8,Cr=3.5,Mo=1.7,Nb=0.6,Si=0.8,Mn=0.9,Cu=0.09,Fe=84.41。
一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝的制备方法,按照Ni=8,Cr=3.5,Mo=1.7,Nb=0.6,Si=0.8,Mn=0.9,Cu=0.09,Fe=84.41比例将各金属进行混合后,通过真空感应熔炼、锻造、轧制、拉丝、镀铜、绕丝、包装等工序,最终得到用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料。
具体地,通过真空感应熔炼,再经过锻造、热轧制、退火制成盘条。将盘条进行拉丝工序。第一步,通过机械或化学方法除去盘条表面氧化层;第二步,进行粗拉丝;第三步,进行精拉丝,拉丝过程中根据情况进行退火处理,拉丝至1.2mm直径;第四步,丝材镀铜,镀铜前保证丝材表面洁净,即得到直径为1.2mm的铁基等轴晶合金材料实心焊丝。
利用铁基等轴晶合金材料的实心焊丝进行电弧增材,利用直径为1.2mm的铁基等轴晶合金材料的实心焊丝,采用TIG电弧增材的制造方法,焊接电流为135A,焊接速度为1.5mm/s,送丝速度为1.5m/min,在焊接前,对基板Q345钢板进行预热,基板预热温度为150-200℃,基板的层间温度为150-200℃,保护气体采用纯度大于99%的高纯Ar气,最终得到利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属,即铁基等轴晶合金材料。
利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属的金相组织如附图1所示,利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属的拉伸强度为869MPa。
实施例2
一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝,按质量百分数计,由以下组分组成:Ni=9,Cr=4.7,Mo=1.8,Nb=0.7,Si=0.8,Mn=0.9,Cu=0.09,Fe=82.01。
一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝的制备方法,按照Ni=9,Cr=4.7,Mo=1.8,Nb=0.7,Si=0.8,Mn=0.9,Cu=0.09,Fe=82.01比例将各金属进行混合后,通过真空感应熔炼、锻造、轧制、拉丝、镀铜、绕丝、包装等工序,最终得到用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料。
具体地,通过真空感应熔炼,再经过锻造、热轧制、退火制成盘条。将盘条进行拉丝工序。第一步,通过机械或化学方法除去盘条表面氧化层;第二步,进行粗拉丝;第三步,进行精拉丝,拉丝过程中根据情况进行退火处理,拉丝至1.2mm直径;第四步,丝材镀铜,镀铜前保证丝材表面洁净,即得到直径为1.2mm的铁基等轴晶合金材料实心焊丝。
利用铁基等轴晶合金材料的实心焊丝进行电弧增材,利用直径为1.2mm的铁基等轴晶合金材料的实心焊丝,采用TIG电弧增材的制造方法,焊接电流为135A,焊接速度为1.5mm/s,送丝速度为1.5m/min,在焊接前,对基板Q345钢板进行预热,基板预热温度为150-200℃,基板的层间温度为150-200℃,保护气体采用纯度大于99%的高纯Ar气,最终得到利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属,即铁基等轴晶合金材料。
利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属的金相组织如附图2所示,利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属的拉伸强度为833MPa。
实施例3
一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝,按质量百分数计,由以下组分组成:Ni=8.5,Cr=4,Mo=1.75,Nb=0.65,Si=0.8,Mn=0.9,Cu=0.09,Fe=83.31。
一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝的制备方法,按照Ni=8.5,Cr=4,Mo=1.75,Nb=0.65,Si=0.8,Mn=0.9,Cu=0.09,Fe=83.31比例将各金属进行混合后,通过真空感应熔炼、锻造、轧制、拉丝、镀铜、绕丝、包装等工序,最终得到用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料。
具体地,通过真空感应熔炼,再经过锻造、热轧制、退火制成盘条。将盘条进行拉丝工序。第一步,通过机械或化学方法除去盘条表面氧化层;第二步,进行粗拉丝;第三步,进行精拉丝,拉丝过程中根据情况进行退火处理,拉丝至1.2mm直径;第四步,丝材镀铜,镀铜前保证丝材表面洁净,即得到直径为1.2mm的铁基等轴晶合金材料实心焊丝。
利用铁基等轴晶合金材料的实心焊丝进行电弧增材,利用直径为1.2mm的铁基等轴晶合金材料的实心焊丝,采用TIG电弧增材的制造方法,焊接电流为135A,焊接速度为1.3mm/s,送丝速度为1.3m/min,在焊接前,对基板Q345钢板进行预热,基板预热温度为150-200℃,基板的层间温度为150-200℃,保护气体采用纯度大于99%的高纯Ar气,最终得到利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属,即铁基等轴晶合金材料。
利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属的金相组织如附图3所示,利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属的拉伸强度为851MPa。
实施例4
一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝,按质量百分数计,由以下组分组成:Ni=8,Cr=4.7,Mo=1.75,Nb=0.65,Si=0.8,Mn=0.9,Cu=0.09,Fe=83.11。
一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝的制备方法,按照Ni=8,Cr=4.7,Mo=1.75,Nb=0.65,Si=0.8,Mn=0.9,Cu=0.09,Fe=83.11比例将各金属进行混合后,通过真空感应熔炼、锻造、轧制、拉丝、镀铜、绕丝、包装等工序,最终得到用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料。
具体地,通过真空感应熔炼,再经过锻造、热轧制、退火制成盘条。将盘条进行拉丝工序。第一步,通过机械或化学方法除去盘条表面氧化层;第二步,进行粗拉丝;第三步,进行精拉丝,拉丝过程中根据情况进行退火处理,拉丝至1.3mm直径;第四步,丝材镀铜,镀铜前保证丝材表面洁净,即得到直径为1.3mm的铁基等轴晶合金材料实心焊丝。
利用铁基等轴晶合金材料的实心焊丝进行电弧增材,利用直径为1.3mm的铁基等轴晶合金材料的实心焊丝,采用TIG电弧增材的制造方法,焊接电流为135A,焊接速度为1.4mm/s,送丝速度为1.4m/min,在焊接前,对基板Q345钢板进行预热,基板预热温度为150-200℃,基板的层间温度为150-200℃,保护气体采用纯度大于99%的高纯Ar气,最终得到利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属,即铁基等轴晶合金材料。
利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属的金相组织如附图4所示,利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属的拉伸强度为824MPa。
实施例5
一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝,按质量百分数计,由以下组分组成:Ni=9,Cr=3.5,Mo=1.75,Nb=0.65,Si=0.8,Mn=0.9,Cu=0.09,Fe=83.31。
一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝的制备方法,按照Ni=9,Cr=3.5,Mo=1.75,Nb=0.65,Si=0.8,Mn=0.9,Cu=0.09,Fe=83.31比例将各金属进行混合后,通过真空感应熔炼、锻造、轧制、拉丝、镀铜、绕丝、包装等工序,最终得到用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料。
具体地,通过真空感应熔炼,再经过锻造、热轧制、退火制成盘条。将盘条进行拉丝工序。第一步,通过机械或化学方法除去盘条表面氧化层;第二步,进行粗拉丝;第三步,进行精拉丝,拉丝过程中根据情况进行退火处理,拉丝至1.4mm直径;第四步,丝材镀铜,镀铜前保证丝材表面洁净,即得到直径为1.4mm的铁基等轴晶合金材料实心焊丝。
利用铁基等轴晶合金材料的实心焊丝进行电弧增材,利用直径为1.4mm的铁基等轴晶合金材料的实心焊丝,采用TIG电弧增材的制造方法,焊接电流为140A,焊接速度为1.5mm/s,送丝速度为1.5m/min,在焊接前,对基板Q345钢板进行预热,基板预热温度为150-200℃,基板的层间温度为150-200℃,保护气体采用纯度大于99%的高纯Ar气,最终得到利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属,即铁基等轴晶合金材料。
利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属的拉伸强度为841MPa。
对比例1
一种用于电弧增材制备铁基合金材料的实心焊丝,按质量百分数计,由以下组分组成:Ni=8,Cr=15,Mo=5,Nb=0.6,Si=0.8,Mn=0.9,Cu=0.09,Fe=69.61。
一种用于电弧增材制备铁基合金材料的实心焊丝的制备方法,按照Ni=8,Cr=15,Mo=5,Nb=0.6,Si=0.8,Mn=0.9,Cu=0.09,Fe=69.61比例将各金属进行混合后,通过真空感应熔炼、锻造、轧制、拉丝、镀铜、绕丝、包装等工序,最终得到用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料。
具体地,通过真空感应熔炼,再经过锻造、热轧制、退火制成盘条。将盘条进行拉丝工序。第一步,通过机械或化学方法除去盘条表面氧化层;第二步,进行粗拉丝;第三步,进行精拉丝,拉丝过程中根据情况进行退火处理,拉丝至1.5mm直径;第四步,丝材镀铜,镀铜前保证丝材表面洁净,即得到直径为1.5mm的铁基等轴晶合金材料实心焊丝。
利用铁基合金材料的实心焊丝进行电弧增材,利用直径为1.5mm的铁基合金材料的实心焊丝,采用TIG电弧增材的制造方法,焊接电流为130A,焊接速度为1.2mm/s,送丝速度为1.2m/min,在焊接前,对基板Q345钢板进行预热,基板预热温度为150-200℃,基板的层间温度为150-200℃,保护气体采用纯度大于99%的高纯Ar气,最终得到利用铁基合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属,即铁基合金材料。
利用铁基合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属的金相组织如附图5所示,利用铁基合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属的拉伸强度为769MPa。
对比例2
一种用于电弧增材制备铁基合金材料的实心焊丝,按质量百分数计,由以下组分组成:Ni=9,Mo=1.8,Cu=0.2,Nb=0.7,Si=0.8,Mn=0.9,Cu=0.09,Fe=86.51。
一种用于电弧增材制备铁基合金材料的实心焊丝的制备方法,按照Ni=9,Mo=1.8,Cu=0.2,Nb=0.7,Si=0.8,Mn=0.9,Cu=0.09,Fe=86.51比例将各金属进行混合后,通过真空感应熔炼、锻造、轧制、拉丝、镀铜、绕丝、包装等工序,最终得到用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料。
具体地,通过真空感应熔炼,再经过锻造、热轧制、退火制成盘条。将盘条进行拉丝工序。第一步,通过机械或化学方法除去盘条表面氧化层;第二步,进行粗拉丝;第三步,进行精拉丝,拉丝过程中根据情况进行退火处理,拉丝至1.2mm直径;第四步,丝材镀铜,镀铜前保证丝材表面洁净,即得到直径为1.2mm的铁基等轴晶合金材料实心焊丝。
利用铁基合金材料的实心焊丝进行电弧增材,利用直径为1.2mm的铁基合金材料的实心焊丝,采用TIG电弧增材的制造方法,焊接电流为135A,焊接速度为1.5mm/s,送丝速度为1.5m/min,在焊接前,对基板Q345钢板进行预热,基板预热温度为150-200℃,基板的层间温度为150-200℃,保护气体采用纯度大于99%的高纯Ar气,最终得到利用铁基合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属,即铁基合金材料。
利用铁基合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属的金相组织如附图6所示,利用铁基合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属的拉伸强度为733MPa。
如图5、6所示,对比例1和对比例2中的熔覆金属的显微组织主要是柱状晶和等轴晶的混合结构,其中柱状晶组织为主要的组织结构,而如图1-4所示,实施例1-4中所制备的熔覆金属的显微组织主要由等轴晶组成,等轴晶由于其在材料变形过程中对于位错具有较强的阻碍作用使得材料具有更高的力学性能。
以上对本发明做了示例性的描述,应该说明的是,在不脱离本发明的核心的情况下,任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝,其特征在于:实心焊丝中合金组分及重量百分比含量(%)为:金属镍7-10%,金属铬3-5%, 金属钼1.5-2%, 金属铌0.5-0.8 %, 硅0.8%,金属锰0.9%, 金属铜0.09%,金属铁80.41-86.21%,按照上述比例将各金属进行混合后,通过真空感应熔炼后,经过锻造、热轧制、退火制成盘条,将上述盘条进行拉丝工序:第一步,通过机械或者化学方法除去上述盘条的表面氧化层;第二步,进行对上述清洁后的盘条进行粗拉丝;第三步,上述粗丝进行精拉丝,拉丝过程中根据情况进行退火处理,拉丝至直径为1.2-1.5mm的丝材;第四步,丝材镀铜,镀铜前保证上述丝材表面洁净;第五步,上述镀铜后的丝材进行绕丝和包装后,即得到用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝。
2.根据权利要求1所述的一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝,其特征在于:实心焊丝中合金组分及重量百分比含量(%)为:金属镍8-9%,金属铬3.5-4.7%,金属钼1.7-1.8%, 金属铌0.6-0.7 %, 硅0.8%,金属锰0.9%, 金属铜0.09%,金属铁 82.01-84.41%。
3.一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝的制备方法,其特征在于:实心焊丝中合金组分及重量百分比含量(%)为:金属镍7-10%,金属铬3-5%, 金属钼1.5-2%,金属铌0.5-0.8 %, 硅0.8%,金属锰0.9%, 金属铜0.09%,金属铁80.41-86.21%,按照上述比例将各金属进行混合后,通过真空感应熔炼后,经过锻造、热轧制、退火制成盘条,将上述盘条进行拉丝工序:第一步,通过机械或者化学方法除去上述盘条的表面氧化层;第二步,进行对上述清洁后的盘条进行粗拉丝;第三步,上述粗丝进行精拉丝,拉丝过程中根据情况进行退火处理,拉丝至直径为1.2-1.5mm的丝材;第四步,丝材镀铜,镀铜前保证上述丝材表面洁净;第五步,上述镀铜后的丝材进行绕丝和包装后,即得到用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝。
4.根据权利要求3所述的一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝的制备方法,其特征在于:实心焊丝中合金组分及重量百分比含量(%)为:金属镍8-9%,金属铬3.5-4.7%, 金属钼1.7-1.8%, 金属铌0.6-0.7 %, 硅0.8%,金属锰0.9%, 金属铜0.09%,金属铁 82.01-84.41%。
5.利用如权利要求1或2所述的一种用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝进行电弧增材的方法,其特征在于:利用直径为1.2-1.5mm的用于电弧增材制备铁基等轴晶合金材料的实心焊丝,采用TIG电弧增材的制造方法,焊接电流为130-140A,焊接速度为1.2-1.5mm/s,送丝速度为1.2-1.5m/min,在增材制造前,对基板进行预热,基板预热温度为150-200℃,基板的层间温度为150-200℃,保护气体采用纯度大于99%的高纯Ar气,最终得到利用铁基等轴晶合金材料实心焊丝优化后的熔覆金属,即铁基等轴晶合金材料。
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