CN114632947A - 一种wc硬质合金材料的slm成型方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种WC硬质合金材料的SLM成型方法，包括如下步骤：使用清洁剂对基板表面进行清洁；对成型腔室抽真空；使用保护气体充满成型腔室；对基板进行预热；对硬质合金粉末进行预热，所述硬质合金粉末预热温度与所述基板预热温度相应；将经过预热后的硬质合金粉末进行铺粉；使用激光扫描成型，扫描路径采用层间与层间交替错开扫描；每层扫描采取先扫描区域内部，再扫描轮廓；直至完成成型，并进行热处理。本申请通过本WC硬质合金材料的SLM成型方法，可以获得致密度高的成品，减少粉末融化不全、气隙以及孔洞等一些特殊的成形缺陷，提高成形样件的质量、机械力学性能和部件的服役时间。

Description

一种WC硬质合金材料的SLM成型方法
【技术领域】
本申请涉及硬质合金技术领域，尤其涉及一种WC硬质合金材料的SLM成型方法。
【背景技术】
激光增材制造技术是一种能同时满足高性能成形和精确成形一体化需求的先进制造技术，具有复杂零件一体化成形、生产周期短、产品多样化且不增加成本、精确实体复制等优点，金属激光选区熔化(SLM)是比激光选区烧结(SLS)技术工艺流程更为简单的金属粉末急速成形技术。
硬质复合材料因拥有高硬度、高强度和耐磨性好的特点，常被用于刀具生产的合金材料。在刀具行业里，硬质复合材料有着举足轻重的地位，尤其是在刀具强度要求较高的服役条件下，如难加工材料的高速加工、大面积矿山开采等情况下，硬质复合材料的高耐磨性和高强度性能够得以充分体现。
特别是在加工特殊结构复杂零件上，增材制造的方式拥有传统减材或等材制造无法媲美的优势。如在加工制造具有冷却流道的刀具时，流道一般采取钻孔的方式，直流道存在冷却不均匀且效果不佳的不足。而激光选区熔化成形技术可以生产制造具有复杂随行冷却流道的刀具结构，具有冷却效率高、均匀，刀具零件使用寿命长、切削磨损低等优点。但是，硬质复合材料增材制造成形过程面临的最大问题在于样件打印过程中，邻近的铺粉层之间、激光扫描路径内部熔融池局部区域可能产生一些特殊的成形缺陷，如粉末融化不全、气隙以及孔洞等，这将影响成形样件的质量、机械力学性能和部件的服役使用安全。
目前，研究人员针对激光选区熔化一次成形硬质合金粉末尚未能获得高致密度的成形工艺。
【发明内容】
本申请的目的在于提供一种WC硬质合金材料的SLM成型方法，包括如下步骤：
S01，使用清洁剂对基板表面进行清洁，清除表面的灰尘和脏物，避免对成形件造型影响；
S02，对成型腔室抽真空后充满保护气体，保护气体从成型腔室顶部周侧对称的向成型层的上方喷出，所述保护气体的喷出速度为3.4-5.4m/s，防止氧化的产生，同时形成对称层流效应，形成自上向下的压力；
S03，对基板进行预热，降低激光照射粉末与基板的温度差，减少成形缺陷的产生；
S04，对硬质合金粉末进行预热，硬质合金粉末预热温度与基板预热温度相应，降低激光照射粉末与基底粉末的温度差，减少成形缺陷的产生；
S05，将经过预热后的硬质合金粉末在基板上进行铺粉，形成单层铺粉，铺粉均匀；
S06，使用激光扫描截面轮廓，每层扫描采取先扫描区域内部，再扫描轮廓，激光功率为270-290W，扫描速度为800-1000mm·s-1，扫描间距0.06-0.10mm，保护气体喷出角度保持从成型腔室顶部周侧对称的向当前成型层的上方处喷出；当激光功率较低时，金相组织出现大量粉末未完全熔化，形成了尺寸较大的孔洞和裂纹，孔洞和裂纹随着激光功率增大而减少；扫描速度大小显著影响孔洞和裂纹的大小和分布。成形件X-Z平面可见扫描路径熔化道，纵截面X-Z平面区域熔池搭接形成鱼鳞状形貌；适当地增加激光功率，提高激光输出能量，使粉末充分熔化成形，有利于减少成形缺陷(孔洞和裂纹)的产生；从内向外扫描有助于热量的传递，整层受热均匀，使用此工艺参数加工形成的试样成形致密度高；
S07，重复步骤S05、S06，扫描路径采用层间与层间交替错开扫描，直至完成成型，基板按铺粉厚度下移，保持激光扫描截面高度一定，根据设计需要成型出产品；
S08，对成型品进行热处理，进一步提高成型品的致密度。
进一步地，所述硬质合金粉末的组分及各组分的质量百分比为：5.58％C，12.20％Co，0.05％Fe，0.08％Cr，余量为W，使用此配比的硬质合金粉末效果良好。
进一步地，所述步骤S06中，激光功率为290W，扫描速度为900mm·s-1，扫描间距0.08mm，使用此工艺参数得到的试样致密度最高。
进一步地，所述步骤S07中，层间与层间交替错开扫描的角度为60-75°，使用交替错开扫描的角度，有助于层与层之间的融合，即减少纵截面X-Z平面区域熔池搭接形成鱼鳞状形貌的情况。
进一步地，步骤S02中，成型腔室中的氧含量≤0.1％，成型腔室中的压强为100-120Mpa，尽可能的减少成型腔室中的氧含量，防止氧化的产生，保持成型腔室中的压强有助于层中、层与层之间的融合，提高连接强度。
进一步地，步骤S02中，所述保护气体为氩气，所述氩气纯度为99.99％，氩气是一种惰性气体，在常温下与其他物质均不起化学反应，在高温下也不溶于液态金属中，在焊接有色金属时更能显示其优越性，可以避免合金元素的烧损以及由此而产生的其他焊接缺陷，从而使焊接过程中的冶金反应变得简单而易于控制，以确保焊接的高质量。
进一步地，步骤S01中，所述清洁剂为无水乙醇，所述基板为不锈钢基板，无水乙醇容易清除表面的灰尘和脏物，避免对成形件造型影响；不锈钢基板的熔点高，性能稳定，不影响成型件的性能。
进一步地，步骤S03中，所述不锈钢基板预热温度为110-130℃；降低激光照射粉末与基板的温度差，减少成形缺陷的产生。
步骤S04中，所述硬质合金粉末预热温度为110-130℃，降低激光照射粉末与基底粉末的温度差，减少成形缺陷的产生。
进一步地，步骤S05中，单层铺粉厚度35-45μm，形成单层铺粉，铺粉均匀，所使用的硬质合金粉末粒径刚好也是35-45μm，不会产生上下多层硬质合金粉末的影响。
进一步地，步骤S08包括如下步骤：
S081，从常温开始加热40分钟到800℃；
S082，在800℃保温10分钟；
S083，再次加热40分钟到1200-1300℃；
S084，油淬冷却至常温。
此退火工艺能改变WC12Co硬质合金成型样件Co粘结相的成分和结构，缩短WC晶粒的邻接度，改善了SLM成型样件的性能。
与现有技术相比，本申请有如下优点：
本WC硬质合金材料的SLM成型方法通过使用清洁剂对基板表面进行清洁，清除表面的灰尘和脏物，避免对成形件造型影响；对成型腔室抽真空后充满保护气体，保护气体从成型腔室顶部周侧对称的向成型层的上方喷出，所述保护气体的喷出速度为3.4-5.4m/s，防止氧化的产生，同时形成对称层流效应，形成自上向下的压力；对基板进行预热，降低激光照射粉末与基板的温度差，减少成形缺陷的产生；对硬质合金粉末进行预热，硬质合金粉末预热温度与基板预热温度相应，降低激光照射粉末与基底粉末的温度差，减少成形缺陷的产生；将经过预热后的硬质合金粉末在基板上进行铺粉，形成单层铺粉，铺粉均匀；使用激光扫描截面轮廓，每层扫描采取先扫描区域内部，再扫描轮廓，激光功率为270-290W，扫描速度为800-1000mm·s-1，扫描间距0.06-0.10mm，保护气体喷出角度保持从成型腔室顶部周侧对称的向当前成型层的上方处喷出；当激光功率较低时，金相组织出现大量粉末未完全熔化，形成了尺寸较大的孔洞和裂纹，孔洞和裂纹随着激光功率增大而减少；扫描速度大小显著影响孔洞和裂纹的大小和分布。成形件X-Z平面可见扫描路径熔化道，纵截面X-Z平面区域熔池搭接形成鱼鳞状形貌；适当地增加激光功率，提高激光输出能量，使粉末充分熔化成形，有利于减少成形缺陷(孔洞和裂纹)的产生；从内向外扫描有助于热量的传递，整层受热均匀，使用此工艺参数加工形成的试样成形致密度高；扫描路径采用层间与层间交替错开扫描，直至完成成型，基板按铺粉厚度下移，保持激光扫描截面高度一定，根据设计需要成型出产品；对成型品进行热处理，此退火工艺能改变WC12Co硬质合金成型样件Co粘结相的成分和结构，缩短WC晶粒的邻接度，改善了SLM成型样件的性能；所述硬质合金粉末的组分及各组分的质量百分比为：5.58％C，12.20％Co，0.05％Fe，0.08％Cr，余量为W，使用此配比的硬质合金粉末效果良好。可以获得致密度高的成品，减少粉末融化不全、气隙以及孔洞等一些特殊的成形缺陷，提高成形样件的质量、机械力学性能和部件的服役时间。
【附图说明】
图1为本申请WC12Co硬质合金粉末的微观形貌图。
图2为本申请WC12Co硬质合金粉末颗粒的表面形貌图。
图3为本申请WC12Co硬质合金粉末的粒径分布图。
图4为本申请WC12Co硬质合成型试样图。
图5为本申请热处理工艺流程图。
【具体实施方式】
为让本申请的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本申请并不限于此。
实施例1
如图1-3所示，使用的硬质合金粉末的组分及各组分的质量百分比为：C：5.58％，Co：12.20％，Fe：0.05％，Cr：0.08，W：82.09％；
一种WC硬质合金材料的SLM成型方法，包括如下步骤：
S01，使用无水乙醇对不锈钢基板表面进行清洁；
S02，对成型腔室抽真空后充满保护气体，保护气体从成型腔室顶部周侧对称的向成型层的上方喷出，所述保护气体的喷出速度为3.4m/s；所述保护气体为纯度为99.99％的氩气；使成型腔室中的氧含量≤0.1％，使成型腔室中的压强为120MPa，
S03，对不锈钢基板进行预热至110℃；
S04，对硬质合金粉末进行预热至110℃；
S05，将经过预热后的硬质合金粉末进行铺粉，单层铺粉厚度35μm；
S06，使用激光扫描截面轮廓，每层扫描采取先扫描区域内部，再扫描轮廓，激光功率为270W，扫描速度为800mm·s-1，扫描间距0.06mm，保护气体喷出角度保持从成型腔室顶部周侧对称的向当前成型层的上方处喷出；
S07，重复步骤S05、S06，扫描路径采用层间与层间交替错开扫描，所述层间与层间交替错开扫描的角度为60°，直至完成成型，在增层过程中，调整所述保护气体喷出角度，保持从成型腔室顶部周侧对称的向当前成型层的上方处喷出。
如图4所示，所得试样成形尺寸为10mm×10mm×8mm，试样致密度为90.864％。
实施例2
如图1-3所示，使用的硬质合金粉末的组分及各组分的质量百分比为：C：5.58％，Co：12.20％，Fe：0.05％，Cr：0.08，W：82.09％；
一种WC硬质合金材料的SLM成型方法，包括如下步骤：
S01，使用无水乙醇对不锈钢基板表面进行清洁；
S02，对成型腔室抽真空后充满保护气体，保护气体从成型腔室顶部周侧对称的向成型层的上方喷出，所述保护气体的喷出速度为4.4m/s；所述保护气体为纯度为99.99％的氩气；使成型腔室中的氧含量≤0.1％，使成型腔室中的压强为110MPa，
S03，对不锈钢基板进行预热至120℃；
S04，对硬质合金粉末进行预热至120℃；
S05，将经过预热后的硬质合金粉末进行铺粉，单层铺粉厚度40μm；
S06，使用激光扫描截面轮廓，每层扫描采取先扫描区域内部，再扫描轮廓，激光功率为290W，扫描速度为900mm·s-1，扫描间距0.08mm，保护气体喷出角度保持从成型腔室顶部周侧对称的向当前成型层的上方处喷出；
S07，重复步骤S05、S06，扫描路径采用层间与层间交替错开扫描，所述层间与层间交替错开扫描的角度为67°，直至完成成型，在增层过程中，调整所述保护气体喷出角度，保持从成型腔室顶部周侧对称的向当前成型层的上方处喷出。
如图4所示，所得试样成形尺寸为10mm×10mm×8mm，试样致密度为91.392％。
实施例3
如图1-3所示，使用的硬质合金粉末的组分及各组分的质量百分比为：C：5.58％，Co：12.20％，Fe：0.05％，Cr：0.08，W：82.09％；
一种WC硬质合金材料的SLM成型方法，包括如下步骤：
S01，使用无水乙醇对不锈钢基板表面进行清洁；
S02，对成型腔室抽真空后充满保护气体，保护气体从成型腔室顶部周侧对称的向成型层的上方喷出，所述保护气体的喷出速度为5.4m/s；所述保护气体为纯度为99.99％的氩气；使成型腔室中的氧含量≤0.1％，使成型腔室中的压强为120MPa，
S03，对不锈钢基板进行预热至130℃；
S04，对硬质合金粉末进行预热至130℃；
S05，将经过预热后的硬质合金粉末进行铺粉，单层铺粉厚度45μm；
S06，使用激光扫描截面轮廓，每层扫描采取先扫描区域内部，再扫描轮廓，激光功率为290W，扫描速度为1000mm·s-1，扫描间距0.1mm，保护气体喷出角度保持从成型腔室顶部周侧对称的向当前成型层的上方处喷出；
S07，重复步骤S05、S06，扫描路径采用层间与层间交替错开扫描，所述层间与层间交替错开扫描的角度为75°，直至完成成型，在增层过程中，调整所述保护气体喷出角度，保持从成型腔室顶部周侧对称的向当前成型层的上方处喷出。
如图4所示，所得试样成形尺寸为10mm×10mm×8mm，试样致密度为90.623％。
实施例4
如图1-3所示，使用的硬质合金粉末的组分及各组分的质量百分比为：C：5.58％，Co：12.20％，Fe：0.05％，Cr：0.08，W：82.09％；
一种WC硬质合金材料的SLM成型方法，包括如下步骤：
S01，使用无水乙醇对不锈钢基板表面进行清洁；
S02，对成型腔室抽真空后充满保护气体，保护气体从成型腔室顶部周侧对称的向成型层的上方喷出，所述保护气体的喷出速度为4.4m/s；所述保护气体为纯度为99.99％的氩气；使成型腔室中的氧含量≤0.1％，使成型腔室中的压强为110MPa，
S03，对不锈钢基板进行预热至120℃；
S04，对硬质合金粉末进行预热至120℃；
S05，将经过预热后的硬质合金粉末进行铺粉，单层铺粉厚度40μm；
S06，使用激光扫描截面轮廓，每层扫描采取先扫描区域内部，再扫描轮廓，激光功率为280W，扫描速度为900mm·s-1，扫描间距0.08mm，保护气体喷出角度保持从成型腔室顶部周侧对称的向当前成型层的上方处喷出；
S07，重复步骤S05、S06，扫描路径采用层间与层间交替错开扫描，所述层间与层间交替错开扫描的角度为67°，直至完成成型，在增层过程中，调整所述保护气体喷出角度，保持从成型腔室顶部周侧对称的向当前成型层的上方处喷出。
如图4所示，所得试样成形尺寸为10mm×10mm×8mm，试样致密度为90.947％。
经过上述实施例对比，实施例2的试样致密度为91.392％，最高，采用实施例2的样品进行热处理，热处理工艺流程图如图5所示。
实施例5
S081，从常温开始加热40分钟到800℃；
S082，在800℃保温10分钟；
S083，再次加热40分钟到1150℃；
S084，油淬冷却至常温。
所得试样致密度为91.685％。
实施例6
S081，从常温开始加热40分钟到800℃；
S082，在800℃保温10分钟；
S083，再次加热40分钟到1200℃；
S084，油淬冷却至常温。
所得试样致密度为93.271％。
实施例7
S081，从常温开始加热40分钟到800℃；
S082，在800℃保温10分钟；
S083，再次加热40分钟到1250℃；
S084，油淬冷却至常温。
所得试样致密度为92.416％。
实施例8
S081，从常温开始加热40分钟到800℃；
S082，在800℃保温10分钟；
S083，再次加热40分钟到1300℃；
S084，油淬冷却至常温。
所得试样致密度为92.069％。
实施例9
S081，从常温开始加热40分钟到800℃；
S082，在800℃保温10分钟；
S083，再次加热40分钟到1350℃；
S084，油淬冷却至常温。
所得试样致密度为90.009％。
经过上述实施例对比，实施例6、7、8的试样致密度超过92％，效果较好，实施例9的淬火温度过大，反而增加成型样件的孔洞数量，导致致密度下降。
上述致密度通过如下公式计算：
致密度＝实际密度/理论密度*100％。
理论密度通过阅相关手册获得，实际密度测量方法如下：
假设物体在空气中测得重量为W；在密度为rou0的液体中测得的重量为w，忽略空气的密度，则物体的实际密度rou为：rou＝W/(W-w)*rou0。
本WC硬质合金材料的SLM成型方法通过使用清洁剂对基板表面进行清洁，清除表面的灰尘和脏物，避免对成形件造型影响；对成型腔室抽真空后充满保护气体，保护气体从成型腔室顶部周侧对称的向成型层的上方喷出，所述保护气体的喷出速度为3.4-5.4m/s，防止氧化的产生，同时形成对称层流效应，形成自上向下的压力；对基板进行预热，降低激光照射粉末与基板的温度差，减少成形缺陷的产生；对硬质合金粉末进行预热，硬质合金粉末预热温度与基板预热温度相应，降低激光照射粉末与基底粉末的温度差，减少成形缺陷的产生；将经过预热后的硬质合金粉末在基板上进行铺粉，形成单层铺粉，铺粉均匀；使用激光扫描截面轮廓，每层扫描采取先扫描区域内部，再扫描轮廓，激光功率为270-290W，扫描速度为800-1000mm·s-1，扫描间距0.06-0.10mm，保护气体喷出角度保持从成型腔室顶部周侧对称的向当前成型层的上方处喷出；当激光功率较低时，金相组织出现大量粉末未完全熔化，形成了尺寸较大的孔洞和裂纹，孔洞和裂纹随着激光功率增大而减少；扫描速度大小显著影响孔洞和裂纹的大小和分布。成形件X-Z平面可见扫描路径熔化道，纵截面X-Z平面区域熔池搭接形成鱼鳞状形貌；适当地增加激光功率，提高激光输出能量，使粉末充分熔化成形，有利于减少成形缺陷(孔洞和裂纹)的产生；从内向外扫描有助于热量的传递，整层受热均匀，使用此工艺参数加工形成的试样成形致密度高；扫描路径采用层间与层间交替错开扫描，直至完成成型，基板按铺粉厚度下移，保持激光扫描截面高度一定，根据设计需要成型出产品；对成型品进行热处理，此退火工艺能改变WC12Co硬质合金成型样件Co粘结相的成分和结构，缩短WC晶粒的邻接度，改善了SLM成型样件的性能；所述硬质合金粉末的组分及各组分的质量百分比为：5.58％C，12.20％Co，0.05％Fe，0.08％Cr，余量为W，使用此配比的硬质合金粉末效果良好。可以获得致密度高的成品，减少粉末融化不全、气隙以及孔洞等一些特殊的成形缺陷，提高成形样件的质量、机械力学性能和部件的服役时间。

Claims (10)

1.一种WC硬质合金材料的SLM成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01，使用清洁剂对基板表面进行清洁；
S02，对成型腔室抽真空后充满保护气体，保护气体从成型腔室顶部周侧对称的向成型层的上方喷出，所述保护气体的喷出速度为3.4-5.4m/s；
S03，对基板进行预热；
S04，对硬质合金粉末进行预热，硬质合金粉末预热温度与基板预热温度相应；
S05，将经过预热后的硬质合金粉末在基板上进行铺粉；
S06，使用激光扫描截面轮廓，每层扫描采取先扫描区域内部，再扫描轮廓，激光功率为270-290W，扫描速度为800-1000mm·s-1，扫描间距0.06-0.10mm，保护气体喷出角度保持从成型腔室顶部周侧对称的向当前成型层的上方处喷出；
S07，重复步骤S05、S06，扫描路径采用层间与层间交替错开扫描，直至完成成型；
S08，对成型品进行热处理。
2.根据权利要求1所述的WC硬质合金材料的SLM成型方法，其特征在于，所述硬质合金粉末的组分及各组分的质量百分比为：5.58％C，12.20％Co，0.05％Fe，0.08％Cr，余量为W。
3.根据权利要求1所述的WC硬质合金材料的SLM成型方法，其特征在于，所述步骤S06中，激光功率为290W，扫描速度为900mm·s-1，扫描间距0.08mm。
4.根据权利要求1所述的WC硬质合金材料的SLM成型方法，其特征在于，所述步骤S07中，层间与层间交替错开扫描的角度为60-75°。
5.根据权利要求1所述的WC硬质合金材料的SLM成型方法，其特征在于，步骤S02中，成型腔室中的氧含量≤0.1％，成型腔室中的压强为100-120Mpa。
6.根据权利要求1所述的WC硬质合金材料的SLM成型方法，其特征在于，步骤S02中，所述保护气体为氩气，所述氩气纯度为99.99％。
7.根据权利要求1所述的WC硬质合金材料的SLM成型方法，其特征在于，步骤S01中，所述清洁剂为无水乙醇，所述基板为不锈钢基板。
8.根据权利要求1所述的WC硬质合金材料的SLM成型方法，其特征在于，步骤S03中，所述不锈钢基板预热温度为110-130℃；
步骤S04中，所述硬质合金粉末预热温度为110-130℃。
9.根据权利要求1所述的WC硬质合金材料的SLM成型方法，其特征在于，步骤S05中，单层铺粉厚度35-45μm。
10.根据权利要求1所述的WC硬质合金材料的SLM成型方法，其特征在于，步骤S08包括如下步骤：
S081，从常温开始加热40分钟到800℃；
S082，在800℃保温10分钟；
S083，再次加热40分钟到1200-1300℃；
S084，油淬冷却至常温。
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