CN115301953B - 一种丝粉同步送料增材制造的耐磨材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种丝粉同步送料增材制造的耐磨材料，由丝材和粉材通过同步送料熔覆制得，熔覆过程包括设计打印路径；提供所述丝材被熔化装置沿所述打印路径进行熔覆沉积；提供至少一送粉喷头随所述熔化装置共同移动，所述送粉喷头用于即时向所述丝材熔池中吹入粉材。与现有技术相比，本发明结合了粉料和丝材两种送料模式的优点，在增材制造过程中可以更好的控制材料增强相的成分和比例以及沉积层的厚度，大大提高材料的性能，同时也可以避免丝材制备的限制。可以通过送粉喷头实时调节送粉量以及送料成分，以及设置多个送粉喷头以通入不同种类增强相粉材，减少了原材料的浪费，降低了成本。

Description

一种丝粉同步送料增材制造的耐磨材料

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种丝粉同步送料增材制造的耐磨材料。

背景技术

磨损消耗是材料损耗的主要方式之一，我国每年在工业机械以及其零件的磨损造成的经济损失数额巨大，如煤矿工业中的刮板输送机内槽每年就要用掉6—8万吨的钢板。其中摩擦磨损，腐蚀磨损，疲劳磨损是主要的磨损方式，故而高强度耐磨钢的开发应用无疑对这一方面有着重大意义。

随着现代工业的发展，大型工程机械对于钢材的要求越来越高，其中高强度且耐磨的低合金钢板广泛应用于大型工程机械如水泥罐车、矿山机械、混凝土搅拌机、吊车等，在这些机械的关键部位应用耐磨性能更加突出、寿命更长的钢板，能够极大延长机械工作周期，减少工业成本，也更加符合节能环保的要求。目前耐磨材料的几大应用领域主要有：各种基础重工业工厂如火电厂、煤矿厂、水泥厂，冶金厂等。其主要应用方面如：风机叶轮蜗壳，漏斗衬板，燃烧装置的烧嘴，煤场送料槽内衬，推料机底板，水泥厂的卸料溜槽内衬板等。不止以上部位，在各种装卸场地所需要的吊装、轴承、机轮等部位都需要用到此类钢材。

近些年，一些专家学者为了提高金属器件的耐磨性，从耐磨钢材的成分以及冶炼工艺出发进行研究，获得了一定的进展，但是还存在一些问题。公开号CN110846571A(公布)的中国专利公开的“一种高韧性低合金耐磨钢厚板及其制造方法”，该发明公布了一种耐磨钢的成分为C：0.12％～0.20％，Si：0.10％～0.30％，Mn：0.80％～1.60％，P≤0.012％，S≤0.003％，Cr：0.30％～1.00％，Mo：0.20％～0.60％，Ni：0.80％～1.20％，Nb：0.012％～0.045％，V：0.020％～0.060％，B：0.0008％～0.0025％，N≤0.0040％，O≤0.0025％，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明的耐磨板的主要成分是贝氏体以及片状马氏体，虽然其硬度达到了310HB以上，低温-40℃低温夏比冲击功≥30J，具有良好的耐磨性，但是其硬度无法满足一些比如道岔尖轨、破碎机等的要求。

公开号为CN103160742A的中国发明专利公开的“一种耐磨钢板及其制造方法”，该发明提及的耐磨钢板其化学成分为C：0.60～0.75％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.40～1.20％，P≤0.015％，S≤0.010％，Ni：0.50～1.50％，Cu：0.10～0.50％，Al：0.010～0.080％，0.0010％≤Ca≤0.0080％，N≤0.0080％，O≤0.0080％，H≤0.0004％，其余为Fe和不可避免的杂质。虽然在一定程度上提高了耐磨性，但是，该钢板的硬度为250HB，仍然不能适用于一些对于耐磨性要求较高的领域。

公开号为CN114130818A的中国发明专利公开的“一种提高热轧耐磨钢BH550MC薄规格生产稳定性的制造方法”，该发明通过调整板坯的加热工序、粗轧工序、精轧工序、冷却工序、卷曲工序等工艺流程，提高了耐磨板的生产稳定性。但是这种工艺仅适合大批量大规模的制造，不能根据需要冶炼需要的器件，针对低规模小批量的制作成本很高，不能根据需要直接制造出成品。

此外，现有技术中关于增材制造技术的方法一般为将配置好的丝材或者粉材直接进行熔覆，在一些需要加入增强相粉材的方案中，一般通过在焊丝内部填充增强药粉的方式，直接进行焊丝熔覆，但是该方法一方面存在焊丝制作要求特殊，另一方面由于增强相药粉相对集中，其在材料中的扩散受到影响，因此不利于增强相与基体的充分结合。

综上，本发明的目的在于提供一种可提高增强相粉材性能发挥的增材制造的耐磨材料。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种丝粉同步送料增材制造的耐磨材料，其特征在于：

由丝材和粉材通过同步送料熔覆制得，熔覆过程包括：

设计打印路径，所述打印路径通过计算机根据打印模型进行设计；

提供所述丝材被熔化装置沿所述打印路径进行熔覆沉积；

提供至少一送粉喷头随所述熔化装置共同移动，所述送粉喷头用于即时向所述丝材熔池中吹入粉材，直到熔覆沉积完成所需形状；

其中，所述丝材化学成分和重量百分比为：C≤0.4％、Si≤1.8％，Mn≤2.0％，P≤0.012％，S≤0.012％，Cr≤1.5％，Mo≤0.65％，Ni≤1.0％，和Fe余量；

或者为：C≤0.2％、Si≤0.9％，Mn≤1.4％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.5％，Mo≤0.1％，和Fe余量；

所述粉材中包括WC，所述粉材占所述耐磨材料整体的质量分数介于10-80％。。

在一些实施例中，其中熔化装置采用激光热源，所述激光功率介于500-2000W、2000-6000W、6000-30000W之间，所述激光的扫描速度介于30-300mm/min、300-1200mm/min、1200-6000mm/min。

在一些实施例中，所述丝材的直径介于0.6-3.2mm，所述丝材的送丝速度介于30-500mm/min、500-2000mm/min、2000-10000mm/min，所述粉材的送粉速率介于2-30g/min。

在一些实施例中，所述粉材的尺寸介于40-300μm、750-1200μm。

在一些实施例中，所述设计打印路径的方法包括：

通过三维建模软件建立需要打印部件的所述打印模型；

计算机根据所述打印模型进行切片分层处理以获得逐层的所述打印路径。

在一些实施例中，所述熔化装置包括激光热源、电弧热源、激光电弧复合热源、电子束热源或者等离子热源中的一种或多种的组合。

在一些实施例中，所述进行熔覆沉积过程中采用惰性气体或者真空保护；

所述惰性气体保护包括将惰性气体通入送粉喷头，惰性气体随粉料同时被喷出，所述气体的温度介于20-300℃。

在一些实施例中，还包括完成制件成型之后的热处理。

在一些实施例中，所述粉材包括WC、W、SiC或TiB2中的一种或多种。

基于上述，与现有技术相比，本发明提供的一种丝粉同步送料增材制造的耐磨材料，结合了粉料和丝材两种送料模式的优点，在增材制造过程中可以更好的控制材料增强相的成分和比例以及沉积层的厚度，大大提高材料的性能，同时也可以避免丝材制备的限制。可以通过送粉喷头实时调节送粉量以及送料成分，以及设置多个送粉喷头以通入不同种类增强相粉材，减少了原材料的浪费，降低了成本。

同时，本发明提供的耐磨材料在制造过程中提高了粉材的利用率。本发明并不是直接利用粉材进行熔覆，传统增材制造粉材需要事先铺设，熔覆过程容易被吹散、飞溅而导致利用率较低，本发明中粉材吹入融化的熔池，熔池对粉材具有较强的吸附作用，粉材不容易逃离，进而使得粉材利用率接近100％。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。

图1为本发明实施例丝粉同步送料增材制造过程实施示意图。

附图标记：

1丝材 2熔化装置 3送粉喷头

1a熔池

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。

为达优点至少其中之一或其他优点，本发明提供了一种丝粉同步送料增材制造方法，包括以下步骤：

设计打印路径，所述打印路径通过计算机根据打印模型进行设计；

提供丝材1被熔化装置沿所述打印路径进行熔覆沉积；

如图1所示，提供至少一送粉喷头3随所述熔化装置共同移动，所述送粉喷头3用于即时向所述丝材熔池1a中吹入粉材，直到熔覆沉积完成所需形状。

在一些实施例中，其中，所述设计打印路径的方法包括：

通过三维建模软件建立需要打印部件的所述打印模型；

计算机根据所述打印模型进行切片分层处理以获得逐层的所述打印路径。

其中，熔化装置2包括激光热源或者电弧热源，激光热源以及电弧热源均采用现有增材制造技术中常用手段，电弧热源例如采用最大电流为500A的熔化极电弧电源进行电弧增材制造，将电弧焊枪和基板置于纯Ar气密闭箱体中，使整个熔化沉积成形过程在惰性气体保护下进行(氧含量≤80ppm)，电弧焊枪按规划路径进行熔化沉积。

在一些实施中，进行增材制造过程中可以为无气体保护，也可以采用惰性气体或者真空保护。其中惰性气体和真空保护可以是为增材制造营造密闭的惰性气体或者真空氛围。但本发明不限于此，惰性气体包括还可以将惰性气体通入送粉机构，在实现送粉的同时对熔池实现气氛保护，无需耗费大成本建造密闭气体氛围，在一些实施例中，惰性气体的温度控制在20-300℃。

优选地，在一些实施例中，在上述方法完成熔覆沉积得到工件形状后还包括进行热处理，热处理包括820℃—960℃保温，保温时间为1.25-1.45min/mm，后淬火，然后220℃—280℃保温，保温时间为3.7-4.5min/mm，后空冷。

优选地，在一些实施例中，粉材成分可以根据应用领域性能的要求更改为其他增强相颗粒，比如SiC、TiB2等。较佳地，可以根据应用领域的需求增加送粉喷头3，新加送粉喷头3与原有送粉喷头3均向熔池中吹入增强相颗粒。例如在原有送粉喷头3旁增加一个送粉喷头3，在增材制造过程中增加WC和SiC两种增强相。除此之外，可以根据需求，可以自行调节每个送粉喷头中粉材的粒度。

本发明结合了粉料和丝材两种送料模式的优点，在增材制造过程中可以更好的控制钢材增强相的成分和比例以及沉积层的厚度，大大提高材料的性能，同时也可以避免粉料的污染以及丝材制备的限制。

本发明成分控制简单，可以根据实际情况实时调节送粉量以及送料成分，从而改变金属基体的组成，极大的提高了金属器件的强度以及耐磨性能，较好的延长金属器件的服役性能，减少了原材料的浪费，降低了成本。

本发明不仅可以通过增材制造直接制造出设计模型，也可以对增材制造器件进行激光表面熔覆，并进行热处理工艺，可以大大提高增材制造器件的性能。除直接制造出的增材制造器件外，也可以直接对金属器件进行激光表面熔覆，增强金属器件的服役性能，应用用途广泛。

对比现有技术，本发明通过对元素配比进行优化，得到的耐磨材料性能良好，并且可以根据需要制造不同耐磨性能的器件，制造灵活，进行小批量小规模的生产成本低，污染小，适合推广。

本发明还提供一种采用如上任一所述的丝粉同步送料增材制造方法制得的耐磨材料，

其中，在一些实施例中，丝材的化学成分和重量百分比可以为：C≤0.4％、Si≤1.8％，Mn≤2.0％，P≤0.012％，S≤0.012％，Cr≤1.5％，Mo≤0.65％，Ni≤1.0％，和Fe余量；

在另一些实施例中，丝材的化学成分和重量百分比可以为：C≤0.2％、Si≤0.9％，Mn≤1.4％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.5％，Mo≤0.1％，和Fe余量；但不限于此，本发明的目的在于通过丝粉同步送料的方式使得增强相更好的与基材相结合，本发明适用的丝材除了上述铁基耐磨钢和普通铁基钢材以外，还可以应用于其他合金钢材。

粉材中包括WC，碳化钨粉材可以是纯碳化钨粉末或者纯度在99％以上的碳化钨粉末。

碳化钨相对分子质量195.86。相对密度15.6(18/4℃),熔点2600℃,沸点6000℃,莫氏硬度9。WC与铁基金属的润湿角为0，与金属基体冶金结合较好，并且相比其他碳化物要容易获得，经济成本低。因此本实施例中选择WC作为增强相。

在一些实施例中，其中熔化装置采用激光热源，所述激光功率介于500-2000W、2000-6000W或6000-30000W之间，可根据实际需要选择适用的功率所述激光的扫描速度介于30-300mm/min、300-1200mm/min、1200-6000mm/min。所述丝材的直径介于0.6-3.2mm，所述丝材的送丝速度介于30-500mm/min、500-2000mm/min、2000-10000mm/min，粉材尺寸介于40-300μm、750-1200μm，粉材占熔覆金属整体质量分数不超过80％。

以下通过具体实施例进一步说明本发明提供的耐磨材料。

实施例一：

本实施例的一种耐磨钢材的的制造方式，包括以下步骤：

第一步：在计算机中进行建模，并根据模型需要预留加工余量与变形余量。

第二步：配置丝材成分为C：0.25％、Si：1.0％、Mn：1.3％、Cr：0.5％、Ni：0.2％、Al：0.015％、P：0.01％、S：0.005％、和Fe余量。为了减少激光损失，部分元素比目标含量稍高，丝材直径为1.2mm。

第三步：配置WC粉材。WC粉材的尺寸范围150-300μm。

第四步：进行增材制造，向熔池中吹入WC粉材，在打印过程中采取氮气保护，激光功率3000W，扫描速率420mm/min，送丝速率2500mm/min，送粉率100g/min。

第五步：淬火加回火工艺的热处理工艺，其中淬火制度为加热至910℃保温时间为1.3min/mm后水冷，回火制度为加热至220℃保温时间4min/mm后空冷。

第六步：根据目标制件进行后续加工。

实验例二：

本实施例的一种耐磨钢材的的制造方式，包括以下步骤：

第一步：在计算机中进行建模，并根据模型需要预留加工余量与变形余量。

第二步：配置丝材成分为C：0.20％、Si：0.35％、Mn：1.35％、Cr：0.35％、Ti：0.027％、B：0.0012％、Al：0.035％、P≤0.020％、S≤0.003％、和Fe余量。为了减少激光损失，部分元素比目标含量稍高，丝材直径为1.2mm。

第三步：配置WC粉材。WC粉材的粒径为300目。

第四步：在打印熔覆过程中采取氩气保护，向熔池中吹入WC粉材，激光功率1500W，扫描速率300mm/min，送丝速率1.2m/min，送粉率15g/min。

第五步：采取940℃淬火1.4min/mm后水冷，250℃回火4.2min/mm后空冷的热处理工艺。

第六步：根据模型进行切削与打磨。

实验例三：

本实施例的一种耐磨钢材的的制造方式，包括以下步骤：

第一步：在计算机中进行建模，并根据模型需要预留加工余量与变形余量。

第二步：配置丝材成分为C：0.23％、Si：0.35％、Mn：1.50％、Cr：0.37％、Ti：0.035％、B：0.0020％、Al：0.045％、P≤0.018％、S≤0.003％、和Fe余量。为了减少激光损失，部分元素比目标含量稍高，丝材直径为1.2mm。

第三步：配置WC粉材。WC粉材的粒径为200目。

第四步：在打印熔覆过程中采取真空保护，向熔池中吹入WC粉材，激光功率3000W，扫描速率400mm/min，送丝速率1.8m/min，送粉率20g/min。

第五步：采取880℃淬火1.45min/mm后水冷，280℃回火4.5min/mm后空冷的热处理工艺。

第六步：根据模型进行切削与打磨。

实施例四：

本实施例还可以直接采用激光熔覆技术，在成品器件表面堆积形成新的复合涂层，以增强器件的硬度，抗拉强度以及耐磨性。下面以Q235钢板为例进行说明。

第一步：配置丝材成分。丝材的成分是C：0.195％、Si：0.37％、Mn：1.47％、Cr：0.27％、Ti：0.033％、B：0.0022％、Al：0.044％、P≤0.018％、S≤0.003％、和Fe余量，丝材直径为1.2mm。

第二步：配置粉材成分。粉材成分为WC，颗粒粒度230目。

第三步：对Q235钢板进行表面处理，除去杂质。

第四步：进行激光熔覆，向熔池中吹入WC粉材。激光功率2300W，扫描速率300mm/min，送丝速率1.4m/min，送粉率25g/min。

对以上实施例1-4的产品进行测试，测试方法参考GB/T39254-2020《增材制造金属制件机械性能评价通则》，在室温件下，采用UMT-3摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，试验条件为：加载载荷10kg，磨损时间30min，磨损频率10HAZ，对磨材料为GCr15钢球(55HRC)。测试结果见表1。

表1

	室温相对耐磨性
		实施例一	相对NM450为2.5倍
实施例二	相对NM450为2.1倍
		实施例三	相对NM450为2倍
实施例四	相对NM450为1.2倍

在传统的碳化钨耐磨材料或者碳化钨耐磨层的制作方法中，一般是将碳化钨粉末铺设于待强化表面之上，然后进行高温烧结形成耐磨材料层。但是该方法存在的问题是无法将碳化钨和铁基材料进行良好的结合。在一些对于耐磨性能要求不高的应用场合中，使用纯碳化钨耐磨材料造成了成本的无畏浪费。采用本发明提供的方法，可以根据耐磨性能的实际需要控制耐磨材料中的碳化钨含量，以便于试验得出具有最适宜碳化钨含量的耐磨材料，在成本和性能的需求上达到最优解，以控制材料成本。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的一种丝粉同步送料增材制造方法以及耐磨材料，结合了粉料和丝材两种送料模式的优点，在增材制造过程中可以更好的控制材料增强相的成分和比例以及沉积层的厚度，大大提高材料的性能，同时也可以避免丝材制备的限制。可以通过送粉喷头实时调节送粉量以及送料成分，以及设置多个送粉喷头以通入不同种类增强相粉材，减少了原材料的浪费，降低了成本。

同时，本发明提供的耐磨材料在制造过程中提高了粉材的利用率。本发明并不是直接利用粉材进行熔覆，传统增材制造粉材需要事先铺设，熔覆过程容易被吹散、飞溅而导致利用率较低，本发明中粉材吹入融化的熔池，熔池对粉材具有较强的吸附作用，粉材不容易逃离，进而使得粉材利用率接近100％。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种丝粉同步送料增材制造的耐磨材料，其特征在于，由丝材和粉材通过同步送料熔覆制得，熔覆过程包括：

设计打印路径，所述打印路径通过计算机根据打印模型进行设计；

提供所述丝材被熔化装置沿所述打印路径进行熔覆沉积；

提供至少一送粉喷头随所述熔化装置共同移动，所述送粉喷头用于即时向所述丝材熔池中吹入粉材，直到熔覆沉积完成所需形状；

其中，所述丝材化学成分和重量百分比为：C≤0.4％、Si≤1.8％，Mn≤2.0％，P≤0.012％，S≤0.012％，Cr≤1.5％，Mo≤0.65％，Ni≤1.0％，和Fe余量；

或者为：C≤0.2％、Si≤0.9％，Mn≤1.4％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.5％，Mo≤0.1％，和Fe余量；

所述粉材中包括WC，所述粉材占所述耐磨材料整体的质量分数介于10-80％,所述粉材的尺寸介于40-300μm、750-1200μm。

2.根据权利要求1所述的丝粉同步送料增材制造的耐磨材料，其特征在于：其中熔化装置采用激光热源，所述激光功率介于500-2000W、2000-6000W、6000-30000W之间，所述激光的扫描速度介于30-300mm/min、300-1200mm/min、1200-6000mm/min。

3.根据权利要求1所述的丝粉同步送料增材制造的耐磨材料，其特征在于：所述丝材的直径介于0.6-3.2mm，所述丝材的送丝速度介于30-500mm/min、500-2000mm/min、2000-10000mm/min，所述粉材的送粉速率介于2-30g/min。

4.根据权利要求1所述的丝粉同步送料增材制造的耐磨材料，其特征在于：所述设计打印路径的方法包括：

通过三维建模软件建立需要打印部件的所述打印模型；

计算机根据所述打印模型进行切片分层处理以获得逐层的所述打印路径。

5.根据权利要求1所述的丝粉同步送料增材制造的耐磨材料，其特征在于：所述熔化装置包括激光热源、电弧热源、激光电弧复合热源、电子束热源或者等离子热源中的一种或多种的组合。

6.根据权利要求1所述的丝粉同步送料增材制造的耐磨材料，其特征在于：所述进行熔覆沉积过程中采用惰性气体或者真空保护；

所述惰性气体保护包括将惰性气体通入送粉喷头，惰性气体随粉料同时被喷出，所述气体的温度介于20-300℃。

7.根据权利要求1所述的丝粉同步送料增材制造的耐磨材料，其特征在于：还包括完成制件成型之后的热处理。

8.根据权利要求1所述的丝粉同步送料增材制造的耐磨材料，其特征在于：所述粉材包括WC、W、SiC或TiB2中的一种或多种。