CN115415520B - 一种梯度异质合金壳体固态增材制造装置及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梯度异质合金壳体固态增材制备装置及制备方法，步骤如下：1)空心圆柱作为固态增材工具；2)将头部、过渡段和尾部原材料依次从固态增材工具上端孔内挤入；3)设置加热结构加热温度；4)高温原材料从固态增材工具下端挤出，固态增材工具旋转并向下施加压力载荷，原材料发生剧烈塑性变形，同时固态增材工具平行移动，按照壳体结构路径逐层增材，完成整个梯度异质合金壳体增材成形。本发明制备方法，增材原材料在扭转和垂直载荷的共同作用下能够发生剧烈塑性变形，同时固态增材工具按照壳体周向路径平行移动，然后根据各部位结构路径逐层增材，能够得到过渡段长度、合金成分可控、强度高的梯度异质合金壳体。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料制备技术领域，具体而言，涉及一种梯度异质合金壳体固态增材制造装置及制造方法。
背景技术
随着现代工业的发展，为进一步提高产品服役性能，某些筒形壳体产品设计为轴向异质合金结构，如图1所示，即头部采用一种合金，尾部采用另一种合金制造，中间存在一定长度由至少两种金属材料组成且呈现成分梯度的过渡结构。如头部采用钨合金或超高强度钢，尾部采用高强钢或钛合金制造的异质合金壳体结构，在服役过程中头部能承受更大的冲击载荷，尾部材料成本更低、密度更小，能提高机动性能并降低制造费用，中间采用梯度过渡结构，实现与头部、尾部材料的冶金结合，防止壳体结构在服役过程中脱落、断裂等。目前，工业制造领域对异质合金壳体需求增大，其高性能制造成为新时期的重要战略需求。
对于具有梯度过渡特征的异质合金壳体的加工制造，传统方法主要有以下三种：一是采用钎焊方式，首先用头部合金材料和尾部合金材料分别加工成各自形状，将裁切的钎料片置于头部和尾部中间，设置钎焊炉温度在钎料熔点以上，保持一段时间，钎料融化并填充头部和尾部中间缝隙，实现异质合金头部和尾部的焊接连接。二是采用惯性摩擦焊方式，首先用头部合金材料和尾部合金材料分别加工成各自形状，置于惯性摩擦焊机上，在高速旋转和轴向进给条件下接触面摩擦产生高温并实现焊接连接。三是采用扩散焊接方式，首先用头部合金材料和尾部合金材料分别加工成各自形状，在高温保护气氛下沿轴向施加压力并保持一段时间，头部材料和尾部材料通过高温扩散实现扩散连接。以上三种制造方式均为焊接方法，其缺点是焊缝无法形成较长段的具有合金元素梯度过渡特征的结构，冶金段较窄，焊缝强度较低，导致壳体在服役时容易发生断裂。目前增材制造方法在金属构件加工制造领域应用广泛，可实现复杂构件的定制化设计制造，但金属材料需要重熔凝固，因此面临铸态组织、气孔、应力开裂等问题，无法实现异质合金壳体的高性能制造。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有工艺难以实现具有梯度过渡特征的异质合金壳体高质量制备，目的在于提供一种梯度异质合金壳体固态增材制造装置及制造方法，头部材料、过度材料和尾部材料依次在高温及固态增材工具压力、扭矩载荷条件下发生塑性变形，各部位逐渐增材成形，实现异质合金壳体高性能整体增材成形；同时可实现异质合金过渡段梯度成分的定量调控，从而提升异质合金壳体的性能。
本发明通过下述技术方案实现：
一种梯度异质合金壳体固态增材制造装置，包括固态增材工具、增材基板和驱动结构；
所述固态增材工具呈竖直设置的空心圆柱结构，所述固态增材工具的下端内部设置有加热结构；梯度异质合金壳体原材料依次从固态增材工具上端孔挤入，经过加热结构加热并从下端孔挤出；所述增材基板水平设置在固态增材工具下端面的下方；所述驱动结构能够驱动固态增材工具沿着增材基板水平旋转、并按照壳体周向路径平行移动并垂直于增材基板施加向下载荷，以使挤出的原材料在增材基板上增材成形。
本发明采用的制造装置，将异质合金的增材原材料依照顺序挤入到空心圆柱中，经过加热结构高温加热后从底端挤出，然后利用固态增材工具旋转产生的扭转载荷结合向下载荷，能够使原材料发生剧烈塑性变形，同时固态增材工具按照壳体周向路径平行移动，在增材基板上形成一定厚度的单层合金材料，然后根据各部位结构路径逐层增材，能够得到过渡段长度、合金成分可控、强度高的梯度异质合金壳体。
进一步的，所述固态增材工具采用钨铼合金或立方氮化硼制得，具有良好的耐高温耐磨性能，所述增材基板采用与梯度异质合金壳体头部材料相同的材料制得，在保证耐高温耐磨性的前提下，能够避免增材基板与头部材料在高温作用下发生材料扩散导致头部掺杂。
进一步的，所述加热结构采用激光、电或磁加热形式。
本发明还提供一种梯度异质合金壳体固态增材制造方法，包括如下步骤：
(1)采用钨铼合金或立方氮化硼加工制成空心圆柱结构的固态增材工具，选用异质合金壳体头部材料加工成增材基板，固态增材工具下端与钢质增材基板齐平并保持一定间距；
(2)将梯度异质合金壳体头部材料粉末作为增材原材料，从固态增材工具上端孔内挤压输入；
(3)设置加热结构加热温度，对挤入的增材原材料进行加热；
(4)固态增材工具旋转并向下施加压力载荷，高温原材料从固态增材工具下端挤出，在高温、载荷条件下发生剧烈塑性变形，同时固态增材工具按照壳体周向路径平行移动，在增材基板上形成一定厚度的单层头部合金材料；
(5)按照头部结构路径逐层增材，实现梯度异质合金壳体整个头部结构的成形；
(6)更换增材原材料，以梯度异质合金壳体过渡段材料、尾部材料依次作为增材原材料，重复步骤(2)～(5)，实现过渡段和尾部的成形，完成整个梯度异质合金壳体增材成形。
本发明的制造方法，利用空心圆柱结构实现梯度异质合金壳体头部、过渡段和尾部材料的依次连续输送及加热，加热后的材料粉末挤到增材基板上的瞬间，高温金属粉末受到固态增材工具旋转产生的扭转载荷，同时受到固态增材工具向下的垂直载荷；即在扭转和垂直载荷的共同作用下，固态增材工具能够对金属粉末起到挤压研磨作用，使高温金属粉末发生剧烈塑性变形，最后随着固态增材工具按照壳体周向路径平行移动，从而逐渐完成头部、过渡段和尾部的增材成形；本发明通过固态增材成形的方式实现梯度异质合金壳体的制备，整个过程未发生金属材料的重熔凝固，因此避免了铸态组织和气孔等问题，且层与层之间通过大塑性变形与高温条件实现可靠冶金结合，可实现异质合金壳体高性能整体增材成形，层与层之间结合强度高，避免了应力开裂，同时本发明可实现异质合金过渡段梯度过渡段长度、成分的定量调控。
进一步的，根据过渡段长度、单层增材厚度、以及合金元素在过渡段沿轴线的分布函数，计算过渡段单层各合金元素成分比例，其中，合金元素在过渡段沿轴线的分布函数为f(x)，则第n(n≤L/t)层过渡段中头部合金成分占比为f(nt)，尾部合金成分占比为1-f(nt)，其中L为过渡段长度，t为单层增材厚度；按照上述比例采用各合金粉末混合配制过渡段第n层增材原材料，并按照步骤(2)～(4)增材过渡段的第n层材料。
其中，分布函数为f(x)跟成分梯度设计相关，不同的需求有不同的成分梯度，也就有不同的函数关系f(x)，可以是线性的例如1-0.1x，也可以是非线性的例如1-e^x/10。
本发明按照上述方式实现过渡段合金成分的调控，能够提高过渡段的强度，保证整个梯度异质合金壳体的性能。
进一步的，加热结构的加热温度为室温～1500℃。
进一步的，固态增材工具的旋转速度为150～800rpm，平移速度为300～600mm/min，固态增材工具向下施加的压力载荷为5～30kN。
以上参数根据需要制备的材料成分以及成分梯度需求等进行实际选择。
进一步的，固态增材工具下端与增材基板之间的制备区域、加热结构均全程吹入氩气，能够防止高温金属粉末的氧化。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明实施例提供的一种梯度异质合金壳体固态增材制造装置及制造方法，将异质合金的增材原材料依照顺序挤入到空心圆柱中，经过加热结构高温加热后从底端挤出，在扭转和垂直载荷的共同作用下，固态增材工具能够对金属粉末起到挤压研磨作用，使原材料发生剧烈塑性变形，同时固态增材工具按照壳体周向路径平行移动，在增材基板上形成一定厚度的单层合金材料，然后根据各部位结构路径逐层增材，能够得到过渡段长度、合金成分可控、强度高的梯度异质合金壳体；
2、本发明实施例提供的一种梯度异质合金壳体固态增材制造装置及制造方法，整个过程未发生金属材料的重熔凝固，避免了重熔凝固造成铸态组织和气孔等问题，且层与层之间通过大塑性变形与高温条件实现可靠冶金结合，可实现异质合金壳体高性能整体增材成形，层与层之间结合强度高，制得的梯度异质合金壳体残余应力小、组织结构致密、不易开裂，大大提升了材料性能；
3、本发明实施例提供的一种梯度异质合金壳体固态增材制造装置及制造方法，利用合金元素在过渡段沿轴线的分布函数f(x)，计算过渡段单层各合金元素成分比例，能够实现过渡段合金成分的定量调控提高过渡段的强度，保证整个梯度异质合金壳体的性能；
4、本发明实施例提供的一种梯度异质合金壳体固态增材制造装置及制造方法，采用金属原材料粉末挤入空心圆柱结构的方式进行送料，能够实现原材料的连续送料，保证整个增材过程的连续性以及梯度异质合金壳体整体结构的一体性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提供的梯度异质合金壳体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的壳体头部增材示意图；
图3为本发明实施例提供的梯度异质合金壳体过渡段头部合金成分占比函数示意图；
图4为本发明实施例提供的壳体过渡段增材示意图；
图5为本发明实施例提供的壳体尾部增材示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1-图5所示，本发明实施例提供一种梯度异质合金壳体固态增材制造装置，包括固态增材工具、增材基板和驱动结构；
所述固态增材工具呈竖直设置的空心圆柱结构，所述固态增材工具的下端内部设置有加热结构；梯度异质合金壳体原材料依次从固态增材工具上端孔挤入，经过加热结构加热并从下端孔挤出；所述增材基板水平设置在固态增材工具下端面的下方；所述驱动结构能够驱动固态增材工具沿着增材基板水平旋转、并按照壳体周向路径平行移动并垂直于增材基板施加向下载荷，以使挤出的原材料在增材基板上增材成形。
本发明采用的制造装置，将异质合金的增材原材料依照顺序挤入到空心圆柱中，经过加热结构高温加热后从底端挤出，然后利用固态增材工具旋转产生的扭转载荷结合向下载荷，能够使原材料发生剧烈塑性变形，同时固态增材工具按照壳体周向路径平行移动，在增材基板上形成一定厚度的单层合金材料，然后根据各部位结构路径逐层增材，能够得到过渡段长度、合金成分可控、强度高的梯度异质合金壳体。
优选的，所述固态增材工具采用钨铼合金或立方氮化硼制得，具有良好的耐高温耐磨性能，所述增材基板采用与梯度异质合金壳体头部材料相同的材料制得，在保证耐高温耐磨性的前提下，能够避免增材基板与头部材料在高温作用下发生材料扩散导致头部掺杂。
优选的，所述加热结构采用激光、电或磁加热形式。
实施例2
本发明实施例还提供一种梯度异质合金壳体固态增材制造方法，包括如下步骤：
(1)采用钨铼合金或立方氮化硼加工制成空心圆柱结构的固态增材工具，选用异质合金壳体头部材料加工成增材基板，固态增材工具下端与钢质增材基板齐平并保持一定间距；
(2)将梯度异质合金壳体头部材料粉末作为增材原材料，从固态增材工具上端孔内挤压输入；
(3)设置加热结构加热温度，对挤入的增材原材料进行加热；
(4)固态增材工具旋转并向下施加压力载荷，高温原材料从固态增材工具下端挤出，在高温、载荷条件下发生剧烈塑性变形，同时固态增材工具按照壳体周向路径平行移动，在增材基板上形成一定厚度的单层头部合金材料；
(5)按照头部结构路径逐层增材，实现梯度异质合金壳体整个头部结构的成形；
(6)更换增材原材料，以梯度异质合金壳体过渡段材料、尾部材料依次作为增材原材料，重复步骤(2)～(5)，实现过渡段和尾部的成形，完成整个梯度异质合金壳体增材成形。
本发明的制造方法，利用空心圆柱结构实现梯度异质合金壳体头部、过渡段和尾部材料的依次连续输送及加热，加热后的材料粉末挤到增材基板上的瞬间，高温金属粉末受到固态增材工具旋转产生的扭转载荷，同时受到固态增材工具向下的垂直载荷；即在扭转和垂直载荷的共同作用下，固态增材工具能够对金属粉末起到挤压研磨作用，使高温金属粉末发生剧烈塑性变形，最后随着固态增材工具按照壳体周向路径平行移动，从而逐渐完成头部、过渡段和尾部的增材成形；本发明通过固态增材成形的方式实现梯度异质合金壳体的制备，整个过程未发生金属材料的重熔凝固，因此避免了铸态组织和气孔等问题，且层与层之间通过大塑性变形与高温条件实现可靠冶金结合，可实现异质合金壳体高性能整体增材成形，层与层之间结合强度高，避免了应力开裂，同时本发明可实现异质合金过渡段梯度过渡段长度、成分的定量调控。
进一步的，根据过渡段长度、单层增材厚度、以及合金元素在过渡段沿轴线的分布函数，计算过渡段单层各合金元素成分比例，其中，合金元素在过渡段沿轴线的分布函数为f(x)，则第n(n≤L/t)层过渡段中头部合金成分占比为f(nt)，尾部合金成分占比为1-f(nt)，其中L为过渡段长度，t为单层增材厚度；按照上述比例采用各合金粉末混合配制过渡段第n层增材原材料，并按照步骤(2)～(4)增材过渡段的第n层材料。
本发明按照上述方式实现过渡段合金成分的调控，能够提高过渡段的强度，保证整个梯度异质合金壳体的性能。
实施例3
本发明实施例提供的一种头部90W-7Ni-3Fe钨合金，尾部35CrMnSiA高强钢的梯度异质壳体固态增材成形的制造方法，具体步骤如下：
(1)选用立方氮化硼加工成中空的固态增材工具，选用钨合金加工成增材基板，固态增材工具下端面与基板齐平并保持0.1mm距离；
(2)选用90W-7Ni-3Fe钨合金粉末作为增材原材料，以一定速率(能否补充具体数值)从固态增材工具上端入口挤入；
(3)在固态增材工具下段采用感应加热方式加热工具本体及内部90W-7Ni-3Fe钨合金粉末至1350℃；
(4)固态增材工具垂直于基板施加载荷15kN，并按照壳体周向路径以750rpm旋转、600mm/min平移，高温90W-7Ni-3Fe钨合金粉末从增材工具下端口挤出后，在基板上增材成形出一层钨合金材料；
(5)按照头部结构路径逐层增材，实现整个90W-7Ni-3Fe钨合金头部结构的成形；
(6)过渡段长度为10mm，单层增材厚度为0.1mm，分布函数为f(x)＝1-0.1x，则第n(n≤L/t)层90W-7Ni-3Fe钨合金成分占比为1-0.01n，35CrMnSiA高强钢成分占比为0.01n，按照该比例采用各合金粉末混合配制第n层增材原材料，并增材成形出第n层合金材料；
(7)按照过渡段结构路径以及步骤(6)中每一层合金成分占比，在感应加热温度1100℃、固态增材工具垂直载荷15-10kN、750-400rpm转速、600-400mm/min平移速率条件下逐层增材，实现整个梯度成分过渡段的成形；
(8)采用35CrMnSiA高强钢粉末作为增材原材料，按照尾部结构路径，在感应加热温度1000℃、固态增材工具垂直载荷10kN、400rpm转速、400mm/min平移速率条件下逐层增材，实现整个尾部的成形；
(9)完成钨合金-高强钢异质合金壳体增材成形后，对整个壳体进行去应力退火，35CrMnSiA高强钢尾部采用感应加热局部淬火实现强度提升。
通过上述工艺制备的异质合金壳体，过渡段厚度10mm，经分析测试表征，过渡段基体内部含有WC、FeW3C等硬质相，90W-7Ni-3Fe头部强度达到975MPa，过渡段强度达到895MPa，35CrMnSiA尾部达到1620MPa，过渡段强度超过传统焊接接头强度(500～600MPa)，残余应力＜400MPa。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种梯度异质合金壳体固态增材制造方法，其特征在于，制造装置包括固态增材工具、增材基板和驱动结构；
所述固态增材工具呈竖直设置的空心圆柱结构，所述固态增材工具的下端内部设置有加热结构；梯度异质合金壳体原材料依次从固态增材工具上端孔挤入，经过加热结构加热并从下端孔挤出；
所述增材基板水平设置在固态增材工具下端面的下方；
所述驱动结构能够驱动固态增材工具沿着增材基板水平旋转、并按照壳体周向路径平行移动并垂直于增材基板施加向下载荷，以使挤出的原材料在增材基板上增材成形；
制备包括如下步骤：
（1）采用钨铼合金或立方氮化硼加工制成空心圆柱结构的固态增材工具，选用异质合金壳体头部材料加工成增材基板，固态增材工具下端与钢质增材基板齐平并保持一定间距；
（2）将梯度异质合金壳体头部材料粉末作为增材原材料，从固态增材工具上端孔内挤压输入；
（3）设置加热结构加热温度，对挤入的增材原材料进行加热；
（4）固态增材工具旋转并向下施加压力载荷，高温原材料从固态增材工具下端挤出，在高温、载荷条件下发生剧烈塑性变形，同时固态增材工具按照壳体周向路径平行移动，在增材基板上形成一定厚度的单层头部合金材料；
（5）按照头部结构路径逐层增材，实现梯度异质合金壳体整个头部结构的成形；
（6）更换增材原材料，以梯度异质合金壳体过渡段材料、根据过渡段长度、单层增材厚度、以及合金元素在过渡段沿轴线的分布函数，计算过渡段单层各合金元素成分比例；
合金元素在过渡段沿轴线的分布函数为f(x)，则第n（n≤L/t）层过渡段中头部合金成分占比为f(nt)，尾部合金成分占比为1- f(nt)，其中L为过渡段长度，t为单层增材厚度；
按照上述比例采用各合金粉末混合配制过渡段第n层增材原材料，并按照步骤（2）~（4）增材过渡段的第n层材料，实现过渡段的成形；
最后以尾部材料依次作为增材原材料，重复步骤（2）~（5），实现过渡段和尾部的成形，完成整个梯度异质合金壳体增材成形。
2.根据权利要求1所述的一种梯度异质合金壳体固态增材制造方法，其特征在于，所述加热结构采用激光、电或磁加热形式。
3.根据权利要求1所述的一种梯度异质合金壳体固态增材制造方法，其特征在于，加热结构的加热温度为室温~1500℃。
4.根据权利要求1所述的一种梯度异质合金壳体固态增材制造方法，其特征在于，固态增材工具的旋转速度为150~800rpm，平移速度为300~600mm/min，固态增材工具向下施加的压力载荷为5~30kN。
5.根据权利要求1所述的一种梯度异质合金壳体固态增材制造方法，其特征在于，固态增材工具下端与增材基板之间的制备区域、加热结构均全程吹入氩气。
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