CN117399642A - 一种基于金属3D打印的高比重W-Ni-Fe合金的成型工艺 - Google Patents

一种基于金属3D打印的高比重W-Ni-Fe合金的成型工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料增材制造技术领域，涉及一种高比重钨合金的成型工艺，尤其是一种基于金属3D打印的高比重W‑Ni‑Fe合金的成型工艺。本发明所述成型工艺采用选区激光熔化打印成形高比重W‑Ni‑Fe合金粉末，得到高比重W‑Ni‑Fe合金试样；其中所述高比重W‑Ni‑Fe合金粉末，按重量百分比计，其各组分为：W：90‑96％，Ni：3‑7％，Fe：1‑3％，其余为O。本发明所述的成型工艺应用于高比重钨合金的3D打印，加工周期短，加工成型难度低，可实现打印成型的试样的合金内部无孔洞、无裂纹和高致密性。

Description

一种基于金属3D打印的高比重W-Ni-Fe合金的成型工艺
技术领域
本发明属于金属材料增材制造技术领域，涉及一种高比重钨合金的成型工艺，尤其是一种基于金属3D打印的高比重W-Ni-Fe合金的成型工艺。
背景技术
高比重钨合金是一种以钨为主体，加入少量Ni、Fe、Cu、Co、Mn等元素组成的合金，其钨质量分数一般为85％～98％，密度可达16.5～19.0g/cm3，因此又常常被称为高比重合金、重合金或高密度钨合金。高比重钨合金主要分为W-Ni-Fe和W-Ni-Cu两大体系，其组织主要由W相和Ni-Fe/Cu粘接相两相组成。其中高比重W-Ni-Fe合金由于具有高密度、高强度和高塑性等优异的物理力学性能，广泛应用于国防工业、航空航天、核工业等领域，如穿甲弹弹芯材料、烟雾弹、脱壳弹等武器材料；陀螺仪外缘转子、直升机转子叶片等航空航天材料；放射性屏蔽材料、砧块材料等核工业材料。
近些年来，W-Ni-Fe合金成型工艺方法受到越来越多的关注。传统的W-Ni-Fe系合金零件通常采用粉末冶金液相烧结(liquid phase sintering，LPS)的方式。一般是将各元素粉末机械混合，经过模压或冷等静压成形，然后采用LPS达到全致密形成毛坯件，最终采用机械加工的手段去除余量，得到最终零部件。在粉末冶金过程中，模压和冷等静压需首先根据最终零部件的形状与尺寸设计与制备相应的模具，而模具制作周期长，费用昂贵；且考虑到LPS易变形坍塌的特点，粉末冶金的方式一般只适用于具有简单形状或留有较大机加余量毛坯体的制备。同时，采用粉末冶金的方式制备钨合金零件一般需要模具，而模具的生产周期较长，不适用于定制化、小批量产品的制备。
金属3D打印技术具有近净成形，加工数字化、智能化、自动化，原材料利用率高，无需模具，组织细小均匀等优点，被广泛应用于新材料的开发和工艺成型。但高比重W-Ni-Fe合金由于W含量很高，粉末冶金结合困难，而且内部容易存在孔洞、裂纹等缺陷。因此，一种合适的金属3D打印成型高比重W-Ni-Fe合金制备工艺十分重要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了基于金属3D打印高比重W-Ni-Fe合金的成型工艺。
为实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于金属3D的打印高比重W-Ni-Fe合金的成型工艺，采用选区激光熔化打印成形高比重W-Ni-Fe合金粉末，得到高比重W-Ni-Fe合金试样；
其中所述高比重W-Ni-Fe合金粉末，按重量百分比计，其各组分为：W：90-96％，Ni：3-7％，Fe：1-3％，其余为O。
在一些实施方案中，所述成型工艺中所述高比重W-Ni-Fe合金粉末的粉末粒径为5～35μm，球形度为≥0.85，松装密度为≥6.5g/cm3，振实密度为≥8.0g/cm3，流动性为≤20s/50g。
在一些实施方案中，所述成型工艺中所述选区激光熔化的激光功率为190～210W，激光光斑直径62±0.5μm。
在一些实施方案中，所述成型工艺中所述选区激光熔化的扫描速度为500～700mm/s，扫描间距为0.06～0.08mm，扫描策略为条形扫描，条形宽度8mm，逐层旋转角度67°。
在一些实施方案中，所述成型工艺中所述选区激光熔化的高比重W-Ni-Fe合金粉末层厚为30μm。
在一些实施方案中，所述成型工艺中所述选区激光熔化的基板为不锈钢基板。
在一些实施方案中，所述成型工艺中所述选区激光熔化还包括基板预热。
进一步的，在一些实施方案中，所述成型工艺中所述基板预热的预热温度为100～150℃。
本发明还提供了一种高比重W-Ni-Fe合金粉末，按重量百分比计，其各组分为：W：90-96％，Ni：3-7％，Fe：1-3％，其余为O。
在一些实施方案中，所述高比重W-Ni-Fe合金粉末的粉末粒径为5～35μm，球形度为≥0.85，松装密度为≥6.5g/cm3，振实密度为≥8.0g/cm3，流动性为≤20s/50g。
由上述技术方案可知，本发明提供了一种基于金属3D打印的高比重W-Ni-Fe合金的成型工艺。本发明所述成型工艺采用选区激光熔化打印成形高比重W-Ni-Fe合金粉末，得到高比重W-Ni-Fe合金试样；其中所述高比重W-Ni-Fe合金粉末，按重量百分比计，其各组分为：W：90-96％，Ni：3-7％，Fe：1-3％，其余为O。本发明所述的成型工艺应用于高比重钨合金的3D打印，加工周期短，加工成型难度低，可实现打印成型的试样的合金内部无孔洞、无裂纹和高致密性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它的附图。
图1为高比重W-Ni-Fe合金试件；
图2为实施例1所述高比重W-Ni-Fe合金试样的微观照片；
图3为对比例1所述高比重W-Ni-Fe合金未熔合微观照片；
图4为对比例2高比重W-Ni-Fe合金内部微裂纹微观照片；
图5为对比例2高比重W-Ni-Fe合金内部微裂纹微观放大照片。
具体实施方式
本发明公开了一种基于金属3D打印的高比重W-Ni-Fe合金的成型工艺，采用选区激光熔化打印成形高比重W-Ni-Fe合金粉末，得到高比重W-Ni-Fe合金试样；其中所述高比重W-Ni-Fe合金粉末，按重量百分比计，其各组分为：W：90-96％，Ni：3-7％，Fe：1-3％，其余为O。
在一些实施方案中，所述高比重W-Ni-Fe合金粉末，按重量百分比计，其各组分为：W：92.66-96％，Ni：3-5.17％，Fe：1-2.08％，其余为O。在一些具体实施例中，所述高比重W-Ni-Fe合金粉末，按重量百分比计，其各组分为：W：92.66，Ni：5.17％，Fe：2.08％，其余为O。在一些具体实施例中，所述高比重W-Ni-Fe合金粉末，按重量百分比计，其各组分为：W：96％，Ni：3，Fe：1％。
本发明所述的成型工艺应用于高比重钨合金的3D打印，加工周期短，加工成型难度低，可实现打印成型的试样的合金内部无孔洞、无裂纹和高致密性。
在一些实施方案中，所述成型工艺中所述高比重W-Ni-Fe合金粉末的粉末粒径为5～35μm，球形度为≥0.85，松装密度为≥6.5g/cm3，振实密度为≥8.0g/cm3，流动性为≤20s/50g。在一些具体实施例中，所述成型工艺中所述高比重W-Ni-Fe合金粉末的粉末粒径为5～35μm，球形度为0.90，松装密度为7.8g/cm3，振实密度为9.3g/cm3，流动性为14s/50g。
常见的金属3D打印技术主要包括选区激光熔化技术(selective laser melting，SLM)、激光熔化沉积技术(laser melting deposition，LMD)和选区电子束熔化技术(selective electron beammelting，SEBM)。选择性激光熔化成形是采用激光作为热源来熔化金属粉末成形的一种最新的激光熔凝成形技术。其工作原理不同于传统的加工方式，采用分层制造的思想，根据模型可直接对金属粉末熔化从而成形金属零件。成形过程中先在基板上铺上一定厚度的金属粉末然后用激光束按照一定的轨迹快速照射粉末，使被照射到的粉末发生熔化凝固变化。扫描结束后将工作平台下降一定高度，再铺上相应厚度的金属粉末进行扫描重复这样的过程直至完成零件加工。
在本申请的一些实施方案中，所述成型工艺中所述选区激光熔化的激光功率为190～210W，激光光斑直径62±0.5μm。在一些具体实施例中，所述选区激光熔化的激光功率为190W；在一些具体实施例中，所述选区激光熔化的激光功率为210W；在一些具体实施例中，所述选区激光熔化的激光功率为200W。
在本申请的一些实施方案中，所述成型工艺中所述选区激光熔化的扫描速度为500～700mm/s。在一些具体实施例中，所述选区激光熔化的扫描速度为500mm/s；在一些具体实施例中，所述选区激光熔化的扫描速度为600mm/s；在一些具体实施例中，所述选区激光熔化的扫描速度为700mm/s。
在本申请的一些实施方案中，所述成型工艺中所述选区激光熔化的扫描间距为0.06～0.08mm。在一些具体实施例中，所述选区激光熔化的扫描间距为0.06mm；在一些具体实施例中，所述选区激光熔化的扫描间距为0.08mm；在一些具体实施例中，所述选区激光熔化的扫描间距为0.07mm。
在本申请的一些实施方案中，所述成型工艺中所述选区激光熔化的扫描策略为条形扫描，条形宽度8mm，逐层旋转角度67°。
在本申请的一些实施方案中，所述成型工艺中所述选区激光熔化的高比重W-Ni-Fe合金粉末层厚为30μm。
在本申请的一些实施方案中，所述成型工艺中所述选区激光熔化的基板为不锈钢基板。
在本申请的一些实施方案中，所述成型工艺中所述选区激光熔化还包括基板预热。
进一步的，在本申请的一些实施方案中，所述成型工艺中所述基板预热的预热温度为100～150℃。在一些具体实施例中，所述基板预热的预热温度为120℃；在一些具体实施例中，所述基板预热的预热温度为100℃；在一些具体实施例中，基板预热的预热温度为150℃。
本发明还提供了一种高比重W-Ni-Fe合金粉末，按重量百分比计，其各组分为：W：90-96％，Ni：3-7％，Fe：1-3％，其余为O。
在一些实施方案中，所述高比重W-Ni-Fe合金粉末的粉末粒径为5～35μm，球形度为≥0.85，松装密度为≥6.5g/cm3，振实密度为≥8.0g/cm3，流动性为≤20s/50g。
上述高比重W-Ni-Fe合金粉末的制备方法为按重量百分比称取各原料，然后利用真空感应熔炼气雾化(VIGA)法制备得到。
下面将对本发明公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
下面详细描述本发明公开的具体实施方式。
实施例1：
1、金属粉末材料：
高比重W-Ni-Fe合金粉末，按重量百分比计，其各组分为：W：92.66％，Ni：5.17％，Fe：2.08％，其余为O。粉末粒径为5～35μm，球形度为0.90，松装密度为7.8g/cm3，振实密度为9.3g/cm3，流动性为14s/50g。
2、选区激光熔化成型工艺
采用不锈钢基板，基板预先经120℃预热，然后30μm厚度的上述高比重W-Ni-Fe合金粉末，用激光束快速照射粉末，使被照射到的粉末发生熔化凝固变化。激光功率为200W，激光光斑直径62μm，扫描速度为600mm/s，扫描间距为0.07mm，扫描策略为条形扫描，条形宽度8mm，逐层旋转角度67°。扫描结束后将工作平台下降一定高度，再铺上30μm厚度的金属粉末进行扫描重复这样的过程直至完成零件加工，获得打印试样如图1所示。
实施例2：
1、金属粉末材料：
高比重W-Ni-Fe合金粉末，按重量百分比计，其各组分为：W：96％，Ni：3，Fe：1％。粉末粒径为5～35μm，球形度为0.85，松装密度为6.5g/cm3，振实密度为8.0g/cm3，流动性为20s/50g。
2、选区激光熔化成型工艺
采用不锈钢基板，基板预先经120℃预热，然后30μm厚度的上述高比重W-Ni-Fe合金粉末，用激光束快速照射粉末，使被照射到的粉末发生熔化凝固变化。激光功率为200W，激光光斑直径62μm，扫描速度为600mm/s，扫描间距为0.07mm，扫描策略为条形扫描，条形宽度8mm，逐层旋转角度67°。扫描结束后将工作平台下降一定高度，再铺上30μm厚度的金属粉末进行扫描重复这样的过程直至完成零件加工，获得打印试样与图1相似。
实施例3：
1、金属粉末材料：
同实施例1。
2、选区激光熔化成型工艺
采用不锈钢基板，基板预先经100℃预热，然后30μm厚度的上述高比重W-Ni-Fe合金粉末，用激光束快速照射粉末，使被照射到的粉末发生熔化凝固变化。激光功率为210W，激光光斑直径62.5μm，扫描速度为700mm/s，扫描间距为0.08mm，扫描策略为条形扫描，条形宽度8mm，逐层旋转角度67°。扫描结束后将工作平台下降一定高度，再铺上30μm厚度的金属粉末进行扫描重复这样的过程直至完成零件加工。
实施例4：
1、金属粉末材料：
同实施例1。
2、选区激光熔化成型工艺
采用不锈钢基板，基板预先经150℃预热，然后30μm厚度的上述高比重W-Ni-Fe合金粉末，用激光束快速照射粉末，使被照射到的粉末发生熔化凝固变化。激光功率为190W，激光光斑直径61.5μm，扫描速度为500mm/s，扫描间距为0.06mm，扫描策略为条形扫描，条形宽度8mm，逐层旋转角度67°。扫描结束后将工作平台下降一定高度，再铺上30μm厚度的金属粉末进行扫描重复这样的过程直至完成零件加工。
对比例1：
1、金属粉末材料：
同实施例1。
2、选区激光熔化成型工艺
采用不锈钢基板，基板预先经120℃预热，然后30μm厚度的上述高比重W-Ni-Fe合金粉末，用激光束快速照射粉末，使被照射到的粉末发生熔化凝固变化。激光功率为160W，激光光斑直径62μm，扫描速度为600mm/s，扫描间距为0.07mm，扫描策略为条形扫描，条形宽度8mm，逐层旋转角度67°。扫描结束后将工作平台下降一定高度，再铺上30μm厚度的金属粉末进行扫描重复这样的过程直至完成零件加工。
对比例2：
1、金属粉末材料：
同实施例1。
2、选区激光熔化成型工艺
采用不锈钢基板，基板预先经120℃预热，然后30μm厚度的上述高比重W-Ni-Fe合金粉末，用激光束快速照射粉末，使被照射到的粉末发生熔化凝固变化。激光功率为200W，激光光斑直径62μm，扫描速度为1000mm/s，扫描间距为0.07mm，扫描策略为条形扫描，条形宽度8mm，逐层旋转角度67°。扫描结束后将工作平台下降一定高度，再铺上30μm厚度的金属粉末进行扫描重复这样的过程直至完成零件加工。
实验例：打印试样测试
取实施例1制得的试样，通过金相磨抛后在显微镜下观察，试样致密度达到99％以上，内部无孔洞和裂纹(图2)。将实施例2～实施例4制得的试样通过金相磨抛后，结果与实施例1相似，试样致密度达到99％以上，内部无孔洞和裂纹。
取对比例1制得的试样，通过金相磨抛后在显微镜下观察，结果如图3所示，试样内部存在孔洞等缺陷，影响样品的制造使用。
取对比例2制得的试样，通过金相磨抛后在显微镜下观察，结果如图4和图5所示，试样组织内部存在微裂纹，直接影响样品性能。
以上对本发明所提供的一种基于金属3D打印的高比重W-Ni-Fe合金的成型工艺进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于金属3D打印高比重W-Ni-Fe合金的成型工艺，其特征在于，采用选区激光熔化打印成形高比重W-Ni-Fe合金粉末，得到高比重W-Ni-Fe合金试样；
其中所述高比重W-Ni-Fe合金粉末，按重量百分比计，其各组分为：W：90-96％，Ni：3-7％，Fe：1-3％，其余为O。
2.根据权利要求1所述的成型工艺，其特征在于，所述高比重W-Ni-Fe合金粉末的粉末粒径为5～35μm，球形度为≥0.85，松装密度为≥6.5g/cm3，振实密度为≥8.0g/cm3，流动性为≤20s/50g。
3.根据权利要求1或2所述的成型工艺，其特征在于，所述选区激光熔化的激光功率为190～210W，激光光斑直径62±0.5μm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的成型工艺，其特征在于，所述选区激光熔化的扫描速度为500～700mm/s，扫描间距为0.06～0.08mm，扫描策略为条形扫描，条形宽度8mm，逐层旋转角度67°。
5.根据权利要求1～4任一项所述的成型工艺，其特征在于，所述选区激光熔化的高比重W-Ni-Fe合金粉末层厚为30μm。
6.根据权利要求1～5任一项所述的成型工艺，其特征在于，所述选区激光熔化的基板为不锈钢基板。
7.根据权利要求1～6任一项所述的成型工艺，其特征在于，所述选区激光熔化还包括基板预热。
8.根据权利要求7所述的成型工艺，其特征在于，所述基板预热的预热温度为100～150℃。
9.一种高比重W-Ni-Fe合金粉末，其特征在于，按重量百分比计，其各组分为：W：90-96％，Ni：3-7％，Fe：1-3％，其余为O。
10.根据权利要求9所述的高比重W-Ni-Fe合金粉末，其特征在于，所述高比重W-Ni-Fe合金粉末的粉末粒径为5～35μm，球形度为≥0.85，松装密度为≥6.5g/cm3，振实密度为≥8.0g/cm3，流动性为≤20s/50g。
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