CN117702107A - 一种耐高温耐磨旋锻辊及其加工方法 - Google Patents

一种耐高温耐磨旋锻辊及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温耐磨旋锻辊及其加工方法。所述旋锻辊包括基体、包覆在基体外部的高温耐磨层；所述基体为H13模具钢基体，所述高温耐磨层采用耐磨耐高温合金粉末经激光3D打印熔覆在基体表面而得；所述高温耐磨层的厚度为0.5mm～2.5mm。所述耐高温耐磨旋锻辊的加工方法，包括：S1、基体表面预处理，S2、激光3D打印高温耐磨层，S3、冷却。本发明采用特定的耐磨耐高温合金粉末为原料，采用特定参数的打印方法，在H13旋锻辊的基体表面进行3D打印，打印层组织致密，无裂纹、无气孔，与旋锻辊基体表面形成良好的冶金结合，且硬度大、在常温和高温条件下均具有很好的耐磨性，有效改善了旋锻辊在高温下容易塑性挤出磨损的问题，提高了旋锻辊的使用寿命。

Description

一种耐高温耐磨旋锻辊及其加工方法
技术领域
本发明涉及一种旋锻辊，具体涉及一种耐高温耐磨旋锻辊及其加工方法。
背景技术
旋切辊锻工艺，简称旋锻工艺，是一种常用的金属加工技术，可以对钢铁、铝合金、钛合金等多种金属材料进行高效处理，因而被广泛应用与锻造和冷加工各种领域。旋锻操作的设备为旋锻机，旋锻机通常采用两个旋锻辊(主动旋锻辊、被动旋锻辊)作为主要工作部件，通过不同的转速和两个旋锻辊之间的延伸差和对金属材料连续滚动变形，实现金属件形状的改变和结构的优化。在旋锻过程中，旋锻辊是主要的受力部件，由于通常在高温下使用，工作条件恶劣，很容易发生高温磨损而造成旋锻辊的失效。
目前旋锻辊通常采用H13模具钢经轧制、淬火等工序加工而成，H13模具钢的成分主要包括：C0.35％-0.45％、Si0.80-％1.20％、Mn0.20％-0.50％、Cr4.75％-5.50％、Mo1.10％-1.75％、V0.90％-1.20％、Ni≤0.20％、P≤0.020％、S≤0.020％。H13轧辊坯硬度≤28HRC，淬火后硬度HRC55左右，具有良好的硬度和韧性，但高温耐磨性不足，特别是当旋锻作业面的温度达到500℃时，旋锻辊会发生严重的塑性挤出磨损而提前失效。因此，如何提高旋锻辊的高温耐磨性能，延长其在高温恶劣工况下的使用寿命，成为目前研发人员的关注要点之一。
激光金属3D打印技术，属于快速成型技术的一种，是一种以数字模型文件为基础、运用粉末状金属等打印材料、通过逐层打印的方式来构造物体的技术。激光金属3D打印技术具有制造速度快、生产成本低、制造精度高的优点，因此启发研究人员将3D打印技术与旋锻辊的高温耐磨需求相结合，尝试在旋锻辊的表面通过3D打印技术堆积更厚、强度更高的打印层，以抵抗高温对辊面的快速磨损。但是，该方法仍有很多困难，最大困难在于打印材料的选择；不仅需要考虑到打印层的自身强度、耐高温性和耐磨性，还要考虑打印层与H13旋锻辊基体之间的结合，避免打印层与旋锻辊基体之间发生开裂。
经分析，耐磨层与旋锻辊基体之间的开裂原因主要包括以下几点：
1、激光金属3D打印时，加热和冷却过程会产生较大的热应力和相变应力，而由于打印层与内部材料之间的材质不同、热膨账系数差别较大，故在打印时，打印层与旋锻辊基体(H13)之间的固态相变倾向、同步程度及幅度均有较大差别；打印层以镍基材料为主，基本不发生相变，但H13钢具有很强的自淬火能力，受热后会发生马氏体相变，马氏体相变会对打印层产生较大的拉应力，使开裂倾向增大；
2、打印层结合时，在结合界面主要以柱状品形式沿热流方向生长，在各相邻柱状晶的界面处容易产生杂质聚集，聚集处应力集中，易产生开裂；
3、激光3D打印时结合速度很快，有时会造成打印层内部后结晶的区域液体补充不充分，从而产生拉应力，这也增大了生成裂线的倾向；
4、由于打印层是通过多道扫描打印而成，多道搭接使得打印层表面由压应力转变为拉应力；同时在搭接处柱状枝晶产生叠加或相连，晶界处容易产生应力集中且断裂强度较低，所以在搭接区易产生裂纹；
5、淬火后的H13旋锻辊基体，导热性能良好、比热容小、浸湿性能差、表面有坚硬的氧化膜，对光斑的反射率较大，这就使得激光产生的热量在其表面不易停留，淬火后的H13旋锻辊基体与打印层的材料体系之间的性能差别很大，打印过程中失效问题较严重。
基于上述原因及现实困难，打印材料的选择和打印成型工艺，对打印后旋锻辊的高温耐磨性有决定性影响，已经成为目前的制约瓶颈问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种耐高温耐磨旋锻辊及其加工方法，通过激光3D打印形成的高温耐磨层组织致密、无裂纹、无气孔，与H13旋锻辊基体表面能形成良好的冶金结合。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种耐高温耐磨旋锻辊所述旋锻辊包括基体、包覆在基体外部的高温耐磨层；所述基体为H13模具钢基体，所述高温耐磨层采用耐磨耐高温合金粉末经激光3D打印熔覆在基体表面而得。
所述高温耐磨层的厚度为0.5mm～2.5mm，优选为1.0mm～2.0mm。
一种耐高温耐磨旋锻辊的加工方法，包括如下步骤：
S1、基体表面预处理
对基体表面进行打磨和除污，去除掉基体表面的氧化层、油渍和其他污染物；
S2、激光3D打印高温耐磨层
以耐磨耐高温合金粉末为打印原料，采用激光金属3D打印技术，在预处理后的基体表面进行逐层激光3D打印，直至打印层厚度达到设计厚度；
S3、冷却
将打印完毕的旋锻辊降温直至完全冷却，即可耐高温耐磨旋锻辊。
所述步骤S1的具体过程是，先使用打磨设备对旋锻辊基体表面进行打磨处理，待旋锻辊基体表面的氧化层被打磨干净、基体表面光滑有光泽，再使用除污剂对旋锻辊基体表面进行清洗，以去除油渍和其它污染物。
所述步骤S2的具体过程为，使用激光同轴送粉器将耐磨耐高温合金粉末送至旋锻辊基体表面，同时使用激光器进行逐层激光3D打印；所述激光器为光纤激光器，3D打印采用多道单层成形工艺。
所述光纤激光器的工艺参数为：聚焦镜焦距f＝250mm～300mm，打印功率P＝8000W，光斑直径D＝0.3mm～1.2mm，打印扫描速率V＝400mm/s～600mm/s，搭接率θ＝40％。
所述耐磨耐高温合金粉末的具体成分包括以重量百分数计的如下组分：Ni：20.0％～30.0％；C：5.0％～12.0％；Cr：6.0％～10.0％；Co：12.0％～16.0％；B：2.0％～5.0％；Si：2.0％～6.0％；P：2.0％～3.0％；W：8.0％～12.0％；Be：3.0％～5.0％；Mn：1.0％～2.0％；余量为Fe，且Fe含量不小于7.0％；
优选的，所述耐磨耐高温合金粉末的具体成分包括以重量百分数计的如下组分：Ni：25.0％～29.0％；C：6.0％～10.0％；Cr：8.0％～9.5％；Co：13.0％～16.0％；B：2.5％～4.5％；Si：3.0％～5.0％；P：2.3％～2.8％；W：8.0％～10.0％；Be：3.5％～4.5％；Mn：1.0％～1.6％；余量为Fe。
所述耐磨耐高温合金粉末为规则球形粉末，且粒度为45μm-120μm的球形粉末在耐磨耐高温合金粉末中的占比不小于90％。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明提供了一种耐高温耐磨旋锻辊及其加工方法，采用特定的耐磨耐高温合金粉末为原料，采用特定参数的打印方法，在H13旋锻辊的基体表面进行3D打印，打印层组织致密，无裂纹、无气孔，与旋锻辊基体表面形成良好的冶金结合，且硬度大、在常温和高温条件下均具有很好的耐磨性，有效改善了旋锻辊在高温下容易塑性挤出磨损的问题，提高了旋锻辊的使用寿命，也提高了高温环境下旋锻件的合格率，符合工业生产的需求。
在本发明的耐磨耐高温合金粉末中，Ni元素能够高度磨光和抗腐蚀，可以提高机械强度；C元素可以保证3D打印层具有足够的强度，同时使合金具有良好的韧性和焊接性；B元素可以降低合金材料的熔点，增添合金材料流动性，同时B元素与氧的亲和力比金属成分与氧的亲和力大，融化时与氧生成氧化硼，融化后浮在3D打印层表面，冷却后形成无孔的3D打印层，从而达到3D打印层组织致密、无裂纹、无气孔的效果；Si元素能增强3D打印层的抗张力、弹性、耐酸性和耐热性、耐腐蚀性，可以使3D打印层的电阻系数增大。通过十一种元素的相互作用、相互配合和互相影响，使各组分之间协同增效，使得耐磨耐高温合金粉末具有高耐温性、高耐磨性，其打印层与H13基体结合牢固、组织致密、不易裂纹，可以作为耐磨耐高温3D打印材料而广泛推广。
本发明还对耐高温耐磨旋锻辊的加工工艺进行了详细限定。为了保证高速激光下3D打印层质量，本发明选取光纤激光器，在确定光纤激光器离焦量的基础上选定聚焦镜焦距，并依据激光扫描速度、激光光束尺寸与激光功率的匹配关系以确定激光器的工艺参数，从而能瞬间形成熔池，产生较小的热影响区，使基体只产生微小变形，形成致密度极高、耐磨度更高、稀释率极低、表面改性性能较好且打印效率高的3D打印层，使得旋锻辊的耐磨性能显著提升，并可在500℃的高温下仍保持很高的耐磨性。通过对打印参数的限定，保证了旋锻辊基体在打印过程中不受损，且打印层致密度高、表面光滑度好，打印作业效率高。
附图说明
图1为耐磨耐高温合金粉末在电镜下的形貌图；
图2为激光粒度分析仪检测的耐磨耐高温合金粉末颗粒粒径分布图；
图3为3D打印的高温耐磨层横截面金相图；
图4为3D打印层的SEM图；
图5为3D打印层沿厚度方向上的维氏硬度曲线；
图6为3D打印层、H13基体的摩擦系数随时间变化的曲线；
图7-1为3D打印层的磨痕截面形貌；
图7-2为H13基体的磨痕截面形貌；
图8为3D打印层和H13基体的磨痕体积柱状图；
图9为摩擦因数在不同温度下的变化曲线；
图10为扫描熔化后的单道形貌；
图11为不同扫描速度与扫描线宽的关系；
图12为扫描速度对单道单层扫描线高的影响关系图；
图13为不同扫描间距下的搭接状态；
图14为搭接率40％时的单层表面形貌；
图15为扫描速度对致密度的影响；
图16为扫描间距对致密度的影响。
具体实施方式
一种耐高温耐磨旋锻辊，所述旋锻辊包括基体、包覆在基体外部的高温耐磨层；所述基体为H13模具钢基体，所述高温耐磨层采用耐磨耐高温合金粉末经激光3D打印熔覆在基体表面而得。
所述高温耐磨层的厚度为0.5mm～2.5mm，优选为1.0mm～2.0mm，具体厚度可根据旋锻辊的实际受力情况或设计受力情况进行调整。
一种耐高温耐磨旋锻辊的加工方法，包括如下步骤：
S1、基体表面预处理
对基体表面进行打磨和除污，去除掉基体表面的氧化层、油渍和其他污染物，为后续的激光3D打印环节提供良好的作业面；
具体来说，先使用打磨设备对旋锻辊基体表面进行打磨处理，待旋锻辊基体表面的氧化层被打磨干净、基体表面光滑有光泽时，再使用除污剂对旋锻辊基体表面进行清洗，去除油渍和其它污染物。
对旋锻辊基体表面进行打磨，不仅增加激光吸收率，还能提高基体和打印层之间的结合力。所述打磨设备为砂纸或者打磨机，打磨砂纸为80目～120目，打磨后的旋锻辊基体表面粗糙度Ra≤12.5。所述表面粗糙度是指加工表面具有较小间距和微小峰谷的不平度，其评价参数包括高度特征参数、间距特征参数、形状特征参数等。本发明采用高度特征参数，使用Ra表示。旋锻辊基体表面不能完全光滑、而是需要一定的粗糙度，以确保打印层与基体之间冶金结合的稳定性。
所述除污剂为丙酮，具有良好的溶解油质和其他杂质的功能。清洗方法可以使用丙酮对抛光后的旋锻辊基体表面进行淋洗；也可以将丙酮吸到织物中，擦拭基体表面；可以淋洗或者擦拭一次，也可以淋洗或者擦拭两次或两次以上，以完全去除基体表面油污为准。
优选的，当打磨除去基体表面氧化铁皮之后，后续的清洗和打印步骤在惰性气体氛围下进行，例如氮气氛等。避免基体表面再次接触空气而发生氧化，减少氧化铁皮的生成，可以增强基体与打印层之间的冶金结合强度，避免开裂。
S2、激光3D打印高温耐磨层
以耐磨耐高温合金粉末为打印原料，采用激光金属3D打印技术，在预处理后的基体表面进行逐层激光3D打印，直至打印层厚度达到设计厚度。
具体来说，使用激光同轴送粉器将粒度为200目～325目的耐磨耐高温合金粉末送至旋锻辊基体表面，同时采用光纤激光器进行逐层激光3D打印；所述激光器工艺参数控制为：焦距f＝250mm～300mm，打印功率P＝8000W，光斑直径D＝0.3mm～1.2mm，打印扫描速率V＝400mm/s～600mm/s，搭接率θ＝40％。
所述打印扫描速率是指激光打印头与铜板的相对移动速度，所述打印扫描速率与激光同轴送粉器的送分速度相匹配。
所述搭接率θ，是指不同的扫描间距会使单道与单道之间出现不同的搭接状态。在多道成形时，为了保证多条单道之间连接融合的可靠性以及搭接后成形层的平整性，需要选取合适的扫描间距进行搭接。扫描间距过大，即搭接量不足时，单道与单道之间会出现凹谷现象，导致成形层表面凹凸不平，影响后续成形层的质量，这种不良影响逐层累加后甚至会导致成形过程终止；理想搭接状态，单道与单道之间融合均匀，成形层表面光滑平整；扫描间距过小，即搭接量过大时，单道与单道之间在部分区域过度重复堆积，影响成形层表面质量，而且影响当前成形层的高度，进而影响成形件的精度和性能。本发明特别限定搭接率θ＝40％，此时单道与单道之间融合最为均匀，打印层外表光滑，打印后无需再进行打磨。
发明人根据H13旋锻辊基体表面的特性，与本发明的耐磨耐高温合金粉末的性质，选择特定参数下的光纤激光器进行逐层激光3D打印。在确定光纤激光器离焦量的基础上选定聚焦镜焦距，并依据激光扫描速度、激光光束尺寸与激光功率的匹配关系以确定激光器的工艺参数，从而能瞬间形成熔池，产生较小的热影响区，使旋锻辊基体表面只产生微小变形，形成致密度极高、耐磨度更高、稀释率极低、打印效率高的3D打印层。
所述旋锻辊的高温耐磨性，与3D打印材料本身的性能息息相关。本发明中所使用的耐磨耐高温合金粉末的具体成分包括包括以重量百分数计的如下组分：Ni：20.0％～30.0％；C：5.0％～12.0％；Cr：6.0％～10.0％；Co：12.0％～16.0％；B：2.0％～5.0％；Si：2.0％～6.0％；P：2.0％～3.0％；W：8.0％～12.0％；Be：3.0％～5.0％；Mn：1.0％～2.0％；余量为Fe，且Fe含量不小于7.0％；
优选包括以重量百分数计的如下组分：Ni：25.0％～29.0％；C：6.0％～10.0％；Cr：8.0％～9.5％；Co：13.0％～16.0％；B：2.5％～4.5％；Si：3.0％～5.0％；P：2.3％～2.8％；W：8.0％～10.0％；Be：3.5％～4.5％；Mn：1.0％～1.6％；余量为Fe。
所述耐磨耐高温合金材料具有高强度和很好的耐温性，高温下不易发生软化、形变和磨损，工作温度显著提高，最高可在1000℃的环境下使用，500℃下的抗拉强度可保持在1300MPa以上。所述耐磨耐高温合金粉末中，各组分相互作用、相互影响、缺一不可，共同形成了合金材料的综合性能。
具体来说，耐磨耐高温合金粉末中各组分的作用为：
Ni：镍是硬而有延展性并具有铁磁性的金属元素，它能够高度磨光和抗腐蚀。在合金中加入镍，可以提高机械强度。在合金中加入25％～29％的镍，抗拉强度增加了2-3倍。
C：碳对合金组织及性能有重要影响，随着碳含量增加，合金初熔温度逐渐降低；初生碳化物含量逐渐增加；经大量试验，6％～10％的碳含量使合金高周疲劳寿命减低，蠕变寿命降低，对拉伸性有一定的影响。同时，碳是提高合金强度的主要元素，6％～10％的碳含量可以保证获得足够的强度，同时使合金具有良好的韧性和焊接性。
Cr：铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性；铬又能提高合金材料的抗氧化性和耐腐蚀性，合金材料中主要利用铬提高淬透性，并可在渗碳表面形成含铬碳化物以提高其耐磨性。
Co：Co的熔点1493℃、比重8.9，比较硬而脆，在硬度、抗拉强度、机械加工性能、热力学性质、的电化学行为方面与铁和镍相类似。合金中含有一定量钴可以显著地提高合金的抗高温侵蚀、耐磨性和切削性能。
B：在合金粉末中加入1.5％以上的硼元素形成超合金。2.5％～4.5％硼为最佳经济含量。加入硼后可下降熔点，增添流动性，同时硼与氧的亲和力比金属成分与氧的亲协力大，融化时与氧生成氧化硼，融化后浮在3D打印层表面，冷却后形成无孔的3D打印层，金属成分则与基体表面形成冶金结合层。
Si：腐蚀电位较高的情况下，依赖于铬元素保护的合金就会进入过钝化态，此时富含铬元素的钝化膜难以为继，硅元素在此情况下会提供更大的保护，此时硅元素会呗促进生产更为稳定的氧化硅拟态钝化膜。在合金中加入3.0％～5.0％的硅，能增强合金的抗张力、弹性、耐酸性和耐热性、耐腐蚀性，可以使合金的电阻系数增大，同时又是合金的有效脱氧剂。
P：利用磷使基体晶格产生畸变并达到固溶强化，充分发挥镍、铬等合金的高强度合金化能力；
W：钨元素以获得高硬度发碳化物形成弥散强化相，进一步提高3D打印层的耐磨性。
Be：Be作为一种强溶剂元素,可以有效地抑制晶界溶解和析出的发生，形成稳定的化合物,提高了合金的力学性能。此外,be还可以细化合金的晶粒,增加晶界的数量,从而提高了合金的强度和硬度。
Mn：在镍基合金的合金化处理过程中，锰可以与其他元素形成互作用，增加合金的抗蠕变性和抗氧化性。尤其是在高温环境下，锰的添加可以有效地抑制合金的晶粒长大，使合金保持细小的晶粒结构，从而提高合金的强度和塑性。
Fe：提高对高温渗碳环境的抵抗性、降低合金成本、控制热膨胀，同时提高合金的加工性能和力学性能。
综上所述，本发明结合上述十一种原料组分，经各原料组分的相互助益与配合，不仅使各原料组分充分发挥各自的作用，还能达到协同增效的效果。在3D打印过程中，合金粉末中的C、Fe等元素形成碳化物沉淀相，这种碳化物会弥散分布在样品的内部，但是随着工作温度的提高，碳化物晶粒会迅速长大，使得零件的强度在短时间内就降低；而Co可以稳定强化相，同时可以促进Ni、Fe等强化相的析出，并且可以抑制马氏体向奥氏体转换，从而提高材料在高温情况下的稳定性；利用P使基体晶格产生畸变并达到固溶强化，充分发挥Ni、Cr等合金的高强度合金化能，以及其他元素B、Si等配合，使得打印层在500℃下具有超过1300MPa的抗拉强度。
所述耐磨耐高温合金粉末呈规则球形，球形度高，粒度均匀，流动性好，有更好的工艺效率和成品性能。所述合金粉末在电镜下的形貌如图1所示，可见其球形规整度很高；采用激光粒度分析仪检测所述耐磨耐高温合金粉末的粒径，粒径分布图如图2所示。经图2可知，粒度为45μm-120μm的球形粉末在耐磨耐高温合金粉末中的占比不小于90％，粒径均一性高的合金粉末，确保打印层的高致密性，使得旋锻辊的工作耐磨性更高。
S3、冷却
将打印完毕的旋锻辊降温直至完全冷却，即可获得边界平直、厚度均一、组织致密的耐高温耐磨旋锻辊。
使用本发明对H13基体表面3D打印所得3D打印层组织致密、无裂纹、无气孔，与基体表面形成良好的冶金结合。另外使用本发明对H13基体表面3D打印所得3D打印层提高了基体的硬度及耐磨性，提高了基体对外接物体入侵的局部抵抗能力，延长了基体产品的使用寿命。
所述旋锻辊的高温耐磨性能与激光金属3D打印工艺息息相关，因此发明人针对3D打印工艺参数对于产品性能的影响进行了详细的分析和研究。具体来说，首先，研究激光3D打印成形工艺参数中的激光功率和扫描速度对单道单层工艺的影响，从单道单层成形的微观角度，通过单条固化线的成形表面质量以及扫描线宽和线高，研究激光功率和扫描速度对单道单层成形的表面形貌以及线宽线高的影响规律，从而为后续的多道单层以及多道多层工艺提供理论基础。其次，在单道工艺的基础之上，研究扫描间距对单层成形面的表面质量的影响，扫描间距的合理选取设定直接影响着单层成形面的精度。单层成形而不仅关系到实体成形件的效果，而是直接决定了成形零件的精度和性能，是影响成形过程的关键所在。
下面对分析过程进行详细陈述。
1、数据测量
按照测试要求，使用线切割机从成形基板上切下若干试样。
观察表面质量：将切下的样件用丙酮和酒精清洗，以去除试样在进行线切割过程中遗留在试样表面的油污，再将样件放入超声波清洗机中进行清洗，以去除杂质，最后观察表面形貌。在观察扫描线宽及横截面形貌时，需先进行打磨抛光处理，其次经过丙酮、酒精以及超声清洗后，放在光学显微镜下进行观察。
1.1单道单层成形工艺研究
1.1.1激光功率和扫描速度对单道表面形貌的影响
该部分实验通过研究单道单层成形，分析出不同的扫描速度对单道扫描线的表面形貌和线宽、线高的影响规律，从而确定出较为理想的工艺参数范围。单道单层实验，需要对中心送粉的层厚进行考虑，在成形过程中，送粉层厚如果较厚，会影响成形件的精度，所以送粉层厚尽量小，考虑到所用实验材料的粒径为45～75μm，将送粉层厚设为0.15mm。实验中激光功率8000W，扫描速度从100mm/s开始、以100mm/s的频率间隔递增至500mm/s，观察不同参数组合情况下扫描熔化后的单道形貌。
单道单层烧结后的单道扫描线，在光学显微镜下放大观察发现单道主要有三种不同的形貌，如图10所示。
在成形过程中，粉末在基体表面熔化后在液体表而张力的作用下形成独立的小液滴并凝固后会形成此单道形貌。而图10所示的单道宽度为0.3mm左右，约为激光光斑聚焦直径的2倍，而且单道连续，宽度均匀，表面光滑，为比较理想的情况。选取这样的单道参数来作为下一步实验的基础是比较合适的选择。
因而，确定本发明3D打印工艺的激光功率为8000W，扫描速度为500mm/s。
1.1.2关于扫描速度对扫描线宽和线高的影响
单道扫描线宽决定了所能成形的最小特征尺寸，主要受到激光熔池宽度的影响。图11显示的是不同扫描速度(横坐标，单位：mm/s)与扫描线宽(纵坐标，单位：mm)的关系，可以发现，随着扫描速度的增大，线宽逐渐下降。
单道单层扫描线高对于选区激光3D打印工艺而言是非常重要的一个评价参数，一方面扫描线高的大小直接影响着成形效率，若单道单层扫描线高较大，则成形一定高度的零件，用时会相对较小，成形效率高。
图12是扫描速度对单道单层扫描线高的影响关系图，分别在激光功率为8000W，送粉层厚为0.15mm的情况下，观察当扫描速度由100mm/s増大到500mm/s时，扫描速度与扫描线高的关系，可以看岀，随着扫描速度变大，单道扫描线高逐渐变小。
1.2多道单层成形工艺研究
1.2.1多道熔化成形原理
多道熔化成形在本质上是由按照一定扫描间距的多条扫描单道互相熔化而成，两两相邻的扫描单道之间的距离即为扫描间距，在多道成形时，为了保证多条单道之间连接融合的可靠性以及搭接后成形层的平整性，需要选取合适的扫描间距进行搭接。
图13给出了不同扫描间距下的搭接状态，可以直观地看出，图13(a)为扫描间距过大、搭接量不足状态，单道与单道之间会出现凹谷现象导致成形层表面凹凸不平，影响后续成形层的质量，这种不应影响逐层累加后甚至会导致成形过程终止；图13(b)为理想搭接状态，单道与单道之间融合均匀，成形层表而光滑平整：图13(c)为扫描间距过小、搭接量过大状态，单道与单道之间在部分区域过度重复堆积，影响成形层表面质量，而且影响当前成形层的高度，进而影响成形件的精度和性能。
1.2.2搭接率对样品表面形貌的影响
在成形单道实验时，我们发现不同工艺参数R成形的单道线宽有所不同。为了更好的探究针对多种不同工艺参数下的合理的搭接状态，我们引用搭接率作为影响因素进行实验，搭接率θ与扫描间距S的关系如下表所示，
扫描间距(μm) 0.5 0.47 0.33 0.26 0.17
搭接率θ 10％ 20％ 30％ 40％ 50％
实验工艺参数为：激光功率8000W、扫描速度500mm/s、送粉层厚0.15mm、单道成形高度0.13mm、单道成形宽度1.2mm。
采用上述工艺参数，分别以搭接率10％、20％、30％、40％、50％进行五组多道单层熔化成形实验。在不同的搭接率下，使用不同的扫描间距会产生不同的表面质量和外观，产生五类不同的单层表面形貌。
通过图14可以看出，所示的单层表面能明显看到与扫描方向相同的单道条纹，且单道均连续光滑，此状态对应的搭接率为40％。这种情况是由于相邻两个单道在均描过程中相互搭接，在搭接处形成一定的凹谷。如图14所示的单层表面无球化现象，厚度均匀，与基板之间连接紧密，在下一层的制作过程中能均匀铺粉，是最为合适的搭接率。
2、激光选区3D打印致密度及力学性能研究
激光选区3D打印成形的致密度是对性能进行评价的一个重要指标，高致密度会带来好的力学性能，然而，在成形实验过程中容易出现的球化、翘曲和粘粉等现象会导致致密度无法达到成形要求。因此，如何提高致密度仍是实现激光选区3D打印精确制造的基础与前提。
2.1致密度研究
2.1.1致密度的测量方法
本实验将测定不同参数下的样件密度，将其与100％致密的标准铍淬火后的H13锻造件样件密度求比值，得到相对密度作为衡量致密度的标准。测量密度选取《GBT 3850-1983致密烧结金属材料与硬质合金密度测定方法》作为标准。测量密度的基本方法为排水法。
致密度测量实验中，选用的成形样件CAD模型为长20mm，宽20mm，高5mm。待成形样件在基板上成形完毕后，将样件与基板一同取出，利用线切割将成形祥件从基板上切割下来，然后用排水法测致密度。每组参数成形三个样件，分別对其进行致密度的测量，求平均值。
2.1.2工艺参数对致密度的影响
2.1.2.1扫描速度对致密度的影响
在研究扫描速度V对致密度的影响时，激光功率P、送粉层厚h、扫描间距S以及扫描方式均不变，具体工艺参数及结果如下表所示。
将扫描速度V作为横坐标，样件的致密度作为纵坐标，可以得到如图15所示的折线图。从图中可以看到，随着扫描速度増加，致密度逐渐下降。
2.1.2.2扫描间距对致密度的影响
在研究扫描间距S对致密度的影响时，激光功率P、铺粉层厚h、扫描速度V以及扫描方式均不变，具体工艺参数如下表所示：
将扫描间距S作为横坐标，样件的致密度作为纵坐标，可以得到如图16所示的折线图。从图中可以看到，扫描间距增加，致密度逐渐下降，且当扫描间距小于0.25mm时，致密度变化不大，当扫描间距大于0.25mm后，致密度下降较为显著。
2.2力学性能研究
2.2.1拉伸性能研究
力学性能是评价零件质量好坏与否以及加工制作此零件所用工艺合适与否的一项重要指标，因此，不同的工艺加工制作的零件通常用力学性能来进行表征。激光选区3D打印技术因其特有的增材制造特点，相较于传统的加工工艺(如铸造、锻造等)在成形零件结构以及成形效率方而有显著优势，然而，力学性能更是成形零件能够广泛应用的决定因素，有研究认为工艺参数对成形件力学性能有直接影响。
2.2.1.1试样制备
考虑到成形件表面质量会对拉伸实验的结果有所影响，在制作拉伸试样时，首先制作比标准样件尺寸略大的矩形条，然后利用线切割的方法切割出标测试尺寸。
2.2.1.2拉伸性能测试
拉伸试样制备完成后，使用拉伸试验机在室温条件下进行测试，位移速率控制调节范围：0.001-1000mm/min。选取三组工艺参数进行拉伸试样的成形，实验所用参数及相对应的拉伸强度结果如表所示。整个成形过程均在高纯氯气的保护气体中进行，保证成形腔内的氯含量在l00ppm以下，以防成形过程中成形试样在高温下发生氧化。
由表中可以看岀，三组参数下最大抗拉强度为1296.50MPa，平均抗拉强度为1257.81，略大于同等条件下锻件拉伸强度。H13材质的抗拉强度为合金钢的1.5倍以上，一般在1200左右。
下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
一种耐高温耐磨旋锻辊，包括基体、包覆在基体外部的高温耐磨层；所述基体为H13模具钢基体，所述高温耐磨层采用耐磨耐高温合金粉末经激光3D打印熔覆在基体表面而得。所述高温耐磨层的厚度为1.0mm。
所述耐高温耐磨旋锻辊的加工方法，包括如下步骤：
S1、旋锻辊表面预处理
对旋锻辊表面进行打磨和除污，去除掉旋锻辊基体表面的氧化层、油渍和其他污染物；
S2、激光3D打印高温耐磨层
以耐磨耐高温合金粉末为原料，使用激光同轴送粉器将耐磨耐高温合金粉末送入旋锻辊样品基体表面，同时采用光纤激光器进行逐层激光3D打印，直至打印层厚度达到1.0mm；
所述激光器工艺参数控制为：焦距f＝250mm～300mm，打印功率P＝8000W，光斑直径D＝0.3mm～1.2mm，打印扫描速率V＝400mm/s～600mm/s，搭接率θ＝40％。
所述耐磨耐高温合金粉末具体包括：Ni：25％，C：6％，Cr：8％～9.5％，Co：13％，B：2.5％，Si：3.0％，P：2.3％，W：8.0％，Be：3.5％，Fe：4％，Mn：1.0％。
S3、冷却
将打印完毕的旋锻辊降温直至完全冷却，即可获得边界平直、厚度均一的3D打印耐磨层，得到表面致密均匀、耐高温耐磨的旋锻辊。
取实施例1制备的旋锻辊进行性能检测。
1、物相分析
随机从所制得的样品中抽取多个长、宽、高、体积一致的试块作为试品，利用DX-2700X摄像衍射仪对各试品的激光3D打印层进行物像分析，均得到如图3所示的3D打印层横截面金相图。
由图3可知，上面部分为3D打印层，下面为旋锻辊基体，3D打印层与旋锻辊基体有明显的界面。在界面处，基体与3D打印层呈冶金结合，3D打印层厚度约为1.0mm，3D打印层内无气孔和裂纹，3D打印层内部质量良好。
图4为3D打印层的SEM图，显示了3D打印层与旋锻辊基体界面的结合情况。其中竖线显示了线扫描的位置和方向。由图可以看出，各元素在整个3D打印层分布均匀。
2、硬度分析
采用HVS-1000型数字显微硬度计对样品的3D打印层进行维氏硬度测量，加载载荷为200g，加载时间为10s，测量5次后取平均值。从激光3D打印层表面垂直向下，每隔0.1mm的距离进行测量，同一垂直距离上沿横向测量三个点，三个点的间隔均为0.2mm，然后取三个点的平均值作为该垂直距离上的维氏硬度值，据此做出如图5所示的试品3D打印层沿厚度方向上的维氏硬度曲线。
由图5可知，从显微硬度曲线中可以看出，最高硬度出现在次表层，其最高硬度为705HV，3D打印层平均硬度为675HV，而旋锻辊基体的硬度仅为470HV。
与旋锻辊基体相比较，3D打印层的硬度提高了近2倍，这也就意味着本发明制得的3D打印层对外接物体入侵的局部抵抗能力较强。在实际3D打印过程中，考虑到3D打印层在旋锻辊基体表面的附着力问题，3D打印层厚度应不低于0.5mm；而考虑到成本的问题，3D打印层厚度也不应超过2.5mm。
3、耐磨性分析
随机从所制得的样品中抽取多个作为有3D打印层试品，另外选取多个无3D打印层的旋锻辊基体作为对比试品，针对摩擦系数、磨损量进行实验和对照。
3.1摩擦系数对比
使用摩擦系数仪对3D打印层及旋锻辊基体进行实验测试。
图6为3D打印层及旋锻辊基体的摩擦系数随时间变化的曲线。从曲线中可以看出，旋锻辊基体的最大摩擦系数为0.8027，平均摩擦系数为0.614；随着时间推移，旋锻辊基体的摩擦系数有一个先下降、再上升的变化趋势。3D打印层的最大摩擦系数为0.496，平均摩擦系数为0.45；随着时间的推移，摩擦系数基本保持由小变大的趋势。
从整个摩擦过程中来看，打印层的摩擦系数明显低于旋锻辊基体的摩擦系数，摩擦系数小；同时，随着时间的推移，打印层的摩擦系数变化幅度显著小于旋锻辊基体的摩擦系数变化幅度，运行比较平稳，不易发生磨损。
3.2磨损量对比
采用MFT-R4000高速往复摩擦磨损试验机对有3D打印层的试品以及无3D打印层试品进行了表面耐磨性的测试，试验结束后，用丙酮清洗试验，干燥后进行摩擦量的测试。
摩擦磨损量是通过NanoMap500LS扫描三维表面轮廓仪测量而得，它的原理是通过扫描探针对试品的磨痕截面进行扫描后，然后用SPIP5.13软件进行分析。每个试样扫描5次，从而测定出磨痕的平均横截面积，再乘以磨痕长度即得磨痕体积。图7-1、图7-2分别为3D打印层和旋锻辊基体的磨痕截面形貌；图8所示为3D打印层和旋锻辊基体的磨痕体积柱状图。
由图7-1、图7-2可知，旋锻辊基体试样的磨痕深度约为55μm左右，宽度为1200μm左右；而3D打印层的磨痕深度约为19.5μm左右，宽度为1200μm左右。在相同的试验条件下，3D打印层的磨痕、磨宽均小于旋锻辊基体。
由图8可知，3D打印层的磨痕体积明显小于旋锻辊基体的磨痕体积，也就意味着，3D打印层有利于提高产品的耐磨性，延长了产品的寿命。
基于对摩擦系数和磨损量的综合分析可以看出，所述3D打印层的耐磨性能显著优于旋锻辊基体的耐磨性能。
4、抗高温侵蚀性能分析
随机从所制得的样品中抽取多个作为有3D打印层试品，另外选取多个无3D打印层的旋锻辊基体作为对比试品，测试试品在不同温度下的摩擦因数，并根据测试值建立曲线；图9是相同摩擦条件下，3D打印层试品与旋锻辊基体为配副，摩擦因数在不同温度下的变化曲线。
由图可知，①从数值上来讲，3D打印层的摩擦因数始终小于旋锻辊基体的摩擦因数，且相差幅度较大；②从趋势上来讲，随着试验温度的升高，旋锻辊基体的摩擦因数先升高后降低，且波动幅度较大；3D打印层的摩擦因数呈逐渐降低趋势，但波动幅度较小。
总之，3D打印层的摩擦因数受温度变化的影响不大，其耐高温性能远远优于旋锻辊基体。
通过上述四种性能的综合对比，本发明对旋锻辊基体表面打印所得3D打印层组织致密，无裂纹、无气孔，与旋锻辊基体表面形成良好的冶金结合。另外使用本发明对旋锻辊基体表面打印所得3D打印层提高了旋锻辊基体的硬度及耐磨性，提高了旋锻辊基体对外接物体入侵的局部抵抗能力，延长了旋锻辊基体产品的使用寿命。
实施例2～实施例4
实施例2～实施例4与实施例1的加工方法基本相同，其区别在于，四个实施例中使用的耐磨耐高温合金粉末的具体成分含量不同。三种耐磨耐高温合金粉末的具体成分见下表，
对比例1
对比例1与实施例1的加工方法基本相同，其区别在于，所使用的耐磨耐高温合金粉末的具体成分含量不同，具体为，对比例1的耐磨耐高温合金粉末中不包括B、Co、P三种元素，如上表所示。
对比例2
对比例2与实施例1的加工方法基本相同，其区别在于，所使用的耐磨耐高温合金粉末的具体成分含量不同，具体为，对比例2的耐磨耐高温合金粉末中不包括B、P两种元素，如上表所示。
对比例3
对比例3采用H13旋锻辊，对3D打印前后旋锻辊性能进行对比。
取实施例1～4、对比例1～对比例3加工的旋锻辊样品，分别检测其在室温、300℃、500℃三个温度条件下的力学性能。检测设备采用数字显微硬度计、摩擦磨损试验机拉伸试验机等，检测结果见下表：
通过上述对比数据可以看出，在C、P、Co、B等元素等共同作用下，实施例1～实施例4的样品均具有较高的硬度、抗拉强度、以及良好的耐磨性，在高温环境下，不易开裂变形，具有较长的工作寿命，满足耐磨耐高温工作要求。与对比例3的H13基体相比，在室温、300℃、500℃三种条件下的耐磨性能均有显著提升。
对比例1、对比例2所采用的合金材料与实施例1～实施例4的材料组分不同，其中，对比例1的合金粉末中不包括B、Co、P三种元素，对比例2的合金粉末中不包括B、P两种元素。通过测试数据可以看出，对比例1、对比例2在硬度、摩擦系数、抗拉强度三个方面均明显劣于实施例1～实施例4产品，证明本发明所使用的耐磨耐高温合金粉末具有显著的优越性。同时，通过对比例1、对比例2之间的对比可以看出，尽管对比例2添加了具有抗高温侵蚀、耐磨性的Co元素，但缺少其他元素的配合和协同，其高温的耐磨性也显著低于实施例1～实施例4产品，证明耐磨耐高温合金粉末元素成分之间的相互作用对最终打印层的性能、以及打印层与基体之间的结合程度具有很大的影响意义。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种耐高温耐磨旋锻辊，其特征在于：所述旋锻辊包括基体、包覆在基体外部的高温耐磨层；所述基体为H13模具钢基体，所述高温耐磨层采用耐磨耐高温合金粉末经激光3D打印熔覆在基体表面而得。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温耐磨旋锻辊，其特征在于：所述高温耐磨层的厚度为0.5mm～2.5mm。
3.一种如权利要求1～2任一项所述的耐高温耐磨旋锻辊的加工方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、基体表面预处理
对基体表面进行打磨和除污，去除掉基体表面的氧化层、油渍和其他污染物；
S2、激光3D打印高温耐磨层
以耐磨耐高温合金粉末为打印原料，采用激光金属3D打印技术，在预处理后的基体表面进行逐层激光3D打印，直至打印层厚度达到设计厚度；
S3、冷却
将打印完毕的旋锻辊降温直至完全冷却，即可耐高温耐磨旋锻辊。
4.根据权利要求3所述的耐高温耐磨旋锻辊的加工方法，其特征在于：所述步骤S1的具体过程是，先使用打磨设备对旋锻辊基体表面进行打磨处理，待旋锻辊基体表面的氧化层被打磨干净、基体表面光滑有亮泽时，再使用除污剂对旋锻辊基体表面进行清洗，以去除油渍和其它污染物。
5.根据权利要求4所述的耐高温耐磨旋锻辊的加工方法，其特征在于：所述打磨设备为砂纸或者打磨机，打磨砂纸为80目～120目，打磨后的旋锻辊基体表面粗糙度Ra≤12.5；所述除污剂为丙酮。
6.根据权利要求3所述的耐高温耐磨旋锻辊的加工方法，其特征在于：所述步骤S2的具体过程为，使用激光同轴送粉器将耐磨耐高温合金粉末送至旋锻辊基体表面，同时使用激光器进行逐层激光3D打印；所述激光器为光纤激光器，打印采用多道单层成形工艺。
7.根据权利要求6所述的耐高温耐磨旋锻辊的加工方法，其特征在于：所述光纤激光器的工艺参数为：聚焦镜焦距f＝250mm～300mm，打印功率P＝8000W，光斑直径D＝0.3mm～1.2mm，打印扫描速率V＝400mm/s～600mm/s，搭接率θ＝40％。
8.根据权利要求3所述的耐高温耐磨旋锻辊的加工方法，其特征在于：所述步骤S2中，耐磨耐高温合金粉末的具体成分包括以重量百分数计的如下组分：Ni：20.0％～30.0％；C：5.0％～12.0％；Cr：6.0％～10.0％；Co：12.0％～16.0％；B：2.0％～5.0％；Si：2.0％～6.0％；P：2.0％～3.0％；W：8.0％～12.0％；Be：3.0％～5.0％；Mn：1.0％～2.0％；余量为Fe，且Fe含量不小于7.0％。
9.根据权利要求8所述的耐高温耐磨旋锻辊的加工方法，其特征在于：所述耐磨耐高温合金粉末的具体成分包括以重量百分数计的如下组分：Ni：25.0％～29.0％；C：6.0％～10.0％；Cr：8.0％～9.5％；Co：13.0％～16.0％；B：2.5％～4.5％；Si：3.0％～5.0％；P：2.3％～2.8％；W：8.0％～10.0％；Be：3.5％～4.5％；Mn：1.0％～1.6％；余量为Fe。
10.根据权利要求3所述的耐高温耐磨旋锻辊的加工方法，其特征在于：所述耐磨耐高温合金粉末为规则球形粉末，且粒度为45μm-120μm的球形粉末在耐磨耐高温合金粉末中的占比不小于90％。
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