CN105478762A - 一种Cr3C2-FeCr复合材料构件的激光成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Cr3C2-FeCr复合材料构件的激光成形方法，其所选用的原料粉体配方为：石墨？4.23~6.31wt.%，Cr？39.82~47.25wt.%，Mo？3.26~5.16%，稀土氧化物0.59~0.71wt.%，Fe余量；原料采用粉体形式，金属Fe、Cr、Mo粉和石墨粉的颗粒尺寸50~200微米。激光成形的粉体定量输送采用多料斗输送***完成，激光成形采用4管同轴不连续喷粉头，通过对粉体输送***和激光头的控制，能够实现Cr3C2-FeCr构件的内外梯度分层结构，Cr3C2-FeCr构件的断裂韧度可达到Fe基合金的70%以上。
Description
技术领域
本发明属于激光成形领域，涉及一种Cr3C2-FeCr复合材料构件的激光成形方法。
背景技术
Cr的碳化物类型主要有M3C2,M3C,M7C3和M23C6等类型，热力学稳定性较好的是Cr3C2、Cr7C3和Cr23C6，Cr3C2和Cr7C3常用做金属基复合材料（MMC）的增强相。其中Cr3C2在高温条件下依然能保持相当高的硬度，还具有很强的耐蚀性和耐磨性。Cr3C2-FeCr具有良好的高温耐磨性能，在中温环境下，可以代替昂贵的镍基、钴基合金及其复合材料。
MMC的制备技术依据增强颗粒的加入方式的不同，可分为原位自生和强制加入两种。外加Cr3C2颗粒的激光加工复合材料，会导致材料中Cr3C2分解，并重新生成Cr7C3等碳化物，成为Cr3C2复合材料激光加工的难点之一。原位自生技术借助合金设计，在基体金属内原位反应成核，生成一种或几种热力学稳定的增强相，这种方法避免了外加增强体的分解、节约能源、资源并能够减少排放，材料的增强体表面无污染，制品性能优良。但其工艺过程要求严格、较难掌握、且增强相的成分和体积分数不易控制。
激光成形工艺利用小体积累积成形的方法，可以在宏观控制增强相的均匀分布，为送粉激光原位成形颗粒增强MMC提供可能。金属粉与石墨粉的堆积密度相差较大，在激光成形过程中，容易因为粉体密度相差较大而造成分层，在成形部件中造成增强相的分布不均，而且会改变增强相的设计成分，大幅降低Cr3C2-FeCr复合材料部件的性能。因此本发明采用在线连续送粉激光原位复合成形的方法，制备Cr3C2-FeCr复合材料部件，使成形部件的增强相连续可控。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种增强相分布可控的Cr3C2-FeCr复合材料构件的激光成形方法。本发明方法从原位合成路线和激光成形工艺着手，提供一种新的Cr3C2-FeCr复合材料结构件的激光成形方法，能够使增强相在复合材料中均匀分布，实现性能优良的Cr3C2-FeCr复合材料部件的激光成形。
本发明方法主要包括以下步骤：
（1）原料配方与预处理
原料配方为：石墨4.23~6.31wt.%，Cr39.82~47.25wt.%，Mo3.26~5.16%，稀土氧化物0.59~0.71wt.%，Fe余量；原料采用粉体形式，金属Fe、Cr、Mo粉和石墨粉的颗粒尺寸50~200微米；将金属Cr粉和稀土氧化物粉末球磨0.5~5小时；
（2）送粉与混料
采用多料斗螺旋送粉混合***，所述多料斗螺旋送粉混合***由四个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头连接组成，将Cr和稀土氧化物的混合粉末放入第1个料斗中，Fe粉置于第2料斗中，Mo粉置于第3料斗中，石墨粉置于第4个料斗中，4个送粉器同时送粉，并通过调整螺杆转速控制粉体的比例；
（3）激光成形
所述激光头采用4管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉，使熔池各成分均匀分布；对设计部件的数字图形分层切片，建立激光扫描路径，成形过程中，调节螺杆转速，使得局部生成的增强相Cr3C2在构件中的比例成梯度连续变化，即构件外层为Cr3C2-FeCr复合材料，内层为金属基体材料，并最终使用的原料符合步骤（1）的比例要求。
步骤（3）中采用光纤/CO2激光器。光纤/CO2激光的输出功率100~3000W,光斑直径0.2~4mm，搭接率10~80%，激光头Ar气流量0.2~13L/min，送粉器Ar气流量0.2~12L/min，激光头扫描速度3~125mm/s。
本发明所用的多料斗螺旋送粉混合***由四个送粉器分别通过送粉管与一个激光头连接组成，如图1所示。所述送粉器由料斗、螺杆和流化器组成，所述螺杆由直流步进电机推动。
Cr3C2-FeCr复合材料的性能取决于Cr3C2的含量、尺寸和均匀分布。本发明以多料斗螺旋送粉混料***即时送粉，并利用同轴不连续激光头成形出Cr3C2-FeCr复合材料部件，实现增强相的分布控制，消除复合材料中Cr3C2不均匀分布的情况，实现Cr3C2含量可调的Cr3C2-FeCr复合材料结构件的激光成形。
本发明方法同时将构件表层和内层进行分别成形，控制送粉成分，实现内外分层结构的金属基复合材料部件的激光制造，使部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的70%以上。
附图说明
图1多料斗螺旋送粉混合***结构示意图。
具体实施方式
结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例一
一种Cr3C2-FeCr复合材料冶金退火炉辊激光成形方法，包括以下流程：
（1）原料采用粉体形式，金属Fe、Cr、Mo粉和石墨粉的颗粒尺寸50~200微米以上；原料成分为：石墨4.23wt.%，Cr43.37wt.%，Mo3.26%，稀土氧化物0.59wt.%，Fe48.55wt.%；将Cr粉、稀土氧化物球磨混合2小时。
（2）采用多料斗螺旋送粉混合***进行送粉和即时混合，将Cr和稀土氧化物的混合粉末放入第1个料斗中，Fe粉置于第2料斗中，Mo粉置于第3料斗中，石墨粉置于第4个料斗中；4个送粉器同时送粉，并通过螺杆转速调整Cr3C2在粉体反应产物中的含量。
（3）激光成形
激光成形的激光头采用4管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉以使得激光熔池的成分得以均匀分布；将待加工的部件的数字图形分层切片，并建立激光扫描路径，然后控制送粉成分，利用数控机床进行激光成形，实现部件内外分层结构的激光成形，形成外层为耐磨的Cr3C2-FeCr复合材料，内部基体为金属基体的特殊结构件。激光加工使用光纤激光器，其输出功率550W,光斑直径0.35mm，搭接率38%，激光头Ar气流量4.6L/min，送粉器Ar气流量7.3L/min，激光头扫描速度12mm/s。
成形部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的70%以上。
实施例二
一种Cr3C2-FeCr复合材料热成型模具激光成形方法，包括以下流程：
（1）原料采用粉体形式，金属Fe、Cr、Mo粉和石墨粉的颗粒尺寸50~200微米以上；原料成分为：石墨5.19wt.%，Cr39.82wt.%，Mo5.16%，稀土氧化物0.71wt.%，Fe余量；将Cr粉、稀土氧化物球磨混合2.5小时。
（2）采用多料斗螺旋送粉混合***进行送粉和即时混合，将Cr和稀土氧化物的混合粉末放入第1个料斗中，Fe粉置于第2料斗中，Mo粉置于第3料斗中，石墨粉置于第4个料斗中；4个送粉器同时送粉，并通过螺杆转速调整Cr3C2在粉体反应产物的含量。
（3）激光成形
激光成形的激光头采用4管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉以使得激光熔池的成分得以均匀分布；将待加工的部件的数字图形分层切片，并建立激光扫描路径，然后控制送粉成分和激光扫描路线，利用数控机床实现复合件内外分层结构的激光成形，形成外层为耐磨的Cr3C2-FeCr复合材料内部基体为金属基体的特殊结构件。激光加工使用CO2激光器，其输出功率800W,光斑直径0.25mm，搭接率55%，激光头Ar气流量3.8L/min，送粉器Ar气流量6.2L/min，激光头扫描速度14mm/s。
成形部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的70%以上。
实施例三
一种Cr3C2-FeCr复合材料热连轧输送辊激光成形方法，包括以下流程：
（1）原料采用粉体形式，金属Fe、Cr、Mo粉和石墨粉的颗粒尺寸50~200微米以上；原料成分为：石墨6.31wt.%，Cr47.25wt.%，Mo4.86%，稀土氧化物0.64wt.%，Fe40.94wt.%；将Cr粉、稀土氧化物球磨混合3小时。
（2）采用多料斗螺旋送粉混合***进行送粉和即时混合，将Cr和稀土氧化物的混合粉末放入第1个料斗中，Fe粉置于第2料斗中，Mo粉置于第3料斗中，石墨粉置于第4个料斗中；4个送粉器同时送粉，并通过螺杆转速调整Cr3C2在粉体反应产物的含量。
（3）激光成形工艺
激光成形的激光头采用4管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉以使得激光熔池的成分得以均匀分布；将待加工的部件的数字图形分层切片，并建立激光扫描路径，然后控制送粉成分和激光扫描路线，利用数控机床实现复合件内外分层结构的激光成形，形成外层为耐磨的Cr3C2-FeCr复合材料内部基体为金属基体的特殊结构件。激光加工使用光纤激光器，其输出功率900W,光斑直径0.40mm，搭接率30%，激光头Ar气流量7.8L/min，送粉器Ar气流量7.5L/min，激光头扫描速度28mm/s。
Claims (3)
1.一种Cr3C2-FeCr复合材料构件的激光成形方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）原料配方与预处理
原料配方为：石墨4.23~6.31wt.%，Cr39.82~47.25wt.%，Mo3.26~5.16%，稀土氧化物0.59~0.71wt.%，Fe余量；原料采用粉体形式，金属Fe、Cr、Mo粉和石墨粉的颗粒尺寸50~200微米；将金属Cr粉和稀土氧化物粉末球磨0.5~5小时；
（2）送粉与混料
采用多料斗螺旋送粉混合***，所述多料斗螺旋送粉混合***由四个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头连接组成，将Cr和稀土氧化物的混合粉末放入第1个料斗中，Fe粉置于第2料斗中，Mo粉置于第3料斗中，石墨粉置于第4个料斗中，4个送粉器同时送粉，并通过调整螺杆转速控制粉体的比例；
（3）激光成形
所述激光头采用4管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉，使熔池各成分均匀分布；对设计部件的数字图形分层切片，建立激光扫描路径，成形过程中，调节螺杆转速，使得局部生成的增强相Cr3C2在构件中的比例成梯度连续变化，即构件外层为Cr3C2-FeCr复合材料，内层为金属基体材料，并最终使用的原料符合步骤（1）的比例要求。
2.根据专利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，步骤（3）中采用光纤/CO2激光器，输出功率100~3000W,光斑直径0.2~4mm，搭接率10~80%，激光头Ar气流量0.2~13L/min，送粉器Ar气流量0.2~12L/min，激光头扫描速度3~125mm/s。
3.根据专利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，所述送粉器由料斗、螺杆和流化器组成，所述螺杆由直流步进电机推动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160413 |