CN107119270A - 一种穿孔顶尖激光3d打印再制造方法 - Google Patents

一种穿孔顶尖激光3d打印再制造方法 Download PDF

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Abstract

一种高强长寿命穿孔顶尖激光3D打印再制造方法，属于激光快速成形技术领域。包括在顶尖尾部一侧任意点选取起熔点，激光3D打印熔覆第一层第一道圆环，完成后激光光斑沿第一道圆环内侧向顶尖鼻部一侧移动1.5～2.0mm，开始激光熔覆第二道圆环；反复操作激光熔覆步骤至顶尖表面全覆盖，后机加工；然后将激光头高度升高1～2mm，激光熔覆第二层；各层熔覆方向一致，最终由两层激光熔覆层组成顶尖熔覆层，总计厚度为2～3mm；激光3D打印熔覆层功能梯度设计，底层为Ni基金属粉末，表层为Co基金属粉末，步骤所使用的激光熔覆参数一致均为激光功率：3000～4000kw，光斑直径：3～5mm等。优点在于，表层硬度高、抗冲刷、耐磨损和耐腐蚀，综合性能优越，使用寿命高。

Description

一种穿孔顶尖激光3D打印再制造方法
技术领域
本发明属于激光快速成形技术领域。特别涉及一种穿孔顶尖激光3D打印再制造方法。尤其涉及一种高强长寿命穿孔顶尖激光3D打印再制造方法。
背景技术
作为工业4.0最受瞩目的技术之一，3D打印在全球范围内的发展速度“突飞猛进”。近年来，我国对3D打印技术的发展和应用更是空前关注，尤其是2016年初科技部在《中国制造2025》基础上宣布启动实施增材制造和激光制造重点专项后，金属激光3D打印技术和再制造技术在复杂冶金零部件的制造和再制造应用上持续升温，对于一些传统制造方法难于制造和修复的零部件可进行功能梯度设计，起到表面改性目的，显著提高工件的使用寿命，降低生产成本，具有极大的市场前景。
钢管生产在国民经济中占有重要的地位，世界各国都十分重视钢管生产技术的发展。斜轧穿孔是热轧无缝钢管生产中最重要的成形工序，它的任务是将实心的坯料穿成空心的毛管。而穿孔顶尖(见图1)则是无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一。它的质量好坏和寿命高低直接影响钢管生产的效率和钢管的质量。由于穿孔顶尖的工作条件相当恶劣(经常受到高温高压、急冷急热，并经受高周次机械疲劳和热疲劳)，极易造成顶尖鼻部塌陷、表面开裂、尾部起堆等失效形式而损坏，使得它的使用寿命不长，严重影响了钢管的生产效率和钢管的质量，是热轧无缝钢管生产中急需解决的问题。据了解，一般材质顶尖穿普通钢管，寿命不超过300支，穿合金钢管时，寿命不超过100支，有的只穿几支。因此，为了提高穿孔顶尖的使用寿命，国内外不少高校、研究院所、企业对穿孔顶尖进行了研究。1、改进穿孔顶尖形状以及制备工艺，目前趋于成熟；2、研究顶尖新材质，①选择淬透性高、热强性能好的4Cr5MoSiV钢做穿孔顶尖，寿命比传统材质3Cr2W8V提高一倍以上；②选择20CrNi8作为穿孔顶尖的新材质，顶尖消耗有明显下降趋势，且钢管内表面光亮；③选择Mo合金顶尖，虽然使用寿命可显著提高，但成本高昂；3、顶尖热处理、氧化工艺，顶尖氧化膜在穿孔时可以起到隔热、润滑的作用，有利于寿命的提高；4、复合涂层制造，是目前研究的热点。它是以模具钢作为顶尖基体，在鼻部外表面堆焊一层抗氧化Mo基或Co基硬化合金层，使鼻部与钢基体之间形成冶金结合，构成复合顶尖，平均寿命可提高3-5倍，轧制每千吨钢管耗顶头损耗降至1.5t。但是，由于堆焊熔合区有时会出现延伸性下降的脆***界面，受冲击载荷作用时可能产生堆焊层剥离现象。在高温条件下工作时，可能会发生碳迁移现象，导致高温强度和抗腐蚀能力降低。若基材与堆焊层热膨胀系数差别较大时，在焊接、焊后热处理、或使用过程中，可能发生裂纹。另外，由于堆焊工艺本身特点的要求，往往采用预热、缓冷、多层焊工艺，反复热循环将引起堆焊层化学成分和金相组织的变化，造成组织和成分的不均匀分布。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强长寿命穿孔顶尖激光3D打印再制造方法，解决了复合涂层制造堆焊层容易剥离及组织和成分的不均匀的问题。实现了熔覆层梯度功能设计，底层与基体浸润性好、结合强度高，表层硬度高、抗冲刷、耐磨损和耐腐蚀，综合性能优越，显著提高了顶尖使用寿命。
一种高强长寿命穿孔顶尖激光3D打印再制造方法，具体步骤及参数如下：
1、在顶尖尾部任意点选取起熔点，开始激光3D打印熔覆第一层第一道圆环的熔覆，第一道圆环的外侧要与顶尖尾部外侧对齐；
2、完成第一层第一道圆环的激光3D打印熔覆后，激光光斑沿第一道圆环内侧向顶尖鼻部一侧移动1.5～2.0mm，开始第一层第二道圆环的激光熔覆，熔覆方向与熔覆第一层第一道圆环的熔覆方向一致；
3、完成第一层第二道圆环激光3D打印熔覆后，重复步骤2，再完成若干道圆环熔覆直至顶尖鼻部，使得顶尖表面全覆盖，过程中每道激光熔覆方向一致；由这些道圆环组成第一层熔覆层；之后进行机加工使其表面光洁、光滑；
4、将激光头的高度升高1～2mm，在顶尖鼻部选取任意起熔点，开始熔覆第二层第一道圆环的激光3D打印熔覆，熔覆方向与第一层熔覆层方向一致，且第一道圆环的外侧要与顶尖鼻部外侧对齐；
5、完成第二层第一道圆环激光3D打印熔覆后，激光光斑沿第一道圆环内侧向顶尖尾部一侧移动1.5～2.0mm，开始熔覆第二层第二道圆环的激光熔覆，熔覆方向与之前一致；
6、完成熔覆第二层第二道圆环激光3D打印熔覆后，重复步骤5，再完成若干道圆环熔覆直至顶尖尾部使之全覆盖上第一层熔覆层，保持每道激光熔覆方向一致；由这些道圆环组成第二层熔覆层；
最终由两层激光熔覆层组成顶尖的熔覆层，总计厚度为2～3mm；之后进行机加工使其表面光洁、光滑，使得顶尖表面光洁度满足使用条件。
顶尖材质为20Cr2Ni4，常温强度高，HRC40左右，但耐高温性能较差，容易出现变形、开裂。激光3D打印熔覆层功能梯度设计(见图2)，采用两种熔覆材料，底层熔覆材料选择与顶尖材质热膨胀系数相近的Ni基金属粉末，与基体浸润性好，冶金结合良好；表层熔覆材料选择高强度、耐高温、耐腐蚀的Co基金属粉末，提高使用性能。
Ni基材料，其化学成分重量百分比为：Ni：50～60％、Cr：14～18％、Mo：15～20％、W：3.0～6.0％、C＜0.5％、Si＜1.0％、Mn＜2.0％，余量为Fe及不可避免杂质；Co基材料，其化学成分重量百分比为：Co：50～60％、Cr：28～32％、W：6.0～10.0％、Ni：2.0～4.0％、C＜2.0％、Si＜1.5％、Mn＜1.0％、Mo＜1.0％，余量为Fe及不可避免杂质。在顶尖基体表面上激光3D打印熔覆两层厚度为2～3mm的Ni/Co基合金层，使其具有高的耐蚀耐磨性。
步骤1～6所使用的激光3D打印熔覆参数一致；激光熔覆参数为：激光功率：3000～4000kw，扫描速度：8～12mm/s，光斑直径：Φ3～5mm，送粉量：20～30g/min，每层厚度为：1.0～1.5mm。
本发明的优点在于：基体热影响区极小，基体温升不超过80℃，组织致密，晶粒细小；熔覆层与基体冶金结合良好，顶尖高温性能优异，800℃时强度达500Mpa，使用寿命显著延长。
附图说明
图1为顶尖结构示意图。其中，δ—鼻部直径、Φ1—沉孔直径、b—鼻部厚度、Φ—内孔开口直径、α—辗轧锥角、C—丝口深度、a—鼻侧壁厚度、M—内丝底径、d—沉孔长度、DH—定径带直径。
图2为熔覆层梯度功能设计示意图，其中基材1、结合层2、面层3。
图3为熔覆层内部组织形貌金相显微图。
图4为界面结合处熔覆层与基体组织电镜扫描图。
具体实施方式
实施例1
具体步骤及参数如下：
1、在顶尖尾部任意点选取起熔点，开始激光3D打印熔覆第一层第一道圆环的熔覆，第一道圆环的外侧要与顶尖尾部外侧对齐；
2、完成第一层第一道圆环的激光3D打印熔覆后，激光光斑沿第一道圆环内侧向顶尖鼻部一侧移动1.8mm，开始第一层第二道圆环的激光熔覆，熔覆方向与熔覆第一层第一道圆环的熔覆方向一致；
3、完成第一层第二道圆环激光3D打印熔覆后，重复步骤2，再完成110道圆环熔覆直至顶尖鼻部，使得顶尖表面全覆盖，过程中每道激光熔覆方向一致；由这些道圆环组成第一层熔覆层；之后进行机加工使其表面光洁、光滑；
4、将激光头的高度升高1.2mm，在顶尖鼻部选取任意起熔点，开始熔覆第二层第一道圆环的激光3D打印熔覆，熔覆方向与第一熔覆层方向一致，且第一道圆环的外侧要与顶尖鼻部外侧对齐；
5、完成第二层第一道圆环激光3D打印熔覆后，激光光斑沿第一道圆环内侧向顶尖尾部一侧移动1.8mm，开始熔覆第二层第二道圆环的激光熔覆，熔覆方向与之前一致；
6、完成熔覆第二层第二道圆环激光3D打印熔覆后，重复步骤5，再完成110道圆环熔覆直至顶尖尾部全覆盖上第一层熔覆层，保持每道激光熔覆方向一致；由这些道圆环组成第二层熔覆层；
最终由两层激光熔覆层组成顶尖的熔覆层，总计厚度为2.4mm；之后进行机加工使其表面光洁、光滑，满足使用条件。
顶尖材质为20Cr2Ni4，激光3D打印熔覆两层，分别为Ni基层和Co基层，其化学成份按重量百分比为：
第一层：Ni基层，其化学成分重量百分比为：Ni：56.0％、Cr：16.0％、Mo：18.0％、W：4.0％、C：0.12％、Si：0.78％、Mn：1.4％、Fe：3.7％；
第二层：Co基层，其化学成分重量百分比为：Co：54.5％、Cr：30.0％、W：7.5％、Ni：2.5％、C：1.8％、Si：1.2％、Mn：0.1％、Mo：0.2％、Fe：4.2％。
步骤1～6所使用的激光3D打印熔覆参数一致；激光熔覆参数为：激光功率：3600kw，扫描速度：10mm/s，光斑直径：Φ4mm，送粉量：20g/min，每层厚度为：1.2mm。
组织观察，见图3和图4。熔覆层组织细小、均匀；熔覆层与基材组织冶金结合良好，熔覆层枝晶组织犹如“钉子”般钉扎在基体上，提高界面结合强度。
顶尖硬度检测，见表1。
表1面层洛氏硬度(常温)
数量 1 2 3 4 5 6 7 8 平均
HRC 43 45 41 42 43 44 44 42 43
顶尖高温性能，见表2。
表2面层高温强度
温度/℃ 500 800 1000
强度/Mpa 750 500 100

Claims (4)

1.一种高强长寿命穿孔顶尖激光3D打印再制造方法，其特征在于，具体步骤及参数如下：
1)在顶尖尾部任意点选取起熔点，开始激光3D打印熔覆第一层第一道圆环的熔覆，第一道圆环的外侧要与顶尖尾部外侧对齐；
2)完成第一层第一道圆环的激光3D打印熔覆后，激光光斑沿第一道圆环内侧向顶尖鼻部一侧移动1.5～2.0mm，开始第一层第二道圆环的激光熔覆，熔覆方向与熔覆第一层第一道圆环的熔覆方向一致；
3)完成第一层第二道圆环激光3D打印熔覆后，重复步骤2，再完成若干道圆环熔覆直至顶尖鼻部，使得顶尖表面全覆盖，过程中每道激光熔覆方向一致；由这些道圆环组成第一层熔覆层；之后进行机加工使其表面光洁、光滑；
4)将激光头的高度升高1～2mm，在顶尖鼻部选取任意起熔点，开始熔覆第二层第一道圆环的激光3D打印熔覆，熔覆方向与第一熔覆层方向一致，且第一道圆环的外侧要与顶尖鼻部外侧对齐；
5)完成第二层第一道圆环激光3D打印熔覆后，激光光斑沿第一道圆环内侧向顶尖尾部一侧移动1.5～2.0mm，开始熔覆第二层第二道圆环的激光熔覆，熔覆方向与之前一致；
6)完成熔覆第二层第二道圆环激光3D打印熔覆后，重复步骤5)，再完成若干道圆环熔覆直至顶尖尾部全覆盖上第一层熔覆层，保持每道激光熔覆方向一致；由这些道圆环组成第二层熔覆层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)～6)中所述的熔覆层材料功能梯度设计，分别为底层Ni基和表层Co基金属粉末。Ni基熔覆材料，与基体浸润性好、结合强度高，其化学成分重量百分比为：Ni：50～60％、Cr：14～18％、Mo：15～20％、W：3.0～6.0％、C＜0.5％、Si＜1.0％、Mn＜2.0％，余量为Fe及不可避免杂质；Co基熔覆材料，硬度高、抗冲刷、耐磨损和耐腐蚀，其化学成分重量百分比为：Co：50～60％、Cr：28～32％、W：6.0～10.0％、Ni：2.0～4.0％、C＜2.0％、Si＜1.5％、Mn＜1.0％、Mo＜1.0％，余量为Fe及不可避免杂质。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1～6所使用的激光3D打印熔覆参数一致；激光熔覆参数为：激光功率：3000～4000kw，扫描速度：8～12mm/s，光斑直径：Φ3～5mm，送粉量：20～30g/min，每层厚度为：1.0～1.5mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)～6)中所述的最终由两层激光熔覆层组成顶尖的熔覆层，总计厚度为2～3mm。
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Address after: 100041 Shijingshan Road, Shijingshan District, Shijingshan District, Beijing

Applicant after: Shougang Group Co. Ltd.

Address before: 100041 Shijingshan Road, Shijingshan District, Shijingshan District, Beijing

Applicant before: Capital Iron & Steel General Company

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
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