CN109628771A - 一种高熵合金粉芯丝材电弧熔覆加工工艺 - Google Patents

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彭勇
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Abstract

本发明公开了一种高熵合金粉芯丝材电弧熔覆加工工艺，包括以下步骤：1)、表面清理；2)、表面粗化处理；3)、电弧熔覆：使用粉芯为Fe‑Co‑Ni‑Mn‑Cu混合粉末的高熵合金粉芯电弧熔覆丝材进行电弧熔覆；4)、电弧重熔：利用钨极氩弧焊设备产生的电弧对电弧熔覆层加热使之熔融；本发明将电弧熔覆技术和熔化技术顺次实施,将电弧熔覆层用电弧加热,利用高温物理化学冶金过程,使表面层与基体材料实现冶金结合；对熔覆层进行重熔处理能消除喷熔覆层中的气孔和氧化物夹渣,井与金属基材产生溶解扩散冶金结合,从而大幅度提高致密性和结合强度,使熔覆层有更好的耐腐蚀、耐磨损和抗冲击性能。

Description

一种高熵合金粉芯丝材电弧熔覆加工工艺
技术领域
本发明涉及金属表面加工技术,尤其是提供了一种高熵合金粉芯丝材电弧熔覆增材制造加工工艺,属于金属表面材料制备及表面加工技术领域。
背景技术
随着航空航天、船舶制造、汽车制造等行业的发展，其零部件逐渐向大型化、一体化、个性化的方向发展，传统的铸造、锻造等加工工艺方法制造周期长、材料利用率低(仅10％～20％)、生产成本高，不适用于低成本、小批量、个性化的产品需求和结构多变的特点。
电弧熔覆增材制造成形技术作为增材制造技术的一种，采用金属丝材作为成形材料，以电弧为热源将材料熔化后沿成形轨迹进行沉淀从而实现零件的堆积成形，与激光增材制造、电子束增材制造相比，电弧增材制造具有设备投资少、沉淀效率高、材料利用率高、设备运行稳定、运行成本低等优点，零件力学性能可以优于铸件的，部分材料的零件力学性能可与锻件的相当；与传统铸造工艺相比，复杂结构电弧增材制造无需单独制作模具，工艺流程简单，可满足产品快速低成本制造的需求，因此在航空航天、船舶制造、汽车制造等大型复杂构件的成形时具有特别的意义。
发明内容
本发明提供一种高熵合金粉芯丝材电弧熔覆加工工艺，使熔覆层与基体的结合由原来的机械结合为主变为完全冶金结合,堆叠的层状组织变为致密均匀的结晶组织,消除了孔隙、氧化物等熔覆层固有缺陷。
本发明的技术解决方案主要包括工艺步骤如下：
表面清理对基体材料需熔覆处理的部位进行表面清理,可以根据表面赃物的特性选择适当的介质进行清洗,如用碱液去油,酸洗去除氧化皮等,也可以进行机械清理等。
表面粗化处理采用喷砂、机加或电拉毛等工艺进行表面粗化,处理后要求表面粗糙度为Ra12.5～100。
电弧熔覆使用高熵合金粉芯电弧熔覆丝材，基材为低碳钢，粉芯为Fe-Co-Ni-Mn-Cu粉末,直径1.6mm,压缩空气压力为0.3～ 0.8MPa，流量为3～8m3/min，设备为KUKA电弧熔覆机器人,电弧电压为20～40V,电弧电流为100～500A,按照工件的工作条件和寿命要求熔覆至0.5～3.0mm。要求熔覆层与基体结合良好,无裂纹和脱落等严重缺损。
加热重熔:利用钨极氩弧焊设备产生的电弧对电弧熔覆层加热使之熔融,重熔主要工艺参数为电弧电流60～350A,电弧电压8～25V,氩气流量5～15L/min。注意完全熔透熔覆层,配合适当的行走速度,控制基体熔化量,保证成型良好。
电弧熔覆层组织性能检测：经金相观察分析,要求耐磨性良好的电弧熔覆层主要由马氏体、残余奥氏体、贝氏体、碳化物、硼化物等组织组成,在不同的成分、组织和工艺参数条件下,熔覆层宏观硬度在HV270～830内变化。要求耐蚀性的熔覆层,多采用单相奥氏体不锈钢类型,硬度不做要求。
修整加工：表面形状和尺寸要求较高的工件,电弧熔覆处理后,可使用机加设备对熔覆部位进行修整加工,平板件可以刨铣削加工,旋转件可以车磨削加工,加工至满足技术要求。
将电弧熔覆技术和熔化技术顺次实施,将电弧熔覆层用电弧加热, 利用高温物理化学冶金过程,使表面层与基体材料实现冶金结合,并可以改变工艺参数,获得一定厚度和硬度的具有耐磨、耐蚀等性能的合金表面层。电弧熔覆技术是以电弧热熔覆技术和电弧熔化技术为基本技术组成,将二者顺次作用获得的一种新型表面加工技术。对熔覆层进行重熔处理能消除喷熔覆层中的气孔和氧化物夹渣,井与金属基材产生溶解扩散冶金结合,从而大幅度提高致密性和结合强度,使熔覆层有更好的耐腐蚀、耐磨损和抗冲击性能。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
利用电弧熔覆设备在Q235钢板表面制备耐腐蚀合金表面层。具体步骤如下：
钢板表面清理：清理焊渣、毛刺、飞溅物以及修复表面缺陷。
表面清洗：采用弱酸清洗剂,清洗表面,去除油污。
表面粗化处理：利用喷砂机对表面进行喷砂,喷砂的工艺参数为：压缩空气压力为0.7MPa,流量为4m3/min,用16#金刚砂,喷砂后钢板表面粗糙度达到Ra25左右。
电弧熔覆：用高熵合金粉芯焊丝做熔覆材料，基材为低碳钢，粉芯为Fe-Co-Ni-Mn-Cu合金粉末,直径1.6mm,对钢板表面进行电弧熔覆,熔覆层厚度2mm。熔覆参数为：压缩空气压力为0.6MPa,压缩空气流量为5m3/min；电弧电压为32V，电流为260A。
加热重熔：用钨极氩弧焊机进行重熔,工艺参数为：电弧电流 200A,电弧电压16V,氩气流量10L/min。经检测,耐腐蚀熔覆层厚度达 1.6mm,组织为单相奥氏体组织。
修整加工：利用机加设备对熔覆部位进行加工处理。
实施例2
旋压轮电弧熔覆制造
旋压轮是一种旋压加工的工具。旋压部位要求耐高温、耐高压和高耐磨性。基体采用钢,旋压加工部位采用电弧熔覆技术进行表面改性处理。电弧熔覆层与基体形成完全冶金结合,表面硬度达到 HV660～750。具体步骤如下：
表面清理：对熔覆部位进行整理与保护。
表面清洗：采用弱酸清洗剂,清洗旋压轮表面,去除油污。
表面粗化处理：利用喷砂机对旋压轮工作表面进行喷砂粗化处理,喷砂的工艺参数为压缩空气压力为0.7MPa,流量为4m3/min,用 16#金刚砂,喷砂后钢板表面粗糙度达到Ra25左右。
电弧熔覆：用高熵合金粉芯熔覆丝材做熔覆材料,基材为低碳钢，粉芯为Fe-Co-Ni-Mn-Cu混合粉末,直径1.6mm,对旋压轮工作表面进行电弧熔覆,熔覆层厚度2mm。电弧熔覆参数为：压缩空气压力为0.8MPa,流量为4m3/min；电弧电压为30V，电流为280A。
加热重熔：用钨极氩弧焊机进行重熔,工艺参数为：电弧电流 280A,电弧电压23V,氩气流量14L/min。熔覆层硬度为HV660～750。
修整加工利用机加设备对熔覆部位进行加工处理。
实施例3
支撑辊表面电弧熔覆
具体步骤如下：
表而清理：对支撑辊表面需熔覆处理的部位进行表面清理；
表而粗化处理：表面粗糙度为Ra50；
电弧熔覆：使用高熵合金粉芯电弧熔覆丝材,基材为低碳钢，粉芯为Fe-Co-Ni-Mn-Cu合金粉末,直径1.6mm,压缩空气压力为 0.3MPa,流量为8m3/min；电弧电压为40V,电弧电流为460A,熔覆层为0.5mm。
加热重熔：利用钨极氩弧焊设备产生的电弧对电弧熔覆层加热使之熔融,重熔主要工艺参数为：电弧电流80A,电弧电压12V,氩气流量6L/min；熔覆层宏观硬度为HV550～600。
电弧熔覆后,熔覆层为堆叠的层状组织,可以清晰看到界面分明的熔覆粒子,以及大块熔覆粒子变形堆积的形貌。重熔处理后,表面层成分及组织均匀,根据成分与重熔工艺的不同,表面层组织类型有马氏体与残余奥氏体等基体和碳硼化物等硬质相及其共晶组织。熔覆层与重熔层的性能对比见表1。重熔处理后,表面层的硬度和耐磨性有明显提高。
表1熔覆层与重熔层的性能对比
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高熵合金粉芯丝材电弧熔覆加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)、表面清理：对基体材料需熔覆处理的部位进行表面清理；
2)、表面粗化处理：对表面进行粗化处理至表面粗糙度为Ra12.5～100；
3)、电弧熔覆：使用基材为低碳钢，粉芯为Fe-Co-Ni-Mn-Cu混合粉末的高熵合金粉芯电弧熔覆丝材进行电弧熔覆，熔覆时压缩空气压力为0.3～0.8MPa,流量为3～8m3/min，电弧电压为20～40V,电弧电流为100～500A,熔覆层为0.5～3.0mm；
4)、电弧重熔：利用钨极氩弧焊设备产生的电弧对电弧熔覆层加热使之熔融,电弧重熔主要工艺参数为：电弧电流60～350A,电弧电压8～25V,氩气流量5～15L/min；熔覆层宏观硬度为HV270～830。
2.如权利要求1所述的高熵合金粉芯丝材电弧熔覆加工工艺，其特征在于，所述的表面处理包括碱液去油、酸洗去除氧化皮或机械清理去除焊渣、毛刺、飞溅物以及修复表面缺陷。
3.如权利要求1所述的高熵合金粉芯丝材电弧熔覆加工工艺，所述的表面粗化处理指采用喷砂、机加或电拉毛进行粗化处理。
4.如权利要求1所述的高熵合金粉芯丝材电弧熔覆加工工艺，所述的高熵合金粉芯电弧熔覆丝材中Fe-Co-Ni-Mn-Cu混合粉末中Fe、Co、Ni、Mn和Cu按原子比为Fe：Co：Ni：Mn：Cu＝1:1:1:1:X组成，其中X＝0.5、1或1.5。
5.如权利要求4所述的高熵合金粉芯丝材电弧熔覆加工工艺，所述的高熵合金粉芯电弧熔覆丝材中Fe-Co-Ni-Mn-Cu混合粉末的制备方法为：
步骤(1)：称取Fe、Co、Ni、Mn和Cu粉末，混合均匀后放入球磨罐中进行球磨；
步骤(2)：待球磨0.5-3h后停止球磨并冷却，向球磨罐中加入松节油和酒精，然后再进行球磨，待球磨结束后，取出球磨罐进行干燥。
步骤(3)：干燥结束后，取出粉末，然后采用真空气氛炉在氩气保护下烧结工艺进行烧结，最终制得述Fe-Co-Ni-Mn--Cu高熵合金材料。
6.如权利要求5所述的高熵合金粉芯丝材电弧熔覆加工工艺，步骤(3)中的真空烧结的工艺参数为：
烧结设备：气氛箱式炉
烧结温度1200～1300℃
保温时间：4～5h
烧结压力：10～20Mpa
升温速率：5℃/min。
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