CN110560681A - 一种金属型粉芯丝材、制备方法及应用 - Google Patents

一种金属型粉芯丝材、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于电弧熔丝增材制造相关领域，并公开了一种金属型粉芯丝材、制备方法及应用，该金属型粉芯丝材由钢带包裹金属型粉芯并经拉拔获得，该金属型粉芯的的原料组成及重量百分比为：金属镍粉：16～18％，钼铁粉：5.5～7.5％，钒铁粉：1～3％，钛铁粉：0.6～1.0％，微碳铬铁粉：7.5～8.0％，雾化硅铁粉：3～4％，金属锰粉：9～12％，硼铁粉：10.5～14.8％，氟化钠盐：0.5～1.0％，金属钨粉：2.5～3.6％，其余为还原铁粉；该金属型粉芯丝材可用于电弧熔丝增材制造中，制备获得具有较好耐海水腐蚀性以及良好的强韧性的大型金属构件，具有可靠、易实现的优点。

Description

一种金属型粉芯丝材、制备方法及应用
技术领域
本发明属于电弧熔丝增材制造相关领域，更具体地，涉及一种金属型粉芯丝材、制备方法及应用。
背景技术
艉轴架是舰船的大型关键构件，用来支撑螺旋推进器。在舰船行进时，由于螺旋推进器的高速运转，艉轴架需承受螺旋桨旋转力、螺旋桨重力等多种不平衡力的叠加作用，因此要求艉轴架必须具备较高的强韧性。此外，艉轴架长期在海水环境下服役，易发生腐蚀破坏，这要求艉轴架具有良好的耐海水腐蚀性。
电弧熔丝增材制造利用电弧热源熔化金属丝材，并将熔化的金属通过层层堆积的方式成形，实现构件的制造，该制造方法成本低、效率高、污染小，可通过调控堆积工艺成形各种结构形式的构件。此外，电弧熔丝增材制造为小熔池冶炼，堆积金属组织均匀，适用于大型复杂构件的成形，且可有效避免通过铸造、焊接的方法制造舰船艉轴架时易出现的缩孔、缩松、晶粒粗大等不足。因此，电弧熔丝增材制造是制造舰船艉轴架的有效方法。
由于舰船艉轴架需具备较高的强韧性和良好的耐海水腐蚀性，且电弧熔丝增材制造舰船艉轴架的强韧性和耐海水腐蚀性直接取决于金属丝材，目前还没有满足电弧熔丝增材制造舰船艉轴架的金属丝材。因此，需要进行研究与设计，以获得一种可适用于电弧熔丝增材制造舰船艉轴架的金属丝材。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属型粉芯丝材、制备方法及应用，其通过对组分及配比的研究与设计，获得具有较好耐海水腐蚀性以及良好的强韧性的金属型粉芯丝材，可满足电弧熔丝增材制造大型金属构件对强韧性和耐腐蚀性的要求，具有简单可靠，易实现等优点。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提出了一种金属型粉芯丝材，其由钢带包裹金属型粉芯并经拉拔获得，该金属型粉芯的原料组成及重量百分比为：金属镍粉：16～18％，钼铁粉：5.5～7.5％，钒铁粉：1～3％，钛铁粉：0.6～1.0％，微碳铬铁粉：7.5～8.0％，雾化硅铁粉：3～4％，金属锰粉：9～12％，硼铁粉：10.5～14.8％，氟化钠盐：0.5～1.0％，金属钨粉：2.5～3.6％，其余为还原铁粉。
作为进一步优选的，所述金属镍粉中镍的重量比不小于99.9％，钼铁粉中钼的重量比不小于60％，钒铁粉中钒的重量比不小于50％，钛铁粉中钛的重量比不小于30％，微碳铬铁粉中铬的重量比不小于70％，雾化硅铁粉中硅的重量比不小于75％，金属锰粉中猛的重量比不小于99.5％，硼铁粉中硼的重量比不小于1％，氟化钠盐中氟化钠的重量比不小于99.5％，金属钨粉中钨的重量比不小于99.9％，还原铁粉中铁的重量比不小于99.9％。
作为进一步优选的，所述金属型粉芯丝材中金属型粉芯的填充率为14％～16％。
作为进一步优选的，所述金属型粉芯丝材中金属型粉芯的填充率为15％。
按照本发明的第二方面，提供了一种所述的金属型粉芯丝材的制备方法，其包括如下步骤：
1)按金属型粉芯的原料组成及对应的重量百分比称取各组分，将各组分混合并搅拌均匀以获得混合均匀的原料；
2)将混合均匀的原料进行烘干处理，并利用钢带包裹烘干处理后的原料以获得金属型粉芯丝材初坯；
3)对金属型粉芯丝材初坯进行拉拔获得所需的金属型粉芯丝材。
作为进一步优选的，烘干处理的加热温度为70～100℃，保温时间为2～4小时，优选的，加热温度为95℃，保温时间为3小时。
作为进一步优选的，利用钢带包裹烘干处理后的原料以获得金属型粉芯丝材初坯具体为：先将钢带压制成U型槽，再将烘干处理后的原料加入到U型槽中并卷制成丝材，该丝材即为金属型粉芯丝材初坯。
作为进一步优选的，金属型粉芯丝材初坯的直径为4.5mm，制备获得的金属型粉芯丝材的直径为1.2mm。
按照本发明的第三方面，提供了一种所述的金属型粉芯丝材在电弧熔丝增材制造中的应用。
作为进一步优选的，利用所述金属型粉芯丝材经电弧熔丝增材制造制备获得大型金属构件。
作为进一步优选的，所述电弧熔丝增材制造的具体工艺参数为：电流：160～250A，电压：24～30V，焊枪移速：7mm/s，保护气类型及流量：15～20L/min的80％Ar+20％CO2混合气体。
作为进一步优选的，该大型金属构件为舰船艉轴架。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明通过对金属型粉芯的组分及配比进行研究与设计，获得了具有较好耐海水腐蚀性以及良好的强韧性的金属型粉芯丝材，可用于电弧熔丝增材制造舰船艉轴架等需要较高强韧性和良好耐海水腐蚀性的大型金属构件。
2.在提高堆积金属的强韧性方面：本发明利用V形成大量弥散分布的碳氮化物质点有效阻碍晶粒长大，并促进异质形核以细化晶粒；利用Mo降低贝氏体转变温度，促进贝氏体转变以形成低碳贝氏体；利用Si、Mn的脱氧产物以及Ti的氧氮化物诱导形成韧性较好的针状铁素体；利用B在晶界处聚集，减少晶界铁素体的形成并强化Ti诱导针状铁素体形核的效果；利用Ni提高奥氏体稳定性，增大奥氏体向针状铁素体转变的过冷度，以进一步促进针状铁素体形成。
3.在提高堆积金属的耐海水腐蚀性方面：利用Cr、W共同作用促进堆积金属表面在海水腐蚀环境下形成致密的氧化膜，同时增大堆积金属的腐蚀电化学阻抗，提高堆积金属的耐海水腐蚀性。
4.在提高工艺性能方面：利用NaF减少熔滴表面张力，形成小熔滴平稳过渡，有效减小飞溅。
5.利用所述金属型粉芯丝材电弧熔丝增材制造的舰船艉轴架，基于金属型粉芯丝材中各合金元素的作用，通过它们之间相互的物理-化学冶金过程，使得制备的舰船艉轴架具有较好的耐海水腐蚀性、良好的强韧性以及良好的工艺性能，其屈服强度达645～670Mpa、抗拉强度达780～810MPa、延伸率不低于20％、-20℃低温冲击韧性不低于65J，电弧熔丝增材制造时电弧稳定、飞溅较小(飞溅率低于2％)。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种金属型粉芯丝材的制备方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
艉轴架是大型舰船的关键构件，要求具有较高的强度和韧性，长期服役于海洋环境要求其具有较好的耐腐蚀性。因此，电弧熔丝增材制造的舰船艉轴架也需要具有较高的强度和韧性，以及良好的耐海水腐蚀性。此外，要求金属型粉芯丝材在电弧增材制造过程中具有良好的工艺性能。
本发明进行了研究与设计，提供了一种适用于电弧增材制造的金属型粉芯丝材，该金属型粉芯丝材由钢带包裹金属型粉芯并经拉拔获得，该金属型粉芯的原料组成及重量百分比为(参见表1)：金属镍粉：16～18％，钼铁粉：5.5～7.5％，钒铁粉：1～3％，钛铁粉：0.6～1.0％，微碳铬铁粉：7.5～8.0％，雾化硅铁粉：3～4％，金属锰粉：9～12％，硼铁粉：10.5～14.8％，氟化钠盐：0.5～1.0％，金属钨粉：2.5～3.6％，其余为还原铁粉。
表1
为了保证最终制备的金属构件具有良好的性能，本发明对各组分中关键元素的含量进行了研究与设计，具体的，金属镍粉中镍的重量比不小于99.9％(即含镍量不低于99.9wt.％)，钼铁粉中钼的重量比不小于60％(即含钼量不低于60wt.％)，钒铁粉中钒的重量比不小于50％(即含钒量不低于50wt.％)，钛铁粉中钛的重量比不小于30％(即含钛量不低于30wt.％)，微碳铬铁粉中铬的重量比不小于70％(即含铬量不低于70wt.％)，雾化硅铁粉中硅的重量比不小于75％(即含硅量不低于75wt.％)，金属锰粉中猛的重量比不小于99.5％(即锰量不低于99.5wt.％)，硼铁粉中硼的重量比不小于1％(即含硼量不低于1wt.％)，氟化钠盐中氟化钠的重量比不小于99.5％(即含氟化钠不低于99.5wt.％)，金属钨粉中钨的重量比不小于99.9％(即含钨量不低于99.9％)，还原铁粉中铁的重量比不小于99.9％(即含铁量不低于99.9wt.％)，上述所有合金粉的粒度为180～200μm。
本发明通过第二相强化和组织强化来提高堆积金属的强韧性：
(1)第二相强化：V为强碳氮化物形成元素，加入V后形成的大量弥散分布的VN、VC第二相质点可钉扎晶界并有效阻碍晶粒长大，起到显著的强化作用。此外，VN、VC的熔点较高，可在液态金属中首先析出作为异质形核位点，促进后形核晶粒的异质形核，细化晶粒。
(2)组织强化：加入较高含量的Mo可降低贝氏体转变温度，促进贝氏体转变，形成强韧性较好的低碳贝氏体；加入Ti可在堆积金属中形成Ti的氧氮化物夹杂，与Si、Mn脱氧得到的脱氧产物共同诱导韧性较好的针状铁素体异质形核，提高金属韧性；加入B可使B在晶界处聚集，提高晶界铁素体的形核功，从而抑制晶界铁素体的形成，同时使Ti诱导针状铁素体形核的效果提高；加入Ni可提高奥氏体稳定性，增大奥氏体向针状铁素体转变的过冷度，以进一步促进针状铁素体形成，提高焊缝金属中针状铁素体的比例。
舰船艉轴架长期服役于海洋环境中，极易发生腐蚀破坏，这要求其具有较好的耐腐蚀性，Cr、W的加入能促进金属表面在海水腐蚀环境下形成腐蚀氧化物，构成致密的氧化膜，有效阻止了氯离子、硫酸根离子的渗透，同时增大堆积金属的电离电位，降低腐蚀电流密度，提高金属的耐海水腐蚀性。因此，在发明的粉芯丝材中，加入Cr、W可提高堆积金属的耐海水腐蚀性。
Si、Mn与氧具有极高的亲和力，常作为脱氧剂控制金属中氧的含量。因此，在发明的粉芯丝材中，选择Si、Mn联合脱氧控制堆积金属中的氧含量。
加入NaF盐可降低熔滴表面张力，促进电弧熔丝增材制造过程中形成小熔滴平稳过渡，有效减小飞溅，提高工艺性能。
还原铁粉主要起平衡作用，使发明的金属型粉芯丝材的粉芯中各合金粉的总量和为100％，其含量的多少并不改变金属型粉芯丝材的性能
具体的，金属型粉芯丝材中金属型粉芯的填充率(即金属型粉芯的重量与金属型粉芯丝材总重量的比值)为14％～16％，优选为15％，填充率波动范围不超过0.5％。
本发明还提供了一种金属型粉芯丝材的制备方法，其包括如下步骤：
1)按金属型粉芯的原料组成及对应的重量百分比称取各组分，将各组分混合并搅拌均匀以获得混合均匀的原料，具体的倒入搅拌机中搅拌、混合均匀；
2)将混合均匀的原料进行烘干处理，并利用钢带包裹烘干处理后的原料以获得金属型粉芯丝材初坯，具体的置于烘箱中进行烘干处理：加热温度为70～100℃，保温时间为2～4小时，钢带为市售的厚度0.5mm，宽度10mm的SPCC冷轧钢带，具体的，先将钢带压制成U型槽，再将烘干处理后的原料加入到U型槽中并卷制成直径为4.5mm的丝材，该丝材即为金属型粉芯丝材初坯；
3)对金属型粉芯丝材初坯进行拉拔获得直径为1.2mm的金属型粉芯丝材，具体的，在拉拔机上经过多次拉拔制成直径1.2mm的金属型粉芯丝材。
本发明的金属型粉芯丝材可用作在电弧熔丝增材制造中，利用金属型粉芯丝材经电弧熔丝增材制造可制备获得高强韧性和良好耐海水腐蚀性的大型金属构件，例如舰船艉轴架。利用金属型粉芯丝材制备高强韧性和良好耐海水腐蚀性的大型金属构件，需设置合适的弧焊电源及工艺参数，具体的，电流：160～250A，电压：24～30V，焊枪移速：7mm/s，保护气类型及流量：15～20L/min的80％Ar+20％CO2混合气体；优选的，该大型金属构件为舰船艉轴架。
以下为具体实施例：
实施例1
金属型粉芯的组分及配比参见表2：
表2
(1)对各种合金粉按照表2的重量百分比进行称重，倒入搅拌机中搅拌、混合；
(2)将混合均匀的合金粉置于烘箱中进行烘干处理：加热至70℃，保温4小时；
(3)包裹合金粉的钢带为市售的厚度0.5mm，宽度10mm的SPCC冷轧钢带，在生产金属型粉芯丝材时，先将钢带压制成U型槽，再将烘干后的合金粉加入到U型槽中卷制成直径4.5mm的丝材，保证金属型粉芯的填充率为15％，填充率波动范围不超过0.5％；
(4)在拉拔机上经过多次拉拔制成直径1.2mm的金属型粉芯丝材。
(5)采用Fronius TPS4000型弧焊电源增材制造舰船艉轴架，电流为160A，电压为24V，焊枪移速为7mm/s，保护气为体积分数80％Ar+20％CO2的混合气体，保护气流量为15L/min。
(6)所得舰船艉轴架的化学成分见表3：
表3
(7)所得舰船艉轴架的力学性能见表4：
表4
实施例2
金属型粉芯的组分及配比参见表5：
表5
(1)对各种合金粉按照表5的重量百分比进行称重，倒入搅拌机中搅拌、混合；
(2)将混合均匀的合金粉置于烘箱中进行烘干处理：加热至95℃，保温3小时；
(3)包裹合金粉的钢带为市售的厚度0.5mm，宽度10mm的SPCC冷轧钢带，在生产金属型粉芯丝材时，先将钢带压制成U型槽，再将烘干后的合金粉加入到U型槽中卷制成直径4.5mm的丝材。保证金属型粉芯的填充率为14％，填充率波动范围不超过0.5％；
(4)在拉拔机上经过多次拉拔制成直径1.2mm的金属型粉芯丝材。
(5)采用Fronius TPS4000型弧焊电源增材制造舰船艉轴架，电流为211A，电压为25.8V，焊枪移速为7mm/s，保护气为体积分数80％Ar+20％CO2的混合气体，保护气流量为15L/min。
(6)所得舰船艉轴架的化学成分见表6：
表6
(7)所得舰船艉轴架的力学性能见表7：
表7
实施例3
金属型粉芯的组分及配比参见表8：
表8
(1)对各种合金粉按照表8的重量百分比进行称重，倒入搅拌机中搅拌、混合；
(2)将混合均匀的合金粉置于烘箱中进行烘干处理：加热至100℃，保温2小时；
(3)包裹合金粉的钢带为市售的厚度0.5mm，宽度10mm的SPCC冷轧钢带，在生产金属型粉芯丝材时，先将钢带压制成U型槽，再将烘干后的合金粉加入到U型槽中卷制成直径4.5mm的丝材，保证金属型粉芯的填充率为16％，填充率波动范围不超过0.5％；
(4)在拉拔机上经过多次拉拔制成直径1.2mm的金属型粉芯丝材。
(5)采用Fronius TPS4000型弧焊电源增材制造舰船艉轴架，电流为250A，电压为30V，焊枪移速为7mm/s，保护气为体积分数80％Ar+20％CO2的混合气体，保护气流量为20L/min。
(6)所得舰船艉轴架的化学成分见表9：
表9
(7)所得舰船艉轴架的力学性能见表10：
表10
本发明通过第二相强化和组织强化来提高堆积金属的强韧性，利用V形成弥散分布的碳氮化物阻碍晶粒长大，并通过促进异质形核细化晶粒，利用Mo降低贝氏体转变温度以促进形成低碳贝氏体，利用Si、Mn的脱氧产物以及Ti的氧氮化物诱导形成韧性较好的针状铁素体，利用B在晶界处聚集，减少晶界铁素体的形核并强化Ti诱导针状铁素体形核效果，同时，利用Ni提高奥氏体稳定性以增大针状铁素体比例。此外，利用Cr、W促进堆积金属表面在海水环境下形成致密氧化膜以提高耐海水腐蚀性；利用NaF促进电弧熔丝增材制造过程中形成小熔滴平稳过渡，保证良好的工艺性能。本发明的金属型粉芯丝材适用于电弧熔丝增材制造舰船艉轴架等需要较高强韧性和良好耐海水腐蚀性的大型金属构件。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属型粉芯丝材，其特征在于，其由钢带包裹金属型粉芯并经拉拔获得，该金属型粉芯的原料组成及重量百分比为：金属镍粉：16～18％，钼铁粉：5.5～7.5％，钒铁粉：1～3％，钛铁粉：0.6～1.0％，微碳铬铁粉：7.5～8.0％，雾化硅铁粉：3～4％，金属锰粉：9～12％，硼铁粉：10.5～14.8％，氟化钠盐：0.5～1.0％，金属钨粉：2.5～3.6％，其余为还原铁粉。
2.如权利要求1所述的金属型粉芯丝材，其特征在于，所述金属镍粉中镍的重量比不小于99.9％，钼铁粉中钼的重量比不小于60％，钒铁粉中钒的重量比不小于50％，钛铁粉中钛的重量比不小于30％，微碳铬铁粉中铬的重量比不小于70％，雾化硅铁粉中硅的重量比不小于75％，金属锰粉中猛的重量比不小于99.5％，硼铁粉中硼的重量比不小于1％，氟化钠盐中氟化钠的重量比不小于99.5％，金属钨粉中钨的重量比不小于99.9％，还原铁粉中铁的重量比不小于99.9％。
3.如权利要求1所述的金属型粉芯丝材，其特征在于，所述金属型粉芯丝材中金属型粉芯的填充率为14％～16％。
4.如权利要求3所述的金属型粉芯丝材，其特征在于，所述金属型粉芯丝材中金属型粉芯的填充率为15％。
5.如权利要求1-4任一项所述的金属型粉芯丝材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按金属型粉芯的原料组成及对应的重量百分比称取各组分，将各组分混合并搅拌均匀以获得混合均匀的原料；
2)将混合均匀的原料进行烘干处理，并利用钢带包裹烘干处理后的原料以获得金属型粉芯丝材初坯；
3)对金属型粉芯丝材初坯进行拉拔获得所需的金属型粉芯丝材。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，烘干处理的加热温度为70～100℃，保温时间为2～4小时，优选的，加热温度为95℃，保温时间为3小时。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，利用钢带包裹烘干处理后的原料以获得金属型粉芯丝材初坯具体为：先将钢带压制成U型槽，再将烘干处理后的原料加入到U型槽中并卷制成丝材，该丝材即为金属型粉芯丝材初坯。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，金属型粉芯丝材初坯的直径为4.5mm，制备获得的金属型粉芯丝材的直径为1.2mm。
9.如权利要求1-4任一项所述的金属型粉芯丝材在电弧熔丝增材制造中的应用。
10.如权利要求9所述的金属型粉芯丝材在电弧熔丝增材制造中的应用，其特征在于，利用所述金属型粉芯丝材经电弧熔丝增材制造制备获得大型金属构件；优选的，该电弧熔丝增材制造的具体工艺参数为：电流：160～250A，电压：24～30V，焊枪移速：7mm/s，保护气类型及流量：15～20L/min的80％Ar+20％CO2混合气体；优选的，该大型金属构件为舰船艉轴架。
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