CN115138945A - 一种利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电弧增材领域，公开了一种利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法，包括如下步骤：装填钛合金丝材；将不锈钢粉末按一定比例导入丙酮溶液中，使不锈钢粉末在液体树脂中分散均匀；安装基板，钛合金丝材距离基板距离为l‑2mm；设定钛合金的打印参数；进行钛合金的沉积，增材过程中采用高纯氩对成型件进行保护；当一层沉积结束后，将不锈钢悬浊液均匀的涂覆到沉积层表面；设定不锈钢粉末熔化参数，焊枪在不送丝的情况下起弧并沿钛合金的沉积路径空走1‑2遍，利用钨极和基板之间产生的电弧热量将涂覆好的不锈钢粉末完全融合；重复上述步骤，直至成型件制造完成。本发明解决了现有技术中钛合金的抗拉强度和延展性差的问题。

Description

一种利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法
技术领域
本发明涉及电弧增材领域，更具体地涉及一种利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法。
背景技术
电弧增材制造(WAAM)采用逐层堆焊的方式制造致密金属实体构件，因以电弧为载能束，具有成本低、效率高的优点，是一种适合大尺寸零件制造的工艺。该技术在大尺寸金属结构件成形上具有其他增材技术不可比拟的效率与成本优势。Ti-6Al-4V的化学活性高、热导率低、强度高,具有优异的综合力学性能,是应用最广泛的钛合金。当前，Ti-6Al-4V钛合金零部件呈现出高性能、大型化、整体化和复杂化的发展趋势,越来越多地应用电弧增材制造技术进行生产。
高热量输入和电弧的不稳定，容易导致成型件性能较差，无法达到锻件性能水平。电弧增材制造Ti-6Al-4V钛合金时，由于较低的热梯度和传热速率，以及较高的热累积，阻碍了在增材过程的中间层形成细晶粒结构，在成型件的中间一般会形成长的柱状晶粒，从而导致电弧增材制造Ti-6Al-4V钛合金具有较低的屈服强度。
当前的研究表明，在利用电弧增材制造技术制备样件时，通过添加硼化物、氟化物等活性剂可以有效改善晶粒组织结构，并提高钛合金的力学性能。但已有的工艺方法对钛合金的性能提升并不是很明显，难以得到超细片状α-β结构制造出高强度钛合金零件。
发明内容
为解决现有技术中现有电弧增材制造技术制备的钛合金组织粗大，强度无法到达锻件水平的问题，本发明提供一种利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法。
本发明采用的具体方案为：一种利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法，所述方法包括如下步骤：
(1)装填钛合金丝材，对钛合金基板进行打磨并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；
(2)将不锈钢粉末按一定比例导入丙酮溶液中，通过高速搅拌使不锈钢粉末在液体树脂中分散均匀；
(3)安装基板，调整钨极与钛合金丝材和基板之间的距离,钛合金丝材距离基板距离为l-2mm；
(4)设定钛合金的打印参数，设定焊机的峰值电流、热输入、频率、基值电流、峰值时间、扫描速度、层高和送丝机的送丝速度；
(5)进行钛合金的沉积，增材过程中采用高纯氩对成型件进行保护；
(6)当一层沉积结束后，将不锈钢悬浊液均匀的涂覆到沉积层表面；
(7)设定不锈钢粉末熔化参数，焊枪在不送丝的情况下起弧并沿钛合金的沉积路径空走1-2遍，利用钨极和基板之间产生的电弧热量将涂覆好的不锈钢粉末完全融合；
(8)重复步骤五到步骤七，直至成型件制造完成。
所述步骤(1)中钛合金丝材焊丝的直径为0.8-1.2mm。
所述不锈钢粉末为316L不锈钢粉末，所述不锈钢粉末的粒径范围为10μm-100μm。
所述步骤(3)中钛合金丝材距离钨极的距离为2-5mm。
所述步骤(4)中峰值电流为200-240A；峰值时间为15％-30％；基值电流为15％-30％；频率为1.5-2Hz；扫描速度为200-300mm/min；送丝速度为100-200cm/min；层高为0.8-1.5mm。
所述步骤(5)高纯氩的气体流量为15～25L/min。
所述步骤(7)中焊接的电流为120-180A；扫描速度为200-300mm/min；送丝速度为0cm/min。
所述步骤(2)中不锈钢粉末与丙酮的比例为1:1。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
本发明通过装填钛合金丝材焊丝，对钛合金基板进行打磨并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；将不锈钢粉末按一定比例导入丙酮溶液中，通过高速搅拌使不锈钢粉末在液体树脂中分散均匀；安装基板，调整钨极与钛合金丝材和基板之间的距离,丝材距离基板距离为l-2mm；设定钛合金的打印参数，设定焊机的峰值电流、热输入、频率、基值电流、峰值时间、扫描速度、层高和送丝机的送丝速度；进行钛合金的沉积，增材过程中采用高纯氩对成型件进行保护；当一层沉积结束后，将不锈钢悬浊液均匀的涂覆到沉积层表面；设定不锈钢粉末熔化参数，焊枪在不送丝的情况下起弧并沿钛合金的沉积路径空走1-2遍，利用钨极和基板之间产生的电弧热量将涂覆好的不锈钢粉末完全融合；重复步骤五到步骤七，直至成型件制造完成。本发明将少量316L不锈钢分散到Ti-6Al-4V合金基体中，通过控制316L的涂覆量，形成微米级成分梯度结构，优化钛合金的微观结构和力学性能，电弧增材制造(WAAM)制备Ti-6Al-4V钛合金的组织一般为粗大的柱状晶，通过本发明所述的方法，可以明显细化电弧增材制造钛合金的晶粒尺寸，构建多层次纳米孪晶结构，显著提高了钛合金的抗拉强度和延展性，并在最终成型件内形成了高度弥散分布的超细组织，使得Ti-6Al-4V钛合金的拉伸强度超过1300MPa,延伸率大于13％，性能提高30％，远超锻件水平。
附图说明
图1为现有技术钛合金的组织示意图；
图2为本发明所述方法制备得到的钛合金的组织。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明提供一种利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法，所述方法包括如下步骤：(1)装填钛合金丝材焊丝，对钛合金基板进行打磨并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；(2)将不锈钢粉末按一定比例导入丙酮溶液中，通过高速搅拌使不锈钢粉末在液体树脂中分散均匀；(3)安装基板，调整钨极与钛合金丝材和基板之间的距离,丝材距离基板距离为l-2mm；(4)设定钛合金的打印参数，设定焊机的峰值电流、热输入、频率、基值电流、峰值时间、扫描速度、层高和送丝机的送丝速度；(5)进行钛合金的沉积，增材过程中采用高纯氩对成型件进行保护；(6)当一层沉积结束后，将不锈钢悬浊液均匀的涂覆到沉积层表面；(7)设定不锈钢粉末熔化参数，焊枪在不送丝的情况下起弧并沿钛合金的沉积路径空走1-2遍，利用钨极和基板之间产生的电弧热量将涂覆好的不锈钢粉末完全融合；(8)重复步骤五到步骤七，直至成型件制造完成。
所述步骤(1)中焊丝的直径为0.8-1.2mm。
所述不锈钢粉末316L不锈钢粉末，所述不锈钢粉末的粒径范围为10μm-100μm。
所述步骤(3)中钛合金丝材距离钨极的距离为2-5mm。
所述步骤(4)中峰值电流为200-240A；峰值时间为15％-30％；基值电流为15％-30％；频率为1.5-2Hz；扫描速度为200-300mm/min；送丝速度为100-200cm/min；层高为0.8-1.5mm。
所述步骤(5)高纯氩的气体流量为15～25L/min。
所述步骤(7)中焊接的电流为120-180A；扫描速度为200-300mm/min；送丝速度为0cm/min。
所述步骤(2)中不锈钢粉末与丙酮的比例为1:1。
实施例1
本发明提供一种利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法，所述方法包括如下步骤：装填Ti-6Al-4V钛合金丝材(焊丝直径为0.8mm)，同时对钛合金基板进行打磨并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；将316L不锈钢粉末按一定比例导入丙酮溶液中，通过高速搅拌使不锈钢粉末在液体树脂中分散均匀；316L不锈钢粉末为市场上常见的3D打印粉末材料，粒径范围为10μm。不锈钢粉末与丙酮的混合比例为1:1。安装基板，调整钨极与钛合金丝材和基板之间的距离，钛合金丝材距离钨极的距离为2mm,丝材距离基板距离为lmm；设定钛合金的打印参数，峰值电流为200A；峰值时间为15％；基值电流为15％；频率为1.5Hz；扫描速度为200mm/min；送丝速度为100cm/min；每层抬升高度为0.8-1.5mm。启动机器开始进行钛合金的沉积，增材过程中采用高纯氩对成型件进行保护，气体流量为15L/min。当一层沉积结束后，将不锈钢悬浊液均匀的涂覆到沉积层表面；设定的不锈钢粉末熔化参数，让焊枪在不送丝的情况下起弧并沿钛合金的沉积路径空走1遍，利用钨极和基板之间产生的电弧热量将涂覆好的不锈钢粉末完全融合。电流为120A；扫描速度为200mm/min；送丝速度为0cm/min。重复上述步骤，直至成型件制造完成。
实施例2
本发明提供一种利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法，所述方法包括如下步骤：装填Ti-6Al-4V钛合金丝材(焊丝直径为1.2mm)，同时对钛合金基板进行打磨并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；将316L不锈钢粉末按一定比例导入丙酮溶液中，通过高速搅拌使不锈钢粉末在液体树脂中分散均匀；316L不锈钢粉末为市场上常见的3D打印粉末材料，粒径范围为100μm。不锈钢粉末与丙酮的混合比例为1:1。安装基板，调整钨极与钛合金丝材和基板之间的距离，钛合金丝材距离钨极的距离为5mm,丝材距离基板距离为2mm；设定钛合金的打印参数，峰值电流为240A；峰值时间为30％；基值电流为30％；频率为2Hz；扫描速度为300mm/min；送丝速度为200cm/min；每层抬升高度为1.5mm。启动机器开始进行钛合金的沉积，增材过程中采用高纯氩对成型件进行保护，气体流量为25L/min。当一层沉积结束后，将不锈钢悬浊液均匀的涂覆到沉积层表面；设定的不锈钢粉末熔化参数，让焊枪在不送丝的情况下起弧并沿钛合金的沉积路径空走2遍，利用钨极和基板之间产生的电弧热量将涂覆好的不锈钢粉末完全融合。电流为180A；扫描速度为300mm/min；送丝速度为0cm/min。重复上述步骤，直至成型件制造完成。
实施例3
本发明提供一种利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法，所述方法包括如下步骤：装填Ti-6Al-4V钛合金丝材(焊丝直径为1mm)，同时对钛合金基板进行打磨并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；将316L不锈钢粉末按一定比例导入丙酮溶液中，通过高速搅拌使不锈钢粉末在液体树脂中分散均匀；316L不锈钢粉末为市场上常见的3D打印粉末材料，粒径范围为10μm-100μm。不锈钢粉末与丙酮的混合比例为1:1。安装基板，调整钨极与钛合金丝材和基板之间的距离，钛合金丝材距离钨极的距离为4mm,丝材距离基板距离为1.5mm；设定钛合金的打印参数，峰值电流为220A；峰值时间为25％；基值电流为20％；频率为1.7Hz，扫描速度为250mm/min；送丝速度为150cm/min；每层抬升高度为1mm。启动机器开始进行钛合金的沉积，增材过程中采用高纯氩对成型件进行保护，气体流量为20L/min。当一层沉积结束后，将不锈钢悬浊液均匀的涂覆到沉积层表面；设定的不锈钢粉末熔化参数，让焊枪在不送丝的情况下起弧并沿钛合金的沉积路径空走1-2遍，利用钨极和基板之间产生的电弧热量将涂覆好的不锈钢粉末完全融合。电流为150A；扫描速度为250mm/min；送丝速度为0cm/min。重复上述步骤，直至成型件制造完成。
本发明采用市场常见的材料316L不锈钢粉末极大的节约了成本，并通过控制316L的涂覆量，形成微米级成分梯度结构，优化钛合金的微观结构和力学性能，电弧增材制造(WAAM)制备Ti-6Al-4V钛合金的组织一般为粗大的柱状晶，通过本发明所述的方法，可以明显细化电弧增材制造钛合金的晶粒尺寸，构建多层次纳米孪晶结构，显著提高了钛合金的抗拉强度和延展性，并最终成型件内形成了高度弥散分布的超细组织，使得Ti-6Al-4V钛合金的拉伸强度超过1300MPa,延伸率大于13％，性能提高30％，远超锻件水平。
以上附图及解释说明仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的具体保护范围不仅限以上解释说明，任何在本发明揭露的技术思路范围内，及根据本发明的技术方案加以简单地替换或改变，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)装填钛合金丝材，对钛合金基板进行打磨并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；
(2)将不锈钢粉末按一定比例导入丙酮溶液中，通过高速搅拌使不锈钢粉末在液体树脂中分散均匀；
(3)安装基板，调整钨极与钛合金丝材和基板之间的距离,钛合金丝材距离基板距离为l-2mm；
(4)设定钛合金的打印参数，设定焊机的峰值电流、热输入、频率、基值电流、峰值时间、扫描速度、层高和送丝机的送丝速度；
(5)进行钛合金的沉积，增材过程中采用高纯氩对成型件进行保护；
(6)当一层沉积结束后，将不锈钢悬浊液均匀的涂覆到沉积层表面；
(7)设定不锈钢粉末熔化参数，焊枪在不送丝的情况下起弧并沿钛合金的沉积路径空走1-2遍，利用钨极和基板之间产生的电弧热量将涂覆好的不锈钢粉末完全融合；
(8)重复步骤五到步骤七，直至成型件制造完成。
2.根据权利要求1所述的利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中钛合金丝材焊丝的直径为0.8-1.2mm。
3.根据权利要求2所述的利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法，其特征在于，所述不锈钢粉末为316L不锈钢粉末，所述不锈钢粉末的粒径范围为10μm-100μm。
4.根据权利要求3所述的利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中钛合金丝材距离钨极的距离为2-5mm。
5.根据权利要求4所述的利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤(4)中峰值电流为200-240A；峰值时间为15％-30％；基值电流为15％-30％；频率为1.5-2Hz；扫描速度为200-300mm/min；送丝速度为100-200cm/min；层高为0.8-1.5mm。
6.根据权利要求5所述的利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤(5)高纯氩的气体流量为15～25L/min。
7.根据权利要求1-6任一项所述的利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤(7)中焊接的电流为120-180A；扫描速度为200-300mm/min；送丝速度为0cm/min。
8.根据权利要求7所述的利用不锈钢粉末增强钛合金的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤(2)中不锈钢粉末与丙酮的比例为1:1。
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