CN115283695B - 基于激光增材制造柴油机凸轮轴的方法 - Google Patents

基于激光增材制造柴油机凸轮轴的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于激光增材制造柴油机凸轮轴的方法，包括以下步骤：步骤1，制备1#粉末和2#粉末；步骤2，将1#粉末和2#粉末分别按不同比例混合成4个梯度层所需粉末原料，对混合的粉末原料进行烘烤使其干燥；步骤3，对柴油机凸轮轴基体进行预处理，去除基材表面锈蚀和油污；步骤4，采用送粉器将步骤2处理后的粉末原料送入熔池内部，通过激光光斑移动完成对步骤3处理后的基体表面的激光熔覆过程，增材轨迹沿基体径向以螺旋线方式搭接或沿轴向按照往复运动形式进行搭接；步骤5，熔覆完成后，将完成表面镀层的基体放入井式炉中，完成低温退火。本发明制备凸轮轴的方法大大提升了柴油机凸轮轴的制造效率，缩短了制造周期。

Description

基于激光增材制造柴油机凸轮轴的方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于激光增材制造柴油机凸轮轴的方法。
背景技术
凸轮轴是柴油机喷油配气传动***重要零件之一，凸轮轴在高速柴油机中使用频率高，受力状态复杂，工作环境恶劣，由于传统工艺制造的凸轮轴存在疲劳强度不足、许用表面接触应力低等问题，凸轮轴在工作时表面层下产生较大的拉应力超过材料许用应力，使凸轮表面疲劳出现早期磨损和微裂纹，继而造成凸轮表面形位偏差失效，导致柴油机无法正常工作。
目前，国内凸轮轴多采用传统的锻造和机械加工、表面淬火等制备工艺，这一工艺存在工艺复杂、周期长、质量稳定性差等不足，严重影响舰船动力的可靠性及柴油机制造任务。因此，国内亟待开展凸轮轴增材制造工艺的研究。由于凸轮轴表面属于复杂回转体曲面，在实现凸轮运动轨迹控制与涂层裂纹消除以及涂层厚度均匀性等方面存在难题，并且在增材过程中凸轮边缘可能出现塌陷现象，对后续精加工带来不利影响，为此，技术人员研究出凸轮激光熔覆的轨迹控制及熔覆层厚度的可控性与均匀性，但针对涂层厚度只有1mm且凸轮轮廓复杂程度不高，无法解决凸轮轴整体梯度制造问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光增材制造柴油机凸轮轴的方法，大大提升了柴油机凸轮轴的制造效率，缩短了制造周期。
本发明所采用的技术方案是，基于激光增材制造柴油机凸轮轴的方法，包括以下步骤：
步骤1，制备1#粉末和2#粉末；
步骤2，将步骤1制备的1#粉末和2#粉末分别按不同比例混合成4个梯度层所需粉末原料，对混合的粉末原料进行烘烤使其干燥；
步骤3，对柴油机凸轮轴基体进行预处理，去除基材表面锈蚀和油污；
步骤4，采用送粉器将步骤2处理后的粉末原料送入熔池内部，通过激光光斑移动完成对步骤3处理后的基体表面的激光熔覆过程，激光熔覆过程中的增材轨迹沿基体径向以螺旋线方式搭接或沿轴向按照往复运动形式进行搭接；
步骤5，熔覆完成后，将完成表面镀层的基体放入井式炉中，完成低温退火。
本发明的特征还在于，
步骤1中1#粉末按质量百分比由以下组分组成：Cr17％～18.5％，Fe9.0％～10.0％，Co8.5％～9.5％，Nb5.1％～5.4％，Mo2.5％～3.0％，微量元素0.1％～1％、余量为Ni；
2#粉末按质量百分比由以下组分组成：C0.4％～0.47％，Cr8.5％～9.15％，Si2.5％～2.97％，Mn0.30％～0.38％，微量元素0.1％～0.5％，余量为Fe。
步骤2中4个梯度层依次为打底层、梯度层1、梯度层2和耐磨层，打底层的粉末原料为100％的1#粉末，梯度层1的粉末原料为2/3的1#粉末和1/3的2#粉末组成的混合粉末，梯度层2的粉末原料为1/3的1#粉末和2/3的2#粉末组成的混合粉末，耐磨层的粉末原料为100％的2#粉末。
步骤2中混合具体采用行星式球磨机进行混合配比，钢球质量与粉末质量比为10～15:1～1.5，球磨机转速为280r/min～320r/min，混合时间为3h～5h。
步骤2中烘烤的温度为70℃～90℃，烘烤时间为10h～14h。
步骤3中预处理方式具体为对基体表面采用砂纸打磨除锈，再用丙酮去除表面油污，待基体表面干燥备用。
步骤4中熔覆过程具体为，
熔覆底层时采用2000W～2300W的激光功率，扫描速度为260mm/min～280mm/min，送粉率为3g/min～4g/min；
熔覆梯度层1时采用2600W～2900W的激光功率，扫描速度为290mm/min～310mm/min，送粉率为4g/min～6g/min；
熔覆梯度层2时采用2900W～3200W的激光功率，扫描速度为290mm/min～310mm/min，送粉率为5g/min～7g/min；
熔覆耐磨层时采用3100W～3400W的激光功率，扫描速度为290mm/min～310mm/min，送粉率为8g/min～9g/min。
步骤4中激光光斑直径为4mm，搭接率为40％～50％。
步骤5中低温退火温度为150℃～160℃，低温退火时间为5h～6h。
本发明的有益效果是，
(1)本发明制造凸轮轴的方法采用激光增材制造技术，在钢材质中心轴表面通过激光直接金属沉积方法制造凸轮工作面，降低了制造风险，缩短了制造周期。
(2)本发明制造凸轮轴的方法采用梯度组织的方式使凸轮轴性能从内部到表面呈梯度变化，提高了零件的综合性能，充分满足了凸轮轴的特种使用需求。
(3)本发明制造凸轮轴的方法有效解决复杂结构凸轮轴增材制造梯度耐磨层问题，提高凸轮轴耐磨性能与工作可靠性，具有较大的经济意义和实用价值。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是本发明方法的梯度层示意图；
图3是本发明方法制造的凸轮轴的硬度曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于激光增材制造柴油机凸轮轴的方法，如图1所示，包括以下步骤，
步骤1，制备两种粉末，制备的两种粉末分别为1#粉末和2#粉末，1#粉末按质量百分比由以下组分组成：Cr17％～18.5％，Fe9.0％～10.0％，Co8.5％～9.5％，Nb5.1％～5.4％，Mo2.5％～3.0％，微量元素0.1％～1％、余量为Ni，如表1所示；
表11#粉末成分表
元素 Ni Cr Mo Nb Mn Al Fe Co
范围 余量 17-18.5 2.5-3.0 5.1-5.4 0.35-0.40 0.75 9.0-10.0 8.5-9.5
元素 P S C W Si Mg B Cu
范围 ≤0.014 ≤0.002 ≤0.02 0.8-1.1 ≤0.15-0.35 ≤0.005 ≤0.008 ≤0.1
2#粉末按质量百分比由以下组分组成：C0.4％～0.47％，Cr8.5％～9.15％，Si2.5％～2.97％，Mn0.30％～0.38％，微量元素0.1％～0.5％，余量为Fe，如表2所示，
表22#粉末成分表
Figure BDA0003823503960000051
步骤2，4个梯度层为打底层、梯度层1、梯度层2和耐磨层，将步骤1制备的1#粉末和2#粉末分别按打底层的粉末原料为100％的1#粉末，梯度层1的粉末原料为2/3的1#粉末和1/3的2#粉末组成的混合粉末，梯度层2的粉末原料为1/3的1#粉末和2/3的2#粉末组成的混合粉末，耐磨层的粉末原料为100％的2#粉末的比例混合成4个梯度层所需粉末原料；
混合采用机械合金化的方式进行机械混合，具体采用行星式球磨机进行混合配比，以GCr15钢球作为研磨介质，钢球质量与粉末质量比为10～15:1～1.5，球磨机转速为280r/min～320r/min，混合时间为3h～5h，球磨初期为了防止粉末之间过渡冷焊，加入少量酒精作为过程控制剂；对混合完成的粉末原料进行温度为70℃～90℃的烘烤使其干燥，烘烤10h～14h；
步骤3，对柴油机凸轮轴基体进行预处理，表面采用砂纸打磨除锈，再用丙酮去除表面油污，待基体表面干燥备用；
步骤4，采用送粉器将步骤2待熔覆的粉末原料送入熔池内部，如图2所示，通过直径为4mm的激光光斑移动完成对基体表面的激光熔覆过程，增材轨迹沿基体轴向按照往复运动形式进行搭接或沿基体径向以螺旋线方式搭接，搭接率为40％～50％，熔覆过程具体为，
熔覆打底层时采用2000W～2300W的激光功率，扫描速度为260mm/min～280mm/min，送粉率为3g/min～4g/min；
熔覆梯度层1时采用2600W～2900W的激光功率，扫描速度为290mm/min～310mm/min，送粉率为4g/min～6g/min；
熔覆梯度层2时采用2900W～3200W的激光功率，扫描速度为290mm/min～310mm/min，送粉率为5g/min～7g/min；
熔覆耐磨层时采用3100W～3400W的激光功率，扫描速度为290mm/min～310mm/min，送粉率为8g/min～9g/min。
本发明制造凸轮轴的方法采用梯度组织的方式使凸轮轴性能从内部到表面呈梯度变化，提高了零件的综合性能，充分满足了凸轮轴的特种使用需求。
步骤5，熔覆完成后，将完成表面镀层的基体放入井式炉中，温度设为150℃～160℃，持续5h～6h从而完成低温退火。
如图3所述，对制造完成的凸轮轴样品进行硬度测试，图中纵坐标代表维氏硬度，横坐标代表距离凸轮轴表面的距离，从图中可以看出，距离凸轮轴表面越近，其硬度越高。
本发明制造凸轮轴的方法采用激光增材制造技术，在钢材质中心轴表面通过激光直接金属沉积方法制造凸轮工作面，降低了制造风险，缩短了制造周期，并且有效解决复杂结构凸轮轴增材制造梯度耐磨层问题，提高凸轮轴耐磨性能与工作可靠性，具有较大的经济意义和实用价值。
实施例1
步骤1，制备两种粉末，1#粉末按质量百分比由以下组分组成：Cr17％，Fe9.0％，Co8.5％，Nb5.1％，Mo2.5％，微量元素0.1％、余量为Ni；
2#粉末按质量百分比由以下组分组成：C0.4％，Cr8.5％，Si，Mn0.30％，微量元素0.1％，余量为Fe。
步骤2，将步骤1制备的1#粉末和2#粉末分别按打底层的粉末原料为100％的1#粉末，梯度层1的粉末原料为2/3的1#粉末和1/3的2#粉末组成的混合粉末，梯度层2的粉末原料为1/3的1#粉末和2/3的2#粉末组成的混合粉末，耐磨层的粉末原料为100％的2#粉末的比例混合成4个梯度层所需粉末原料；
混合采用机械合金化的方式进行机械混合，具体采用行星式球磨机进行混合配比，以GCr15钢球作为研磨介质，球料比为10:1，球磨机转速为280r/min，混合时间为3h，球磨初期为了防止粉末之间过渡冷焊，加入少量酒精作为过程控制剂；对混合完成的粉末原料进行温度为70℃的烘烤使其干燥，烘烤10h；
步骤3，对柴油机凸轮轴基体进行预处理，表面采用砂纸打磨除锈，再用丙酮去除表面油污，待基体表面干燥备用；
步骤4，采用送粉器将步骤2处理后的粉末原料送入熔池内部，通过直径为4mm的激光光斑移动完成对步骤3处理后基体表面的激光熔覆过程，增材轨迹沿基体轴向按照往复运动形式进行搭接，搭接率为40％，熔覆过程具体为，
熔覆打底层时采用2000W的激光功率，扫描速度为260mm/min，送粉率为3g/min；
熔覆梯度层1时采用2600W的激光功率，扫描速度为290mm/min，送粉率为4g/min；
熔覆梯度层2时采用2900W的激光功率，扫描速度为290mm/min，送粉率为5g/min；
熔覆耐磨层时采用3100W的激光功率，扫描速度为290mm/min，送粉率为8g/min。
步骤5，熔覆完成后，将完成表面镀层的基体放入井式炉中，温度设为150℃，持续5h从而完成低温退火。
按照以上步骤实施完成后进行检测，经检测，表面硬度为HRC62—HRC65。
实施例2
步骤1，制备两种粉末，1#粉末按质量百分比由以下组分组成：Cr18.5％，Fe10.0％，Co9.5％，Nb5.4％，Mo3.0％，微量元素1％、余量为Ni；
2#粉末按质量百分比由以下组分组成：C0.47％，Cr9.15％，S2.97％，Mn0.38％，微量元素0.5％，余量为Fe。
步骤2，将步骤1制备的1#粉末和2#粉末分别按打底层的粉末原料为100％的1#粉末，梯度层1的粉末原料为2/3的1#粉末和1/3的2#粉末组成的混合粉末，梯度层2的粉末原料为1/3的1#粉末和2/3的2#粉末组成的混合粉末，耐磨层的粉末原料为100％的2#粉末的比例混合成4个梯度层所需粉末原料；
混合采用机械合金化的方式进行机械混合，具体采用行星式球磨机进行混合配比，以GCr15钢球作为研磨介质，球料比为15:1.5，球磨机转速为320r/min，混合时间为5h，球磨初期为了防止粉末之间过渡冷焊，加入少量酒精作为过程控制剂；对混合完成的粉末原料进行温度为90℃的烘烤使其干燥，烘烤14h；
步骤3，对柴油机凸轮轴基体进行预处理，表面采用砂纸打磨除锈，再用丙酮去除表面油污，待基体表面干燥备用；
步骤4，采用送粉器将步骤2处理后的粉末原料送入熔池内部，通过直径为4mm的激光光斑移动完成对步骤3处理后基体表面的激光熔覆过程，增材轨迹沿基体径向以螺旋线方式搭接，搭接率为50％，熔覆过程具体为，
熔覆打底层时采用2300W的激光功率，扫描速度为280mm/min，送粉率为4g/min；
熔覆梯度层1时采用2900W的激光功率，扫描速度为310mm/min，送粉率为6g/min；
熔覆梯度层2时采用3200W的激光功率，扫描速度为310mm/min，送粉率为7g/min；
熔覆耐磨层时采用3400W的激光功率，扫描速度为310mm/min，送粉率为9g/min。
步骤5，熔覆完成后，将完成表面镀层的基体放入井式炉中，温度设为160℃，持续6h从而完成低温退火。
按照以上步骤实施完成后进行检测，经检测，表面硬度为HRC61—HRC63。
实施例3
步骤1，制备两种粉末，1#粉末按质量百分比由以下组分组成：Cr18％，Fe9.5％，Co9％，Nb5.2％，Mo2.8％，微量元素0.5％、余量为Ni；
2#粉末按质量百分比由以下组分组成：C0.45％，Cr8.7％，Si2.7％，Mn0.34％，微量元素0.3％，余量为Fe。
步骤2，将步骤1制备的1#粉末和2#粉末分别按打底层的粉末原料为100％的1#粉末，梯度层1的粉末原料为2/3的1#粉末和1/3的2#粉末组成的混合粉末，梯度层2的粉末原料为1/3的1#粉末和2/3的2#粉末组成的混合粉末，耐磨层的粉末原料为100％的2#粉末的比例混合成4个梯度层所需粉末原料；
混合采用机械合金化的方式进行机械混合，具体采用行星式球磨机进行混合配比，以GCr15钢球作为研磨介质，球料比为12:1.2，球磨机转速为300r/min，混合时间为4h，球磨初期为了防止粉末之间过渡冷焊，加入少量酒精作为过程控制剂；对混合完成的粉末原料进行温度为80℃的烘烤使其干燥，烘烤12h；
步骤3，对柴油机凸轮轴基体进行预处理，表面采用砂纸打磨除锈，再用丙酮去除表面油污，待基体表面干燥备用；
步骤4，采用送粉器将步骤2处理后的粉末原料送入熔池内部，通过直径为4mm的激光光斑移动完成对步骤3处理后基体表面的激光熔覆过程，增材轨迹沿基体径向以螺旋线方式搭接，搭接率为45％，熔覆过程具体为，
熔覆打底层时采用2100W的激光功率，扫描速度为270mm/min，送粉率为3.5g/min；
熔覆梯度层1时采用2700W的激光功率，扫描速度为300mm/min，送粉率为5g/min；
熔覆梯度层2时采用3000W的激光功率，扫描速度为300mm/min，送粉率为6g/min；
熔覆耐磨层时采用3200W的激光功率，扫描速度为300mm/min，送粉率为8.5g/min。
步骤5，熔覆完成后，将完成表面镀层的基体放入井式炉中，温度设为155℃，持续5.5h从而完成低温退火。
按照以上步骤实施完成后进行检测，经检测，表面硬度为HRC62—HRC64。
实施例4
步骤1，制备两种粉末，制备的两种粉末分别为1#粉末和2#粉末，1#粉末按质量百分比由以下组分组成：Cr17.5％，Fe9.7％，Co8.7％，Nb5.3％，Mo2.6％，微量元素0.8％、余量为Ni；
2#粉末按质量百分比由以下组分组成，C0.42％，Cr9％，S2.8％，Mn0.32％，微量元素0.2％，余量为Fe。
步骤2，将步骤1制备的1#粉末和2#粉末分别按打底层的粉末原料为100％的1#粉末，梯度层1的粉末原料为2/3的1#粉末和1/3的2#粉末组成的混合粉末，梯度层2的粉末原料为1/3的1#粉末和2/3的2#粉末组成的混合粉末，耐磨层的粉末原料为100％的2#粉末的比例混合成4个梯度层所需粉末原料；
混合采用机械合金化的方式进行机械混合，具体采用行星式球磨机进行混合配比，以GCr15钢球作为研磨介质，球料比为14:1.4，球磨机转速为290r/min，混合时间为4.5h，球磨初期为了防止粉末之间过渡冷焊，加入少量酒精作为过程控制剂；对混合完成的粉末原料进行温度为85℃的烘烤使其干燥，烘烤11h；
步骤3，对柴油机凸轮轴基体进行预处理，表面采用砂纸打磨除锈，再用丙酮去除表面油污，待基体表面干燥备用；
步骤4，采用送粉器将步骤2处理后的粉末原料送入熔池内部，通过直径为4mm的激光光斑移动完成对步骤3处理后基体表面的激光熔覆过程，增材轨迹沿基体轴向按照往复运动形式进行搭接，搭接率为48％，熔覆过程具体为，
熔覆打底层时采用2200W的激光功率，扫描速度为275mm/min，送粉率为3.6g/min；
熔覆梯度层1时采用2800W的激光功率，扫描速度为305mm/min，送粉率为5.5g/min；
熔覆梯度层2时采用3100W的激光功率，扫描速度为305mm/min，送粉率为6.5g/min；
熔覆耐磨层时采用3300W的激光功率，扫描速度为305mm/min，送粉率为8.7g/min。
步骤5，熔覆完成后，将完成表面镀层的基体放入井式炉中，温度设为156℃，持续5.4h从而完成低温退火。
按照以上步骤实施完成后进行检测，经检测，表面硬度为HRC61—HRC65。

Claims (5)

1.基于激光增材制造柴油机凸轮轴的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制备1#粉末和2#粉末；
步骤2，将步骤1制备的1#粉末和2#粉末分别按不同比例混合成4个梯度层所需粉末原料，对混合的粉末原料进行烘烤使其干燥；
步骤3，对柴油机凸轮轴基体进行预处理，去除基材表面锈蚀和油污；
步骤4，采用送粉器将步骤2处理后的粉末原料送入熔池内部，通过激光光斑移动完成对步骤3处理后的基体表面的激光熔覆过程，激光熔覆过程中的增材轨迹沿基体径向以螺旋线方式搭接或沿轴向按照往复运动形式进行搭接；
步骤5，熔覆完成后，将完成表面镀层的基体放入井式炉中，完成低温退火；
步骤1中1#粉末按质量百分比由以下组分组成：Cr17%~18.5%，Fe9.0%~10.0%，Co8.5%~9.5%，Nb5.1%~5.4%，Mo2.5%~3.0%，微量元素0.1%~1%、余量为Ni；2#粉末按质量百分比由以下组分组成：C0.4%~0.47%，Cr8.5%~9.15%，Si2.5%~2.97%，Mn0.30%~0.38%，微量元素0.1%~0.5%，余量为Fe；
步骤2中4个梯度层依次为打底层、梯度层1、梯度层2和耐磨层，打底层的粉末原料为100%的1#粉末，梯度层1的粉末原料为2/3的1#粉末和1/3的2#粉末组成的混合粉末，梯度层2的粉末原料为1/3的1#粉末和2/3的2#粉末组成的混合粉末，耐磨层的粉末原料为100%的2#粉末；
步骤4中熔覆过程具体为：
熔覆底层时采用2000W~2300W的激光功率，扫描速度为260mm/min~280mm/min，送粉率为3g/min~4g/min；
熔覆梯度层1时采用2600W~2900W的激光功率，扫描速度为290mm/min~310mm/min，送粉率为4g/min~6g/min；
熔覆梯度层2时采用2900W~3200W的激光功率，扫描速度为290mm/min~310mm/min，送粉率为5g/min~7g/min；
熔覆耐磨层时采用3100W~3400W的激光功率，扫描速度为290mm/min~310mm/min，送粉率为8g/min~9g/min；
步骤4中激光光斑直径为4mm，搭接率为40%~50%。
2.根据权利要求1所述的基于激光增材制造柴油机凸轮轴的方法，其特征在于，所述步骤2中混合具体采用行星式球磨机进行混合配比，钢球质量与粉末质量比为10~15:1~1.5，球磨机转速为280r/min~320r/min，混合时间为3h~5h。
3.根据权利要求1所述的基于激光增材制造柴油机凸轮轴的方法，其特征在于，所述步骤2中烘烤的温度为70℃~90℃，烘烤时间为10h~14h。
4.根据权利要求1所述的基于激光增材制造柴油机凸轮轴的方法，其特征在于，所述步骤3中预处理方式具体为对基体表面采用砂纸打磨除锈，再用丙酮去除表面油污，待基体表面干燥备用。
5.根据权利要求1所述的基于激光增材制造柴油机凸轮轴的方法，其特征在于，所述步骤5中低温退火温度为150℃~160℃，低温退火时间为5h~6h。
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