CN115365698A - 基于3d打印技术的舰船零部件壳体制造方法及所用丝材 - Google Patents

基于3d打印技术的舰船零部件壳体制造方法及所用丝材 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于3D打印技术的舰船零部件壳体用丝材，包括有药芯和外皮，其中药芯按质量百分比由以下粉末组成：钒粉0.7％，锰粉80％～85％，镍粉5～9％，钛粉4％，硅粉1.5％，铝粉5～8％，TiO2粉：2％，以上组分质量百分比之和为100％。该丝材能够用于3D打印舰船零部件壳体。还公开一种基于3D打印技术的舰船零部件壳体制造方法。

Description

基于3D打印技术的舰船零部件壳体制造方法及所用丝材
技术领域
本发明属于金属3D打印领域，具体涉及一种基于3D打印技术的舰船零部件壳体用丝材，还涉及一种基于3D打印技术的舰船零部件壳体制造方法。
背景技术
随着我国航海业的迅速发展，舰船、潜艇等所需的零部件也需要更久的寿命，而长期处于地球磁场的作用下的舰船经常被磁化，这大大降低了舰船的隐蔽性从而更容易被磁性鱼雷所追踪，所以军舰在执行任务前都需要消磁，而这大大降低了军队执行任务的速度同时提高了军舰维护的成本；而无磁钢作为一种耐腐蚀性良好且不能被磁化的钢，可以广泛应用在军舰的零部件上，以降低维护军舰的成本。
目前，对于舰船零部件壳体的制造主要采用焊接的方式进行成型，而在焊接无磁钢过程中容易在接头处产生大量的残余应力，在海水的腐蚀性以及海洋中恶劣环境的作用下，焊接接头处更容易开裂最终导致内部的零件受损，采用该方法制备时不仅工艺复杂，同时该制备方法在焊接过程中会使得焊缝处稀释母材，降低母材奥氏体形成元素，导致母材的功能性大大降低；相比传统制造技术，智能激光3D打印技术具备成型精确、材料浪费率低、劳动强度低、制造的零件整体力学性能均匀，能发挥材料自身最佳的功能性等特点。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种基于3D打印技术的舰船零部件壳体用丝材，该丝材能够用于3D打印舰船零部件壳体。
本发明的第二个目的是提供一种基于3D打印技术的舰船零部件壳体制造方法。
本发明所采用的第一个技术方案是，基于3D打印技术的舰船零部件壳体用丝材，包括有药芯和外皮，其中药芯按质量百分比由以下粉末组成：钒粉0.7％，锰粉80％～85％，镍粉5～9％，钛粉4％，硅粉1.5％，铝粉5～8％，TiO2粉：2％，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
外皮为低碳钢带，具体成分为C：0.021％；Mn:0.15％；S：0.006％；P：0.007％；Si:0.19％；Fe:余量，以上组分质量百分比之和为100％。
药芯粉末均为400目，所有称取的药芯粉末先采用混粉机充分混合，混粉转速为150r/min，混粉时间为8h；混粉机温度为室温；金属丝材减径需每隔0.2mm直至直径为1.38mm，以保证内部药芯粉末被压实，药芯的填充率为25％-28％。
本发明所采用的第二个技术方案是，基于3D打印技术的舰船零部件壳体制造方法，具体操作步骤为：
步骤1：舰船零部件壳体用丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：钒粉0.7％，锰粉80％～85％，镍粉5～9％，钛粉4％，硅粉1.5％，铝粉5～8％，TiO2粉：2％；以上组分质量百分比之和为100％，并采用药芯焊丝拉拔机制备成丝材；
步骤2：选择无磁钢板作为工件基材，利用角磨机打磨表面氧化皮，打磨结束后采用超声清洗设备清除杂质，其次将钢板置于真空干燥炉中并保存待用；
步骤3：进行激光填丝3D打印方法制备舰船零部件壳体的建模，然后将模型分层处理，转化为适用于激光填丝3D打印制造所用的程序；
步骤4：将步骤1所制备的丝材装入由激光发生器和多功能自动送丝机组成的打印***中，使用自动送丝机的加热***进行热丝，随后进行激光填丝制备舰船零部件壳体；
步骤5：待步骤4逐层堆积的的零件冷却至室温后，利用精密加工设备进行精密切削，即得。步骤5中，采用数控机床与抛光机相结合的方式对装配部位进行少量的精密加工。
本发明的特征还在于，
步骤2中，采用无磁钢板为100mm×100mm×15mm的20Mn23Al板材，供货态为调质。
步骤4中，进行激光填丝3D打印过程中需在无磁钢板材下方垫上为其2倍尺寸，厚度为无磁钢板厚度一半尺寸的T2铜板以便于散热，激光填丝3D打印工艺参数为：激光填丝3D打印功率：2.0～2.5KW，激光光斑直径为300nm，脉冲宽度为5ns，脉冲频率：400kHz，预热丝材电流为100A或120A，采用前置送丝，丝材与激光束夹角为45°，丝材伸出长度为12mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至150℃～200℃后进行下一道熔覆；保护气为99.99vol％的氩气，气体流量为12L/min，填丝速度为200mm～280mm/min。
本发明的有益效果是：
(1)本发明方法，使用的药芯焊丝制备工艺简单，制备效率高，可用于大规模工业生产。
(2)本发明方法，提供了符合智能制造理念的制造舰船零件壳体的方法，制造的舰船零件壳体力学性能满足实际工况，避免了传统制造中焊接无磁钢时出现的焊接接头残余应力过大的问题。
(3)本发明方法基于激光填丝3D打印技术，从药芯焊丝的制备到零件成型全过程可完全自动化，生产效率高，制备的零件尺寸精确，后期机加工量小，能有效减少硬质合金难加工的问题，更有利于自动化生产。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的舰船零部件壳体的显微组织图；
图2是本发明实施例1制备的舰船零部件壳体建模图；
图3是本发明实施例1制备的舰船零部件壳体侧壁实物局部图。
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。
本发明提供一种基于3D打印技术的舰船零部件壳体用丝材，包括有药芯和外皮，其中药芯按质量百分比由以下粉末组成：钒粉0.7％，锰粉80％～85％，镍粉5～9％，钛粉4％，硅粉1.5％，铝粉5～8％，TiO2粉：2％，以上组分质量百分比之和为100％。
外皮为低碳钢带，具体成分为C：0.021％；Mn:0.15％；S：0.006％；P：0.007％；Si:0.19％；Fe:余量，以上组分质量百分比之和为100％。
药芯粉末均为400目，所有称取的药芯粉末先采用混粉机充分混合，混粉转速为150r/min，混粉时间为8h；混粉机温度为室温；金属丝材减径需每隔0.2mm直至直径为1.38mm，以保证内部药芯粉末被压实，药芯的填充率为25％-28％。
该药芯焊丝中各组分的作用和功能如下：
钒粉在奥氏钢中起到固溶强化和抑制奥氏体晶粒长大的作用，由于本发明中的焊丝锰元素过高，会降低制造零件的韧性，同时，钒与钢带中的碳元素可以形成少量的金属化合物来提高其表面的耐磨性能；但过多的钒元素存在于钢中会提高其磁性，与本发明所需要的相反所以钒粉的量不宜过多；
锰粉是扩大奥氏体转变区间的元素，它与碳元素可以获得单向奥氏体组织，有利于增加零件的耐晶间腐蚀能力，同时锰元素加入对钢的强度有大幅度提高，对延展性影响较小，由于舰船零件在海底受到的较高压强，需要锰对其力学性能进行强化；
镍粉是奥氏体形成元素，为了促进奥氏体的形成，能提高无磁钢的韧性，提高淬透性；
钛元素具有脱氧的作用，可以减小激光填丝打印过程中的氧气孔的形成，同时具有细化晶粒的目的，改善材料的耐晶界腐蚀能力；
硅元素起着脱氧的作用；
铝元素在该焊丝中起着耐H2S腐蚀的作用，舰船处于海洋这种酸性环境中，有大量的氧化性酸对其腐蚀；
TiO2的加入一方面可以提高激光熔化后和合金液的流动性，另一方面其起着提高熔覆金属韧性的作用。
本发明提供一种基于3D打印技术的舰船零部件壳体制造方法，具体操作步骤为：
步骤1：舰船零部件壳体用丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：钒粉0.7％，锰粉80％～85％，镍粉5～9％，钛粉4％，硅粉1.5％，铝粉5～8％，TiO2粉：2％；以上组分质量百分比之和为100％，并采用药芯焊丝拉拔机制备成丝材；
步骤2：选择无磁钢板作为工件基材，利用角磨机打磨表面氧化皮，打磨结束后采用超声清洗设备清除杂质，其次将钢板置于真空干燥炉中并保存待用；
步骤2中，采用无磁钢板为100mm×100mm×15mm的20Mn23Al板材，供货态为调质。
步骤3：进行激光填丝3D打印方法制备舰船零部件壳体的建模，然后将模型分层处理，转化为适用于激光填丝3D打印制造所用的程序；
步骤4：将步骤1所制备的丝材装入由激光发生器和多功能自动送丝机组成的打印***中，使用自动送丝机的加热***进行热丝，随后进行激光填丝制备舰船零部件壳体；
步骤4中，进行激光填丝3D打印过程中需在无磁钢板材下方垫上为其2倍尺寸，厚度为无磁钢板厚度一半尺寸的T2铜板以便于散热，激光填丝3D打印工艺参数为：激光填丝3D打印功率：2.0～2.5KW，激光光斑直径为300nm，脉冲宽度为5ns，脉冲频率：400kHz，预热丝材电流为100A或120A，采用前置送丝，丝材与激光束夹角为45°，丝材伸出长度为12mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至150℃～200℃后进行下一道熔覆；保护气为99.99vol％的氩气，气体流量为12L/min，填丝速度为200mm～280mm/min。
步骤5：待步骤4逐层堆积的的零件冷却至室温后，利用精密加工设备进行精密切削，即得。步骤5中，采用数控机床与抛光机相结合的方式对装配部位进行少量的精密加工。
实施例1
基于3D打印技术的舰船零部件壳体制造方法，其具体步骤为：
步骤1：舰船零部件壳体用丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：钒粉0.7％，锰粉80％，镍粉6.8％，钛粉4％，硅粉1.5％，铝粉5％，TiO2粉：2％，以上组分质量百分比之和为100％；并采用药芯焊丝拉拔机制备成药芯焊丝。填粉完成后药芯焊丝减径需每隔0.2mm直至直径为1.38mm，填充率为25％。
步骤2：选择尺寸为100mm×100mm×15mm的20Mn23Al板材的无磁钢板材作为工件基材，供货态为调质，利用角磨机打磨表面氧化皮，打磨结束后采用超声清洗设备清除杂质，其次将无磁钢板置于真空干燥炉中并保存待用。
步骤3：采用建模软件对舰船零部件壳体进行建模并进行模型优化，如图2所示，并利用CAM***进行切片处理，切片厚度为3mm，设计合适的夹具角度；
步骤4：将步骤1所制备的丝材装入由激光发生器和多功能自动送丝机组成的打印***中，使用自动送丝机的加热***进行热丝，随后进行激光填丝制备舰船零部件壳体。进行激光填丝3D打印过程中需在无磁钢板材下方垫上为其2倍尺寸，厚度为无磁钢板厚度一半的T2铜板以便于散热，激光填丝3D打印工艺参数：激光填丝3D打印功率：2.2KW，激光光斑直径为300nm，脉冲宽度为5ns，脉冲频率：400kHz，预热焊丝电流为100A，采用前置送丝，丝材与激光束夹角为45°，焊丝伸出长度为12mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至150℃后进行下一道熔覆；保护气为99.99vol％的氩气，气体流量为12L/min，填丝速度为200mm/min。
步骤5：待步骤4制备的零件冷却至室温后，采用数控机床与抛光机相结合的方式对装配部位进行少量的精密加工。
实施例1中制备得到的基于3D打印技术的舰船零部件壳体，经力学性能测试后，屈服强度为331.8MPa，抗拉强度为580.7MPa，室温冲击功为70.5J，经磁导率测试后，磁导率为1.281×10-6H/m，所测力学性能及磁导率均满足实际工况需求，其显微组织图如图1所示，其室温组织为生长方向一致的奥氏体晶粒；打印出的壳体局部实物如图3所示(包括打磨部分及未打磨部分)。
实施例2
基于3D打印技术的舰船零部件壳体制造方法，其具体步骤为：
步骤1：舰船零部件壳体用丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：钒粉0.7％，锰粉85％，镍粉3.8％，钛粉4％，硅粉1.5％，铝粉3％，TiO2粉：2％，以上组分质量百分比之和为100％；并采用药芯焊丝拉拔机制备成药芯焊丝。填粉完成后药芯焊丝减径需每隔0.2mm直至直径为1.38mm，填充率为27.4％。
步骤2：选择尺寸为100mm×100mm×15mm的20Mn23Al板材的无磁钢板材作为工件基材，供货态为调质，利用角磨机打磨表面氧化皮，打磨结束后采用超声清洗设备清除杂质，其次将无磁钢板置于真空干燥炉中并保存待用。
步骤3：采用建模软件对舰船零部件壳体进行建模并进行模型优化，并利用CAM***进行切片处理，切片厚度为1mm，设计合适的夹具角度；
步骤4：将步骤1所制备的丝材装入由激光发生器和多功能自动送丝机组成的打印***中，使用自动送丝机的加热***进行热丝，随后进行激光填丝制备舰船零部件壳体；进行激光填丝3D打印过程中需在无磁钢板材下方垫上为其2倍尺寸，厚度为无磁钢板厚度一半的T2铜板以便于散热，激光填丝3D打印工艺参数：激光填丝3D打印功率：2.8KW，激光光斑直径为300nm，脉冲宽度为5ns，脉冲频率：400kHz，预热焊丝电流为120A，采用前置送丝，焊丝与激光束夹角为45°，焊丝伸出长度为12mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至200℃后进行下一道熔覆；保护气为99.99vol％的氩气，气体流量为12L/min，填丝速度为200mm/min。
步骤5：待步骤4制备的零件冷却至室温后，采用数控机床与抛光机相结合的方式对装配部位进行少量的精密加工。
实施例2中制备得到的基于3D打印技术的舰船零部件壳体，经力学性能测试后，屈服强度为346.5MPa，抗拉强度为582.1MPa，室温冲击功为65.2J，经磁导率测试后，磁导率为1.271×10-6H/m，所测力学性能及磁导率均满足实际工况需求。
实施例3
基于3D打印技术的舰船零部件壳体制造方法，其具体步骤为：
步骤1：舰船零部件壳体用丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：钒粉0.7％，锰粉82％，镍粉8.8％，钛粉2％，硅粉1.5％，铝粉3％，TiO2粉：2％，以上组分质量百分比之和为100％；并采用药芯焊丝拉拔机制备成药芯焊丝。填粉完成后药芯焊丝减径需每隔0.2mm直至直径为1.38mm，填充率为25％。
步骤2：选择尺寸为100mm×100mm×15mm的20Mn23Al板材的无磁钢板材作为工件基材，供货态为调质，利用角磨机打磨表面氧化皮，打磨结束后采用超声清洗设备清除杂质，其次将无磁钢板置于真空干燥炉中并保存待用。
步骤3：采用建模软件对舰船零部件壳体进行建模并进行模型优化，并利用CAM***进行切片处理，切片厚度为3mm，设计合适的夹具角度；
步骤4：将步骤1所制备的丝材装入由激光发生器和多功能自动送丝机组成的打印***中，使用自动送丝机的加热***进行热丝，随后进行激光填丝制备舰船零部件壳体；进行激光填丝3D打印过程中需在无磁钢板材下方垫上为其2倍尺寸，厚度为无磁钢板厚度一半的T2铜板以便于散热，激光填丝3D打印工艺参数：激光填丝3D打印功率：2.5KW，激光光斑直径为300nm，脉冲宽度为5ns，脉冲频率：400kHz，预热焊丝电流为120A，采用前置送丝，焊丝与激光束夹角为45°，焊丝伸出长度为12mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至160℃后进行下一道熔覆；保护气为99.99vol％的氩气，气体流量为12L/min，填丝速度为210mm/min。
步骤5：待步骤4制备的零件冷却至室温后，采用数控机床与抛光机相结合的方式对装配部位进行少量的精密加工。
实施例3中制备得到的基于3D打印技术的舰船零部件壳体，经力学性能测试后，屈服强度为362.8MPa，抗拉强度为550.7MPa，室温冲击功为70.4J，经磁导率测试后，磁导率为1.207×10-6H/m，所测力学性能及磁导率均满足实际工况需求。
实施例4
基于3D打印技术的舰船零部件壳体制造方法，其具体步骤为：
步骤1：舰船零部件壳体用丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：钒粉0.7％，锰粉82％，镍粉4.8％，钛粉4％，硅粉1.5％，铝粉5％，TiO2粉：2％，以上组分质量百分比之和为100％；并采用药芯焊丝拉拔机制备成金属丝材。填粉完成后金属丝材减径需每隔0.2mm直至直径为1.38mm，填充率为26.8％。
步骤2：选择尺寸为100mm×100mm×15mm的20Mn23Al板材的无磁钢板材作为工件基材，供货态为调质，利用角磨机打磨表面氧化皮，打磨结束后采用超声清洗设备清除杂质，其次将无磁钢板置于真空干燥炉中并保存待用。
步骤3：采用建模软件对舰船零部件壳体进行建模并进行模型优化，并利用CAM***进行切片处理，切片厚度为1mm，设计合适的夹具角度；
步骤4：将步骤1所制备的丝材装入由激光发生器和多功能自动送丝机组成的打印***中，使用自动送丝机的加热***进行热丝，随后进行激光填丝制备舰船零部件壳体；进行激光填丝3D打印过程中需在无磁钢板材下方垫上为其2倍尺寸，厚度为无磁钢板厚度一半的T2铜板以便于散热，激光填丝3D打印工艺参数：激光填丝3D打印功率：2.3KW，激光光斑直径为300nm，脉冲宽度为5ns，脉冲频率：400kHz，预热焊丝电流为100A，采用前置送丝，焊丝与激光束夹角为45°，焊丝伸出长度为12mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至200℃后进行下一道熔覆；保护气为99.99vol％的氩气，气体流量为12L/min，填丝速度为210mm/min。
步骤5：待步骤4制备的零件冷却至室温后，采用数控机床与抛光机相结合的方式对装配部位进行少量的精密加工。
实施例4中制备得到的基于3D打印技术的舰船零部件壳体，经力学性能测试后，屈服强度为361.8MPa，抗拉强度为543.7MPa，室温冲击功为79.5J，经磁导率测试后，磁导率为1.295×10-6H/m，所测力学性能及磁导率均满足实际工况需求。
实施例5
本发明的目的是提供一种基于激光填丝3D打印技术舰船零部件壳体制造方法及所用药芯丝材，其具体步骤为：
步骤1：舰船零部件壳体用丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：钒粉0.7％，锰粉85％，镍粉4％，钛粉3％，硅粉1.5％，铝粉3.8％，TiO2粉：2％，以上组分质量百分比之和为100％；并采用药芯焊丝拉拔机制备成金属丝材。填粉完成后金属丝材减径需每隔0.2mm直至直径为1.38mm，填充率为26.8％。
步骤2：选择尺寸为100mm×100mm×15mm的20Mn23Al板材的无磁钢板材作为工件基材，供货态为调质，利用角磨机打磨表面氧化皮，打磨结束后采用超声清洗设备清除杂质，其次将无磁钢板置于真空干燥炉中并保存待用。
步骤3：采用建模软件对舰船零部件壳体进行建模并进行模型优化，并利用CAM***进行切片处理，切片厚度为3mm，设计合适的夹具角度；
步骤4：将步骤1所制备的丝材装入由激光发生器和多功能自动送丝机组成的打印***中，使用自动送丝机的加热***进行热丝，随后进行激光填丝制备舰船零部件壳体；进行激光填丝3D打印过程中需在无磁钢板材下方垫上为其2倍尺寸，厚度为无磁钢板厚度一半的T2铜板以便于散热，激光填丝3D打印工艺参数：激光填丝3D打印功率：2.2KW，激光光斑直径为300nm，脉冲宽度为5ns，脉冲频率：400kHz，预热丝材电流为100A，采用前置送丝，丝材与激光束夹角为45°，丝材伸出长度为12mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至180℃后进行下一道熔覆；保护气为99.99vol％的氩气，气体流量为12L/min，填丝速度为200mm/min。
步骤5：待步骤4制备的零件冷却至室温后，采用数控机床与抛光机相结合的方式对装配部位进行少量的精密加工。
实施例5中制备得到的基于3D打印技术的舰船零部件壳体，经力学性能测试后，屈服强度为377.9MPa，抗拉强度为570.7MPa，室温冲击功为78.5J，经磁导率测试后，磁导率为1.221×10-6H/m，所测力学性能及磁导率均满足实际工况需求。

Claims (6)

1.基于3D打印技术的舰船零部件壳体用丝材，其特征在于，包括有药芯和外皮，其中药芯按质量百分比由以下粉末组成：钒粉0.7％，锰粉80％～85％，镍粉5～9％，钛粉4％，硅粉1.5％，铝粉5～8％，TiO2粉：2％，以上组分质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的舰船零部件壳体用丝材，其特征在于，外皮为低碳钢带，具体成分为C：0.021％；Mn:0.15％；S：0.006％；P：0.007％；Si:0.19％；Fe:余量，以上组分质量百分比之和为100％。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的舰船零部件壳体用丝材，其特征在于，药芯的填充率为25％-28％。
4.基于3D打印技术的舰船零部件壳体制造方法，其特征在于，具体操作步骤为：
步骤1：舰船零部件壳体用丝材的制备：按质量百分比分别称取如下粉末：钒粉0.7％，锰粉80％～85％，镍粉5～9％，钛粉4％，硅粉1.5％，铝粉5～8％，TiO2粉：2％；以上组分质量百分比之和为100％，并采用药芯焊丝拉拔机制备成丝材；
步骤2：选择无磁钢板作为工件基材，利用角磨机打磨表面氧化皮，打磨结束后采用超声清洗设备清除杂质，其次将钢板置于真空干燥炉中并保存待用；
步骤3：进行激光填丝3D打印方法制备舰船零部件壳体的建模，然后将模型分层处理，转化为适用于激光填丝3D打印制造所用的程序；
步骤4：将步骤1所制备的丝材装入由激光发生器和自动送丝机组成的打印***中，使用自动送丝机的加热***进行热丝，随后进行激光填丝制备舰船零部件壳体；
步骤5：待步骤4逐层堆积的的零件冷却至室温后，利用精密加工设备进行精密切削，即得。
5.根据权利要求4所述的基于3D打印技术的舰船零部件壳体制造方法，其特征在于，步骤2中，采用无磁钢板为100mm×100mm×15mm的20Mn23Al板材，供货态为调质。
6.根据权利要求4所述的基于3D打印技术的舰船零部件壳体制造方法，其特征在于，步骤4中，进行激光填丝3D打印过程中需在无磁钢板材下方垫上为其2倍尺寸，厚度为无磁钢板厚度一半尺寸的T2铜板，激光填丝3D打印工艺参数为：激光填丝3D打印功率：2.0～2.5KW，激光光斑直径为300nm，脉冲宽度为5ns，脉冲频率：400kHz，预热丝材电流为100A或120A，采用前置送丝，丝材与激光束夹角为45°，丝材伸出长度为12mm，每一层打印结束后用角磨机除去表面氧化皮及熔渣；待冷却至150℃～200℃后进行下一道熔覆；保护气为99.99vol％的氩气，气体流量为12L/min，填丝速度为200mm～280mm/min。
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