一种发动机缸盖气门座三维打印直接制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属零件三维打印成形领域，特别涉及一种发动机缸盖气门座三维打印直接制造方法。
【背景技术】
[0002]近年来，发动机产品一直在向强化、低能耗、低污染的方向发展。作为发动机核心部件，发动机配气机构的良好运行是保证发动机功率及其稳定性的关键。配气机构中的气门座与气门配合使用，适时开闭气缸，控制混合燃气或空气的进入以及废气的排出，使气缸里的混合燃气充分燃烧做功，从而保证发动机的输出功率及其稳定性。目前的发动机产品中，以装配式气门座圈最为常见，缸盖与气门座圈采用过盈配合以保证可靠性。
[0003]气门座(圈)密封锥面的使用工况较差，工作温度长期处于700°C以上，而且时刻受到燃气中腐蚀性气体的侵蚀。更为重要的是，气门座与气门构成摩擦副，气缸燃气压力的冲击、气门的高速运动和频繁启动，会使气门座(圈)密封锥面过早出现机械疲劳、磨损失效等，严重影响发动机的使用寿命。在以提高可靠性为基础的技术革新趋势下，发动机产品广泛采用直喷、增压等技术，致使气门座(圈)的工作环境越来越恶劣，因此也对气门座(圈)的工作性能提出了更高要求。
[0004]激光熔覆技术原指以不同填料方式在被涂覆基体表面放置具有特殊性能的熔覆合金涂层材料，经激光辐照后使涂层材料和基体表面层同时熔化并快速凝固后形成与基体材料成冶金结合的表面覆层，使工件工作面获得熔覆合金材料自身所具备的优良性能，从而显著改善基体材料表面的耐磨，耐蚀，耐热，抗氧化等性能的表面热处理方法。与常规的表面涂覆强化工艺相比，激光熔覆具有以下显著特点:
1.冷却速度快(106°c/S)，熔覆层具有组织致密、晶粒细化等典型快速凝固特征；
2.热输入和畸变较小，涂层稀释率低；
3.能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；
4.激光束可以瞄准难以接近的区域进行熔覆；
5.工艺过程易于实现自动化。
[0005]近年来，随着材料科学、计算机技术与数控技术的飞速发展，激光熔覆所具备的优势及特点使得该技术在零件修复、梯度功能材料制备以及零件的三维打印直接成形等方面显示出了巨大的应用潜力。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种在发动机缸盖密封锥面处原位激光熔覆金属基强化复合涂层并直接三维打印成形为气门座的方法，其特点在于:成型效率高，制备的零件组织致密、晶粒细小、表面粗糙度低。
[0007]本发明提供的方法是以大功率连续激光束为热源，利用分层激光熔覆作为成形方法，在发动机缸盖密封锥面处原位叠层熔覆金属基耐磨强化复合涂层，使之与缸盖基材形成冶金结合，并直接三维打印成形为气门座零件形式，实现发动机缸盖气门座一体化直接制造，使气门座密封锥面耐磨性能和发动机整体可靠性显著提高。
[0008]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
将待加工缸盖置于一个可调整顶端托板与下方工作台角度的旋转托盘上，托盘下端固定于工作台，通过调节机构调整托板与平台之间角度，实现被熔覆面与激光束保持垂直，同时保证熔覆区域恰好落在激光辐照范围内，旋转托盘由旋转电机控制，从而带动托板上的缸盖待熔覆面相对激光束运动，并使相对运动速度介于600mm~1000mm/min。
[0009]基于如上技术方案，本发明提供的激光熔覆三维打印成形方法包括以下工艺步骤:
a、数字建模利用绘图软件生成零件的三维模型，利用成形控制软件将三维模型按一定间距切割成一系列平行薄层，并得到各层轮廓数据；
b、生成指令根据各层轮廓数据设计工作台的运动轨迹，将运动轨迹转换成多轴运动控制卡的控制指令，并将所述控制指令输出至所述控制卡；
C、备料下料根据待成形工件特征及技术指标准备用于激光熔覆的金属基材料；
d、单层熔覆数控工作台及旋转托盘携带待熔覆汽缸盖按预定轨迹运动，同时控制同轴载气送料装置将所述熔覆材料送至激光束输出端的位置，激光器产生激光束辐照于所述熔覆材料及缸盖基材，使其形成熔滴并熔覆于缸盖密封锥面，冷却形成薄层，并与缸盖基材形成冶金结合；
e、叠层成形完成步骤d后，控制工作台向下运动一个层厚的距离，重复步骤d进行下一薄层的熔覆，并依次完成各层熔覆，使熔覆层间均形成冶金结合。叠层熔覆完成后，在缸盖密封锥面原位成形制得金属气门座。
[0010]其中，所述步骤c中，所述熔覆材料为钴基合金时，组成成分的质量百分比为:
C 为 0.8%?1.65%，Cr 为 17%?30%，Si 为 0.5% ?1.2%，Ni 为 2% ?4%，Mn为 0.5%?1.7%，Mo 为 0.6% ?2.8%，Cu 为 0.3% ?0.8%，W 为 0.5% ?6%，Co 为余量;
所述熔覆材料为所述镍基合金时，组成成分的质量百分比为:
C 为 0.8 ?1.65%，Cr 为 17%?30%，Si 为 0.5% ?1.2%，Mn 为 0.5%?1.7%，Mo 为 0.6%?2.8%，Cu 为 0.3%?0.8%，W 为 0.5% ?6%，Ni 为余量。
[0011]其中，所述步骤d中，激光束功率为1.5kW~6kW。
[0012]本发明有益效果为:通过激光熔融合金粉末，形成熔滴，熔滴在待熔覆面上堆积冷却，并随工作台运动而形成熔覆层，各熔覆层依次叠层沉积而形成三维金属零件；本发明的制造过程不需采用铸造模型或锻造模具及其它专用加工设备，显著降低了制造成本；简化了工艺流程，成型效率高；由于零件是由金属熔滴堆积沉积而成，故而制备的零件组织致密、晶粒细小、表面粗糙度低，零件结构强度和表面质量高；在成形过程中无环境污染，不产生有害物质，是一种绿色制造技术。
【附图说明】
[0013]图1是一种发动机缸盖气门座三维打印直接制造方法的步骤流程图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合具体实例对本发明做进一步的说明，但不作为对本发明的限定。
[0015]实施例一:利用本发明在某型号发动机缸盖排气底孔锥面上直接熔覆制造气门座。
[0016]1、数字建模利用绘图软件生成待成形气门座三维模型，利用成形控制软件将三维模型按一定间距切割成一系列平行薄层，并得到各层轮廓数据；
2、生成指令根据各层轮廓数据设计工作台的运动轨迹，将运动轨迹转换成多轴运动控制卡的控制指令，并将所述控制指令输出至所述控制卡；
3、备料下料根据待成形工件特征及技术指标准备用于激光熔覆的金属基材料。在本例中，采用镍基合金粉末作为熔覆材料，各组成成分的质量百分比为:C为1.2%，Cr为20%，Si 为 0.8%，Mn 为 1.5%，Mo 为 1.8%，Cu 为 0.5%，W 为 2%，Ni 为余量；
4、预处理对缸盖的待熔覆表面进行除油、除锈及预热处理；
5、充保护气体将已放置旋转托盘和待熔覆缸盖的工作台置于密闭工作箱体内，并充入普氮对熔覆层进行保护；
6、设定工艺参数激光功率4KW，扫描速度800mm/min，送粉速率25.8g/min，单层熔覆层厚1mm，搭接率30%;
7、单层熔覆数控工作台及旋转托盘携带待熔覆汽缸盖按预定轨迹运动，同时控制同轴载气送料装置将所述熔覆材料送至激光束输出端的位置，激光器产生激光束辐照于所述熔覆材料及缸盖基材，使其形成熔滴并熔覆于缸盖密封锥面，冷却形成薄层，并与缸盖基材形成冶金结合；
8、叠层成形待单层熔覆完成后，控制工作台向下运动一个层厚的距离，重复单层熔覆步骤进行下一薄层熔覆，并依次完成各层熔覆，直至所述气门座在缸盖密封锥面上完整成形并留有一定加工余量；
9、后处理对已完成三维打印成形的粗坯进行机械加工处理。
[0017]以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
【主权项】
1.一种发动机缸盖气门座三维打印直接制造方法，其特征在于，用大功率激光熔覆方法，在发动机缸盖进、排气孔密封锥面原位叠层熔覆金属基强化涂层，实现发动机缸盖气门座的三维打印直接成形。
2.根据权利要求1所述的一种发动机缸盖气门座三维打印直接制造方法，其特征在于，所述三维打印直接成形后的气门座与发动机缸盖形成冶金结合。
3.根据权利要求1所述的一种发动机缸盖气门座三维打印直接制造方法，其特征在于，所述激光熔覆过程中采用的激光工艺参数包括: 激光功率 P，1500W ^ P ^ 6000W ； 激光扫描速度 V，600mm/min V 10OOmm/mi η ； 搭接率J，30%彡J彡60%。
4.根据权利要求1所述的一种发动机缸盖气门座三维打印直接制造方法，其特征在于，所述激光熔覆材料为钴基合金或镍基合金，其中: 所述熔覆材料为钴基合金时，组成成分中的质量百分比为: C 为 0.8%?1.65%，Cr 为 17%?30%，Si 为 0.5% ?1.2%，Ni 为 2% ?4%，Mn为 0.5%?1.7%，Mo 为 0.6% ?2.8%，Cu 为 0.3% ?0.8%，W 为 0.5% ?6%，Co 为余量; 所述熔覆材料为所述镍基合金时，组成成分的质量百分比为: C 为 0.8 ?1.65%，Cr 为 17%?30%，Si 为 0.5% ?1.2%，Mn 为 0.5%?1.7%，Mo 为 0.6%?2.8%，Cu 为 0.3%?0.8%，W 为 0.5% ?6%，Ni 为余量。
5.根据权利要求1所述的一种发动机缸盖气门座三维打印直接制造方法，其特征在于，所述激光熔覆过程之前的预处理步骤为对发动机缸盖进、排气孔待熔覆表面进行除油、除锈及预热处理。
6.根据权利要求1所述的一种发动机缸盖气门座三维打印直接制造方法，其特征在于，数控工作台及旋转托盘携载待熔覆缸盖按预定轨迹运动，同时控制同轴载气送料装置将所述熔覆材料送至激光束输出端的位置，激光器产生激光束辐照于所述熔覆材料及待熔覆表面，使所述熔覆材料形成熔滴并按预定轨迹连续熔覆于待熔覆表面。
7.根据权利要求1所述的一种发动机缸盖气门座三维打印直接制造方法，其特征在于，所述激光熔覆过程中对熔覆层的保护气体为普氮。
8.根据权利要求1所述的一种发动机缸盖气门座三维打印直接制造方法，其特征在于，所述激光熔覆过程之后的后处理步骤为对所述熔覆层进行机械加工处理。
【专利摘要】本发明公开了一种发动机缸盖气门座三维打印直接制造方法。该方法以大功率连续激光束为热源，利用分层激光熔覆作为成形方法，在发动机缸盖密封锥面处原位叠层熔覆金属基耐磨强化复合涂层，使之与缸盖基材形成冶金结合，并直接三维打印成形为气门座零件形式，实现发动机缸盖气门座一体化直接制造，使气门座密封锥面耐磨性能和发动机的整体可靠性显著提高。该方法使制造成本降低，成型效率高，制备的零件组织致密、晶粒细小、表面粗糙度低。
【IPC分类】C22C19-07, B22F3-105, C22C19-05, B22F7-08
【公开号】CN104874793
【申请号】CN201510274956
【发明人】单忠德, 孙福臻, 刘阳, 刘丰
【申请人】机械科学研究总院先进制造技术研究中心
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月27日