一种利用氮弧和氮化物3d打印高氮钢制品的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于快速成形技术领域，具体涉及一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮 钢制品的装置，适用于高氮钢材料的增材制造、焊接和零件修复。
【背景技术】
[0002] 高氮钢中的间隙元素氮与其他合金元素"11、(>1〇、￥、他和1^等）协调作用，能改 善钢的强度、韧性、蠕变抗力、耐磨性能、耐腐蚀性能等。但是氮在大气压下氮溶解度非常 低，加入很困难，由于加入量少，其有利影响不太明显，高氮钢的普遍生产方式是加压冶炼， 需要特殊的生产设备，产量受限且成本高。另外，高氮钢的加工性能恶化，加工硬化情况严 重，对加工刀具的设计、质量以及工艺参数控制要求严格。两方面因素结合使得高氮钢的应 用受到限制。
[0003] 电弧3D打印技术，即电弧送丝增材制造技术，是利用电弧堆焊原理将金属丝材熔 化，在计算机的控制下直接制造全密度三维金属零件的工艺方法。与铸造技术和机械加工 方法等传统方法相比，电弧送丝增材制造技术的工序简化、材料利用率提高、生产成本降 低、机械加工难度低，同时可以控制零件中的宏观缺陷以及成分偏析，后续加工工序简化， 适用于新型产品快速研制以及批量生产。
[0004] 现有的电弧3D打印技术一般包括：同轴或旁轴送丝电弧3D打印和送粉电弧3D打 印，没有丝粉同轴添加，且添粉时粉末不能旋转。激光3D打印技术中有采用丝粉同步送进的 方式，但是没有实现丝粉同轴送进，且焊缝成分的均匀性不好。
[0005]中国专利（200710141482.2)公开了一种基于氩弧焊的熔覆装置，其采用的是同轴 送粉方式，所获得的熔覆层的稀释率高，一般约5%~10%，其熔覆层面积大，用于3D打印工 艺时，则不能实现打印制品尺寸的精确控制。中国专利（201210250419.3)公开了一种高氮 钢的双层气流保护TIG焊接方法，其采用了双层氮气保护，但是其增氮效果差，且不能送丝 添粉。中国专利(94240533.1)公开了一种气体旋转式油漆喷枪，其气管的内表面镗有螺纹 旋线，使雾状油漆形成定向作用，使其散射面变小，但实用新型专利实则是在管状结构内壁 镗螺纹旋线，其对气粉流的流向限制作用较差。 【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的在于提供一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置， [0007]本实用新型一种利用氣弧和氣化物3D打印尚氣钢制品的方法的技术方案为：
[0008] -种采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置，其主要包括：
[0009] -熔化极气体保护焊枪；
[0010] -气粉同轴传送装置内设有与熔化极气体保护焊枪同轴的螺旋气粉罩，同轴螺旋 气粉罩内开有与熔化极气体保护焊枪紧固连接的螺纹;气粉同轴传送装置内、螺旋气粉罩 外设有与螺旋气粉罩外壁相切的送粉送气通道;送粉送气通道分别开有送气口与送粉口； 所述的螺旋气粉罩的内壁开有螺旋气粉槽；
[0011] 如上所述的螺旋气粉槽在螺旋气粉罩的，其结构可为变螺线-变螺距-变截面结 构，所述的螺旋气粉槽为半圆槽，槽直径为2mm~7mm，自顶而下梯度减小；螺旋升角在0°~ 60°区间自顶而下梯度减小，所述的螺旋气粉罩采用耐热材料SiC陶瓷制造。
[0012] 如上所述的送粉口和送气口上分别装有送粉调速器和气体流量计。
[0013] 如上所述的螺旋气粉罩的气粉出口呈缩颈状，且缩颈面的延长线指向电弧中心。
[0014] 如上所述的熔化极气体保护焊枪喷嘴用耐热材料SiC陶瓷制造，所述的熔化极气 体保护焊枪，其外侧上部加工的螺纹长度至少为其直径的两倍。
[0015] 如上所述的一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的方法，其方法具体步骤如 下：
[0016] 步骤1，通过目标高氮钢制品的目标合金成分，确定铁元素含量WF(5%;选择低碳钢 焊丝作为送丝原料；
[0017] 根据目标高氮钢制品的目标合金成分，确定所需的作为送粉原料的合金粉末中合 金元素i的含量Wif %比，经修正关系式Wif修正％ ? Wif % X (l+yi+|)修正后得到粉末中合金 元素i含量的修正值Wif修其中yi为烧损系数，yi = 0.2%~为散射飞溅损失系数， 1 = 2%~8% ;送粉原料的合金粉末中的合金元素不为铁；
[0018] 步骤2,根据目标高氮钢中合金元素i的含量Wi %与铁元素含量的关系式 : ^，得到所有合金元素与铁元素的成分比^队确定送入熔池的送粉原料 /一 1 的质量与送丝原料的质量比a : 0，设进入恪池中的原料粉末质量m?= VfX At，进入恪池的 送丝原料的质量
，其中Vf为添粉速率，单位为g/min; Vs为送丝速率，单 位为m/min;d为焊丝直径，单位为m;p为焊丝密度，单位为g/m3; A t为时间，单位为min;
[0019] 步骤3,根据公式 .#，确定送粉速率Vf与 送丝速率Vs参数匹配关系 得简化公式Vf:(KXVs) = a：0；
[0020] 步骤4,选取送丝送率Vs为1 ? 5m/min~12m/min;根据公式Vf :(KXVs)=a:0，得出 送粉速率Vf;
[0021] 步骤5,启动氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，在气粉同轴传送装置上调节 送粉速率为Vf、送气速率为V气1，调节熔化极气体保护焊枪的送丝速率为Vs，保护气速率为 进彳丁焊接；
[0022]步骤6,根据目标高氮钢制品形状尺寸确定3D打印路线，以焊接速率v进行堆焊，每 一层堆焊完时，将焊枪提高一个层厚，重复堆焊过程最终获得高氮钢制品。
[0023] 优选的，气粉同轴传送装置上的送气速率V%与焊枪保护气速率V%满足V气i ? V气2 =15~40L/min〇
[0024] 优选的，焊接速率v为3~16mm/s。
[0025]本实用新型与现有技术相比具有如下显著优点：
[0026] (1)采用氮化物合金粉末与焊丝同步同轴添粉送丝的方式，实现了在常压下气-粉-丝三项同步同轴电弧3D打印高氮钢；
[0027] (2)添加的氮化物合金粉末会在焊枪口形成旋转气粉流，有利于氮化物合金粉末 与焊丝端部的熔滴和熔池充分冶金熔炼，同时保证氮化物合金粉末准确送至熔池中，而减 少散射和飞溅带来的损失，所得的高氮钢制品成分均匀；
[0028] (3)通过调节氮化物合金粉末的合金成分及添粉送丝的参数匹配，可以3D打印出 不同含氣量的尚氣钢制品；
[0029] (4)氮弧与传送氮化物合金粉末的氮气协调作用，有助于氮分压的提高，有效控制 了熔池中已熔入氮的逸出，增氮效果提高幅度大；
[0030] (5)与直接用高氮钢粉末3D打印高氮钢方法相比，本实用新型所用的普通钢焊丝 加适量的氮化物合金粉末3D打印出高氮钢制品的方法，避免了将高氮钢加工成粉末难的问 题，工艺简化、成本降低。
【附图说明】
[0031]图1为利用氣弧和氣化物3D打印尚氣钢制品装置结构不意图，
[0032]图2为同轴气粉罩的纵向剖视图；
[0033]图3为利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品装置的A-A截面剖视图。
[0034] 其中，1为送气通道，2为送粉通道，3为螺旋气粉罩，4为螺旋气粉槽，5为熔化极气 体保护焊枪。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型所述的一种利用氮弧和氮化物3D打印 高氮钢制品的装置及其方法作进一步描述。
[0036] -种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，该装置包括一熔化极气体保护 焊枪5;
[0037] -气粉同轴传送装置，其内设有与熔化极气体保护焊枪5同轴的螺旋气粉罩3,螺 旋气粉罩3内开有与熔化极气体保护焊枪5紧固连接的螺纹；
[0038] 气粉同轴传送装置内、螺旋气粉罩3外设有与螺旋气粉罩3外壁相切的送粉送气通 道；
[0039] 送粉送气通道分别开有送气口