一种合金结构钢激光沉积孔洞消除方法与流程

本发明属于金属激光增材制造领域，涉及一种低碳合金结构钢激光沉积孔洞消除方法，适用于各种复杂结构的合金钢构件激光沉积孔洞缺陷的消除。

背景技术：

低碳合金结构钢作为现代工业应用广泛的金属材料，其具有良好的淬透性，经适宜的热处理后，易达到良好表现的力学性能等，广泛用于制造界面尺寸较大、结构复杂的机器零件。例如：核电应急柴油机凸轮轴和高速列车制动盘等重点工程领域中大尺寸高性能结构零件。合金结构钢零件在各领域的应用潜力，主要取决于大尺寸构件内部组织致密均匀，各部分性能统一协调。

迄今为止，复杂形状的大尺寸结构钢零件主要来源于铸造，但国内铸造的成品率约30％，易出现散热筋铸造裂纹，且成品的寿命较低，难满足快速发展的核电及高铁等行业要求，严重制约结构钢零件在我国工业领域更广泛的应用，且大尺寸结构钢零件(如：核电凸轮轴及高铁制动盘)主要采用进口，零件价值较高。

激光增材制造技术，也称激光熔化成型技术(lasermeltdeposition,lmd)是以高功率或高亮度激光为热源，通过激光熔合同步输送的原材料，逐层堆积而实现增材制造，可以精确控制能量输入、材料成分等，实现任意复杂形状金属零件的成型制造。激光增材制造技术能实现精准三维熔覆，且在制造结构复杂的高性能结构钢具有高效率、低成本、高质量及高性能等特有优势。因此，研究合金钢零件激光熔化沉积制造方法，对打破国外技术垄断，为新品研制、提升性能和我国关键零部件制造自主化具有重要的实用价值和理论意义。

技术实现要素：

为了解决大尺寸高性能结构钢零件激光增材制造中沉积孔洞的缺陷问题，本发明的目的在于提供一种合金结构钢激光沉积孔洞消除方法，利用混合活性粉末抑制孔洞的产生，实现合金钢激光沉积无孔洞组织和良好力学性能。

本发明的技术方案如下：

一种合金结构钢激光沉积孔洞消除方法，该方法的工艺步骤如下：

采用粒度相同的结构钢以及ni、cr、nb粉末，分别取ni、cr、nb一种或两种以上粉末按比例球磨均匀混入结构钢粉末中，并将混合后的粉末进行干燥处理，干燥处理温度为50～120℃，干燥结束后，冷却至室温；根据沉积的目标钢粉末选择基体，在真空手套箱环境中，采用同步送粉沉积方式，选择一种光斑的光束在基体上进行激光沉积处理，同时用保护气体覆盖激光作用区，减少激光作用区的夹杂物产生并提高凝固速率。

所述的结构钢粉末，粒度在100～250目，球形度≥90％，氧含量≥500ppm。

所述的ni、cr、nb粉末，粒度为100～250目，球形度≥90％，化学成分纯度在99wt％以上，氧含量≤500ppm。

所述的比例是ni、cr、nb一种或两种以上粉末占混合钢粉比例不大于5wt％，混合钢粉总重量100％。

所述的干燥处理是将混合粉末置于干燥箱中1小时以上。

所述的基体是与结构钢具有较好的润湿性和良好焊接性能。

所述的真空手套箱环境，h2o≤100ppm、o2≤100ppm。

所述的激光沉积的工艺参数如下：

激光连续辐照，激光功率为500～2000w，功率密度10⁴～10⁶w/cm²，扫描速度为4～16mm/s，搭接量为30％～70％，辐照光斑φ2mm～φ5mm；

送粉方式为同轴氩气送粉，送粉速度为5～20g/min，采用惰性气体氩气保护，保护气流量为10～20l/min。

所述的激光沉积的激光器是光纤激光器、半导体激光器或co2激光器。

该方法处理的合金结构钢粉末，激光沉积后组织均匀致密，孔洞、裂纹及夹杂物缺陷完全消除，同时沉积硬度达到hv350～hv450。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明提供的一种合金结构钢激光沉积孔洞消除方法，使低碳合金结构钢粉末激光沉积孔洞缺陷消除成为可能，在结构钢粉末在化学成分改变较小情况下，实现激光沉积组织致密均匀，且孔洞缺陷完全消除，节约生产的成本，为激光增材制造钢结构件方面提供沉积组织结构优化的一种新的解决方案。

2、采用本发明激光沉积在充分保证合金钢本身具有的组织和力学性能基础上，沉积层的力学性能明显提高，从而进一步优化组织和力学性能。

3、本发明解决合金钢粉末自熔性较差的缺陷，提高合金钢粉末激光沉积的利用率。

4、本发明工艺使用不同比例的粉末混入，可以实现不同硬度和拉伸的力学性能的沉积。

附图说明

图1(a)-(b)为实施例1激光沉积合金钢粉末微观组织结构；

图2(a)-(b)为实施例1激光沉积混合4wt％cr粉末的合金钢微观组织结构；

图3为激光沉积合金钢和混合合金钢粉末的硬度分布。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明采用粒度相同的结构钢以及ni、cr、nb几种粉末，分别取ni、cr、nb一种或两种以上粉末按一定的比例球磨均匀混入结构钢粉末中，并将混合后的粉末进行干燥处理，干燥处理温度为50～120℃，干燥处理结束后，冷却至室温；根据沉积的目标结构钢粉末选择合适的基体，在真空手套箱环境中，采用同步送粉沉积方式，选择一种光斑的光束在基体上进行激光沉积处理，同时用保护气体覆盖激光作用区，减少激光作用区的夹杂物产生并提高凝固速率。

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例中，合金结构钢激光沉积孔洞消除方法，具体步骤如下：

1、合金结构钢粉末粒度在100～250目，球形度≥93％，氧含量≥500ppm；ni、cr、nb几种粉末粒度为100～250目，球形度≥94％，化学成分纯度为99.99wt％以上，氧含量≤500ppm。其中，合金结构钢粉末的合金牌号为12crni2。

2、取纯cr一种粉末按4wt％比例混入合金钢粉末中，按重量百分比算，cr粉末占整个混合合金钢粉末比例为4％。

3、混合粉末干燥处理：温度100℃×1.5h。

4、沉积基体：12crni2合金结构钢。

5、激光沉积真空手套箱环境：h2o、o2≤50ppm。

6、激光沉积的工艺参数：激光连续辐照，激光功率为900w，功率密度10⁵w/cm²，扫描速度为6mm/s，搭接量为50％，辐照光斑φ2mm；激光同轴氩气送粉，送粉速度8g/min，采用氩气保护，保护气流量为15l/min。

7、激光器：3000w的半导体激光器。

如图1(a)-(b)所示，从激光沉积原始结构钢粉末组织结构看出，沉积组织存在较多孔洞、裂纹及夹杂物缺陷。

如图2(a)-(b)所示，通过以上方法处理的结构钢粉末，激光沉积后组织均匀致密，沉积孔洞、裂纹及夹杂物等缺陷完全消除。

如图3所示，从激光沉积合金钢和混合合金钢粉末的硬度分布可以看出，混合粉末激光沉积硬度可达到hv400。

实施例2

本实施例中，合金结构钢激光沉积孔洞消除方法，具体步骤如下：

1、合金结构钢粉末粒度在100～250目，球形度≥93％，氧含量≥500ppm；ni、cr、nb几种粉末粒度为100～250目，球形度≥94％，化学成分纯度为99.99wt％以上，氧含量≤500ppm。其中，合金结构钢粉末的合金牌号为12crni2。

2、取纯ni、cr两种粉末分别按1wt％比例混入合金钢粉末中，按重量百分比算，ni、cr粉末占整个混合合金钢粉末比例为2％。

3、混合粉末干燥处理：温度80℃×3.0h。

4、沉积基体：12crni2合金结构钢。

5、激光沉积真空手套箱环境：h2o、o2≤50ppm。

6、激光沉积的工艺参数：激光连续辐照，激光功率为1200w，功率密度2×10⁵w/cm²，扫描速度为10mm/s，搭接量为40％，辐照光斑φ3mm；激光同轴氩气送粉，送粉速度12g/min，采用氩气保护，保护气流量为12l/min。

7、激光器：3000w的光纤激光器。

本实施例中，通过以上方法处理的结构钢粉末，激光沉积后组织均匀致密，沉积孔洞缺陷完全消除。从激光沉积合金钢和混合合金钢粉末的硬度分布可以看出，沉积硬度可达到hv450。

实施例3

本实施例中，合金结构钢激光沉积孔洞消除方法，具体步骤如下：

1、合金结构钢粉末粒度在100～250目，球形度≥93％，氧含量≥500ppm；ni、cr、nb几种粉末粒度为100～250目，球形度≥94％，化学成分纯度为99.99wt％以上，氧含量≤500ppm。其中，合金结构钢粉末的合金牌号为12crni2。

2、取纯ni、cr、nb三种粉末分别按1wt％比例混入合金钢粉末中，按重量百分比算，cr粉末占整个混合合金钢粉末比例为3％。

3、混合粉末干燥处理：温度120℃×2.0h。

4、沉积基体：12crni2合金结构钢。

5、激光沉积真空手套箱环境：h2o、o2≤50ppm。

6、激光沉积的工艺参数：激光连续辐照，激光功率为1500w，功率密度3×10⁵w/cm²，扫描速度为12mm/s，搭接量为60％，辐照光斑φ4mm；激光同轴氩气送粉，送粉速度16g/min，采用氩气保护，保护气流量为18l/min。

7、激光器：3000w的co2激光器。

本实施例中，通过以上方法处理的结构钢粉末，激光沉积后组织均匀致密，沉积孔洞缺陷完全消除。从激光沉积合金钢和混合合金钢粉末的硬度分布可以看出，沉积硬度可达到hv420。

实施例结果表明，本发明采用与合金钢粉末相同粒度的ni、cr、nb一种或两种以上粉末，通过球磨机均匀混合一定比例于合金钢粉末中，在真空手套箱中用同步送粉方法进行激光沉积，沉积过程中用一定流量的氩气保护激光沉积作用区，可实现结构钢内部组织无孔洞的激光增材制造。本发明为结构钢粉末激光沉积孔洞的消除提供新型工艺方法，使结构钢粉末在化学成分改变较小情况下，激光沉积组织致密均匀，且沉积孔洞缺陷完全消除，沉积层的力学性能明显提高，为激光增材制造钢结构件方面提供沉积组织结构及力学性能优化的解决办法。

最后应说明的是以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。