一种汽车水泵叶轮的制备工艺的制作方法

本发明涉及3d打印增材制造领域，尤其是涉及一种汽车水泵叶轮的制备工艺。

背景技术：

水泵属于水冷发动机强制循环水冷系统的重要组成部分，其一般在发动机温度达到95℃以上时开始运转，负责发动机的冷却，保证发动机正常运转。叶轮是水泵工作的核心，它的性能直接关系到汽车发动机的能否继续工作，叶轮的失效会造成发动机的永久破坏。其失效模式主要包括：磨损、疲劳断裂、液体腐蚀、高温腐蚀等。

目前汽车水泵叶轮普遍采用铝合金材料的铸造方法制备。铸造模具成本高，叶轮几何形状设计优化自由度低，材料选择空间有限。同时其强度、耐磨性、疲劳强度、使用寿命等关键服役性能差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种汽车水泵叶轮的制备工艺，本发明的方法制备的汽车水泵叶轮其抗拉强度和疲劳强度好。

本发明提供了一种汽车水泵叶轮的制备工艺，包括：

a)提供材料；所述材料为al合金、镁合金、al合金-陶瓷颗粒复合材料、镁合金陶瓷颗粒复合材料；

b)将材料颗粒平铺，得到当前层；

c)对多叶片转子结构进行切片、扫描处理，得到预设的多叶片转子结构截面轮廓；

采用激光选区熔化工艺将所述当前层按照预设的多叶片转子结构截面轮廓进行扫描、烧结、打印得到截面层；所述打印气氛包括氮气、氮气、氩气及氮气的混合气体；所述激光束功率为50～1500w；所述扫描的间距为0.005～0.07mm；所述扫描的速度为50～3000mm/s；

d)重复步骤b和步骤c，得到汽车水泵叶轮。

优选的，所述材料为al合金-陶瓷颗粒复合材料、镁合金陶瓷颗粒复合材料；al合金包括si、cu、mg和zn中的一种或几种与al；所述mg合金包括re、zn、mn、zr、al中的一种或几种与mg；所述陶瓷颗粒包括sic、al2o3、b4c、si3n4、zro2、tic、tib2、ti(cn)中的一种或几种；所述陶瓷颗粒的粒径为0.01～1000微米；所述陶瓷颗粒占复合材料的含量为5～70vol％。

优选的，所述材料选自al-si-mg、mg-al-mn、sic/al-si-mg和sic/mg-al-mn中的一种或几种。

优选的，所述材料颗粒为采用熔融雾化造粒方法制备；所述材料颗粒为球形或类球形；所述材料颗粒的粒径为5～100μm。

优选的，激光选区熔化工艺中所涉及打印气氛为氮气和氩气的混合气氛，或者纯氮气；所述n2所占混合气体积分数为10％～100％。

优选的，步骤c)所述烧结温度为700℃～1100℃。

优选的，步骤c)所述激光束功率为50～600w；所述扫描的间距为0.05～0.06mm；所述扫描的速度为1500～2500mm/s。

优选的，步骤c)所述激光束尺寸为20～300微米。

优选的，步骤d)后还包括后处理过程：所述后处理为退火处理；所述退火处理具体为：

200～600℃退火处理，保温时间0.2～3小时，可以采用氮气保护，或直接在空气气氛中进行。

优选的，所述步骤d)后还包括后处理过程：所述后处理为固溶处理；所述固溶处理具体为：

400～600℃固溶处理，然后进行100～350℃时效处理；固溶处理时间0.5～2小时，时效处理时间1～15小时，可以采用氮气保护，或直接在空气气氛中进行。

与现有技术相比，本发明提供了一种汽车水泵叶轮的制备工艺，包括：a)提供材料；所述材料为al合金、镁合金、al合金-陶瓷颗粒复合材料、镁合金陶瓷颗粒复合材料；b)将材料颗粒平铺，得到当前层；c)对多叶片转子结构进行切片、扫描处理，得到预设的多叶片转子结构截面轮廓；采用激光选区熔化工艺将所述当前层按照预设的多叶片转子结构截面轮廓进行扫描、烧结、打印得到截面层；所述打印气氛包括氮气；所述激光束功率为50～1500w；所述扫描的间距为0.005～0.07mm；所述扫描的速度为50～3000mm/s；d)重复步骤b和步骤c，得到汽车水泵叶轮。本发明通过氮气作为打印气氛，采用气氛反应选区激光熔化3d打印方法制备汽车水泵叶轮可以完全避开铸造工艺，显著降低叶轮制备成本，提高叶轮几何形状设计优化自由度，拓宽材料选择空间，采用al合金、含铝mg合金材料及其复合材料进行气氛反应3d打印及热处理，有助于材料的表面或内部形成陶瓷相，从而显著提升其强度、耐磨性、疲劳强度、使用寿命等关键服役性能。

附图说明

图1为本发明实施例1～2制备的汽车水泵叶轮的立体结构示意图；

图2为本发明实施例3～4制备的汽车水泵叶轮的立体结构示意图；

图3为本发明实施例1～4中所使用的材料及其3d打印方法制得的拉伸试件立体结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种汽车水泵叶轮的制备工艺，包括：

a)提供材料；所述材料为al合金、镁合金、al合金-陶瓷颗粒复合材料、镁合金陶瓷颗粒复合材料；

b)将材料颗粒平铺，得到当前层；

c)对多叶片转子结构进行切片、扫描处理，得到预设的多叶片转子结构截面轮廓；

采用激光选区熔化工艺将所述当前层按照预设的多叶片转子结构截面轮廓进行扫描、烧结、打印得到截面层；所述打印气氛包括氮气、氮气、氩气及氮气的混合气体；所述激光束功率为50～1500w；所述扫描的间距为0.005～0.07mm；所述扫描的速度为50～3000mm/s；

d)重复步骤b和步骤c，得到汽车水泵叶轮。

本发明提供的汽车水泵叶轮的制备工艺首先提供材料，所述材料为al合金、镁合金、al合金-陶瓷颗粒复合材料、镁合金陶瓷颗粒复合材料。本发明对其来源不进行限定，本领域技术人员熟知的即可。可以为市售。

在本发明中，所述材料为al合金、镁合金、al合金-陶瓷颗粒复合材料、镁合金陶瓷颗粒复合材料；优选为al合金-陶瓷颗粒复合材料、镁合金陶瓷颗粒复合材料。

其中，al合金包括si、cu、mg和zn中的一种或几种与al；所述mg合金包括re、zn、mn、zr、al中的一种或几种与mg；所述陶瓷颗粒包括sic、al2o3、b4c、si3n4、zro2、tic、tib2、ti(cn)中的一种或几种。

在本发明中，所述材料最优选选自al-si-mg、mg-al-mn、sic/al-si-mg和sic/mg-al-mn中的一种或几种。

在本发明中，所述al-si-mg合金中si的质量含量优选大于等于4％且小于15％，和mg的质量含量大于等于0.2％且小于2％；在本发明具体实施例中，所述al-si-mg合金具体为alsi10mg合金。

在本发明中，所述mg-al-mn合金中mg的质量含量优选大于等于70％且小于100％、al的质量含量大于等于0.5％且小于5％、mn的质量含量大于等于0.1％且小于2％；在本发明具体实施例中，所述mg-al-mn合金具体为mg-2al-0.3mn合金。

本发明提供的方法可以改进常规合金成分，最大限度提高其制备的多叶片转子结构合金材料的强度和抗疲劳特性。

所述陶瓷颗粒的粒径优选为0.01～1000微米；更优选为1～500微米；最优选为5～100微米。

所述陶瓷颗粒占复合材料的含量优选为5～70vol％；更优选为10～60vol％；最优选为10～50vol％。

按照本发明，所述材料颗粒优选为采用熔融雾化造粒方法制备；所述材料颗粒的粒径为5～300μm。

具体的，所述颗粒优选为球形或类球形；所述al-si-mg、mg-al-mn颗粒的粒度优选为20～100微米，更优选为20～50微米；所述sic颗粒的粒度优选为5～20微米，更优选为5～10微米。本发明优选采用熔融雾化造粒的方法制备合金颗粒。

本发明对于上述合金的来源不进行限定，可以为市售或本领域技术人员熟知的方法制备。

具体的，所述al-si-mg合金的制备方法优选包括：将铝、硅和镁混合熔融，雾化造粒，得到al-si-mg合金。

所述mg-al-mn合金的制备方法优选包括：将铝、镁、锰混合熔融，雾化造粒，得到mg-al-mn合金。

本发明对于上述具体的参数不进行限定，本领域技术人员熟知的即可。

得到材料颗粒后，将材料颗粒平铺，得到当前层。

本发明中采用精确调控3d打印腔体内的n2、ar气的流量和压强。本发明对于所述气体下述会有清楚的描述，在此不再赘述。

本发明将颗粒平铺后，得到当前层。本发明对于所述平铺的厚度不进行限定，优选可以为30～100μm。

得到当前层后，本发明对多叶片转子结构进行切片、扫描处理，得到预设的多叶片转子结构截面轮廓。

本发明上述切片、扫描处理为本领域技术人员公知的3d打印熟知的切片和扫描处理操作，本发明人对此不进行限定。

在本发明中，所述扫描的间距优选为0.005～0.07mm；更优选为0.05～0.06mm；所述扫描的速度为50～3000mm/s；更优选为1500～2500mm/s。

采用激光选区熔化工艺将所述当前层按照预设的多叶片转子结构截面轮廓进行扫描、烧结、打印得到截面层。

得到当前层后，本发明采用激光束将所述当前层按照预设当前层的多叶片转子结构截面轮廓进行扫描，使颗粒烧结，得到截面层。在本发明中，所述激光束的功率为50～1500w；优选为50～600w。

在本发明中，激光选区熔化工艺中所涉及打印气氛为氮气和氩气的混合气氛，或者纯氮气或氩气；所述n2所占混合气体积分数优选为10％～100％；更优选为30％～100％。

本发明所述混合气体的流量优选为10-30l/min，压强优选为0.1-0.15mpa。。

本发明创造性的采用3d打印结合特定的气氛打印，可以完全避开铸造工艺，显著降低叶轮制备成本，提高叶轮几何形状设计优化自由度，拓宽材料选择空间，同时提高其性能。

在本发明中，所述烧结温度优选为700℃～1100℃；更优选为800℃～1000℃。

本发明所述激光束尺寸优选为20～300微米。

重复步骤b和步骤c，得到汽车水泵叶轮。

得到截面层后，本发明在所述截面层上再次平铺颗粒重复步骤b)和步骤c)，直至得到预设形状的多叶片转子结构合金材料。

本发明优选采用三维绘图软件设计多叶片转子结构材料的几何形状，尺寸以及分布。

在本发明中，所述步骤d)后还包括后处理过程：所述后处理为退火处理；所述退火处理优选具体为：

200～600℃退火处理，保温时间0.2～3小时，可以采用氮气保护，或直接在空气气氛中进行。

更优选具体为：

300～500℃退火处理，保温时间0.5～2.8小时，可以采用氮气保护，或直接在空气气氛中进行。

所述退火处理后优选还包括固溶处理；所述固溶处理优选具体为：

400～600℃固溶处理，然后进行100～350℃时效处理。固溶处理时间0.5～2小时，时效处理时间1～15小时，可以采用氮气保护，或直接在空气气氛中进行。

更优选具体为：

450～550℃固溶处理，然后进行120～330℃时效处理。固溶处理时间0.7～1.8小时，时效处理时间2～13小时，可以采用氮气保护，或直接在空气气氛中进行。

热处理过程，最优选具体为：

a)对于al合金及al基复合材料，200-600℃退火处理，保温时间0.2-3小时，在空气或纯n2气氛中进行；

b)对于al合金及al基复合材料，400-600℃固溶处理，然后进行100-350℃时效处理。固溶处理时间0.5-2小时，时效处理时间1-15小时，可以采用纯n2保护，或直接在空气气氛中进行；

c)对于含铝mg合金及含铝mg基复合材料，200-600℃退火处理，保温时间0.2-3小时，在空气或纯n2气氛中进行；

d)对于mg合金及mg基复合材料，400-600℃固溶处理，然后进行100-350℃时效处理。固溶处理时间0.5-2小时，时效处理时间1-15小时，可以采用n2保护，或直接在空气气氛中进行。

优选的温度和时间范围同上，在此不再赘述。

本发明将铝合金按照预设的多叶片转子结构的叶片线性、尺寸以及分布，结合气氛反应激光选区熔化3d打印法，一步到位打印具有规则立体线条的多叶片转子结构合金材料。该方法可对多叶片结构零部件进行更自由的几何形状、尺寸和叶片分布设计制备，从而实现对泵内水流更小的阻力，产生更大的泵水压力，提高汽车水泵整体降温功效。

相对于传统铸造方法制备汽车专用多叶片转子结构水泵叶轮,本发明所提供的气氛反应增材制造方法可以将水泵叶轮的材料体系从常规合金体系扩充至金属基复合材料体系，对于al合金、含铝mg合金材料及其复合材料进行气氛反应3d打印及热处理，有助于材料的表面或内部形成陶瓷相，从而显著提升水泵叶轮的耐磨性、强度、抗疲劳性能,从而显著延长其使用寿命；

本发明提供了一种上述技术方案所述多叶片转子结构合金材料在汽车汽车水冷发动机中的应用。本发明提供的多叶片转子结构合金材料在汽车发动机中作为强制循环水冷却系统的重要组成部分，负责维持发动机缸体水道内的冷却液循环。

本发明还提供了上述技术方案制备的多叶片转子结构合金材料在汽车水冷发动机中应用。

本发明提供了一种汽车水泵叶轮的制备工艺，包括：a)提供材料；所述材料为al合金、镁合金、al合金-陶瓷颗粒复合材料、镁合金陶瓷颗粒复合材料；b)将材料颗粒平铺，得到当前层；c)对多叶片转子结构进行切片、扫描处理，得到预设的多叶片转子结构截面轮廓；采用激光选区熔化工艺将所述当前层按照预设的多叶片转子结构截面轮廓进行扫描、烧结、打印得到截面层；所述打印气氛包括氮气；所述激光束功率为50～1500w；所述扫描的间距为0.005～0.07mm；所述扫描的速度为50～3000mm/s；d)重复步骤b和步骤c，得到汽车水泵叶轮。本发明通过氮气作为打印气氛，采用气氛反应选区激光熔化3d打印方法制备汽车水泵叶轮可以完全避开铸造工艺，显著降低叶轮制备成本，提高叶轮几何形状设计优化自由度，拓宽材料选择空间，采用al合金、含铝mg合金材料及其复合材料进行气氛反应3d打印及热处理，有助于材料的表面或内部形成陶瓷相，从而显著提升其强度、耐磨性、疲劳强度、使用寿命等关键服役性能。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种汽车水泵叶轮的制备工艺进行详细描述。

实施例1

将质量比为89.5：10：0.5的铝、硅和镁混合熔融，雾化造粒，得到20～50微米的球形或近球形的alsi10mg合金颗粒。

a)、在3d打印腔体中通入n2和ar气的混合气，控制n2所占混合气的体积分数为10％，混合气流量为20l/min，压强为0.11mpa；

b)、将alsi10mg合金颗粒平铺后形成当前层，其中铺粉厚度为30μm；

c)、采用功率为400w激光束按照预设的当前层截面的多叶片转子结构轮廓进行扫描，扫描的间距为0.06mm，扫描的速度为2500mm/s，光斑直径为110μm，使颗粒烧结，得到截面层；

d)、在截面层上再次平铺球形或近球形颗粒重复上述步骤b)～步骤c)的操作过程，直至得到预设形状的多叶片转子结构合金材料，如图1所示，图1为本发明实施例1制备的汽车水泵叶轮的立体结构示意图。

e)、对上述步骤a)～步骤d)所得水泵叶轮进行500℃固溶处理，保温时间为1小时，快速冷却，然后在250℃时效处理，保温时间3小时，快速冷却。

实施例2

将质量比为97.7：2：0.3的镁、铝和锰混合熔融，雾化造粒，得到20～50微米的球形或近球形的mg-2al-0.3mn合金颗粒。

a)、在3d打印腔体中通入n2和ar气的混合气，控制n2所占混合气的体积分数为10％，混合气流量为20l/min，压强为0.11mpa；

b)、将mg-2al-0.3mn合金平铺后形成当前层，其中铺粉厚度为30μm；

c)、采用功率为150w激光束按照预设的当前层截面的多叶片转子结构轮廓进行扫描，扫描的间距为0.05mm，扫描的速度为2600mm/s，光斑直径为110μm，使颗粒烧结，得到截面层；

d)、在截面层上再次平铺球形或近球形颗粒重复上述步骤b)～步骤c)的操作过程，直至得到预设形状的多叶片转子结构合金材料，如图1所示，图1为本发明实施例2制备的汽车水泵叶轮的立体结构示意图。

e)、对上述步骤a)～步骤d)所得水泵叶轮进行400℃固溶处理，保温时间为1小时，快速冷却，然后在200℃时效处理，保温时间2小时，快速冷却。

实施例3

将质量比为89.5：10：0.5的铝、硅、镁混合熔融，雾化造粒，得到20～50微米的球形或近球形的alsi10mg合金颗粒；再添加20％体积分数的sic与alsi10mg合金颗粒均匀混合，得到sic/alsi10mg复合粉末，其中sic优选粒度为5～10微米的球形或近球形颗粒。

a)、在3d打印腔体中通入n2和ar气的混合气，控制n2所占混合气的体积分数为10％，流量为20l/min，压强为0.11mpa；

b)、将sic/alsi10mg复合粉末平铺后形成当前层，其中铺粉厚度为30μm；

c)、采用功率为80w激光束按照预设的当前层截面的多叶片转子结构轮廓进行扫描，扫描的间距为0.06mm，扫描的速度为2500mm/s，光斑直径为110μm，使颗粒烧结，得到截面层；

d)、在截面层上再次平铺sic/alsi10mg复合粉末，重复上述步骤b)～步骤c)的操作过程，直至得到预设形状的多叶片转子结构复合材料，如图1所示，图1为本发明实施例3制备的汽车水泵叶轮的立体结构示意图。

e)、对上述步骤a)～步骤d)所得水泵叶轮进行500℃固溶处理，保温时间为1小时，快速冷却，然后在250℃时效处理，保温时间3小时，快速冷却。

实施例4

将质量比为97.7：2：0.3的镁、铝和锰混合熔融，雾化造粒，得到20～50微米的球形或近球形的mg-2al-0.3mn合金颗粒；再添加20％体积分数的sic与mg-2al-0.3mn合金颗粒均匀混合，得到sic/mg-2al-0.3mn复合粉末，其中sic优选粒度为5～10微米的球形或近球形颗粒。

a)、在3d打印腔体中通入n2和ar气的混合气，控制n2所占混合气的体积分数为10％，流量为20l/min，压强为0.11mpa；

b)、将sic/mg-2al-0.3mn复合粉末平铺后形成当前层，其中铺粉厚度为30μm；

c)、采用功率为100w激光束按照预设的当前层截面的多叶片转子结构轮廓进行扫描，扫描的间距为0.05mm，扫描的速度为2600mm/s，光斑半径为110μm，使颗粒烧结，得到截面层；

c)、在截面层上再次平铺sic/mg-2al-0.3mn复合粉末，重复上述步骤b)～步骤c)的操作过程，直至得到预设形状的多叶片转子结构复合材料，如图1所示，图1为本发明实施例4制备的汽车水泵叶轮的立体结构示意图。

e)、对上述步骤a)～步骤d)所得水泵叶轮进行400℃固溶处理，保温时间为1小时，快速冷却，然后在200℃时效处理，保温时间2小时，快速冷却。

实施例5

对本发明对实施例1～4制备的多叶片转子结构合金及其复合材料的性能参数进行测试，包括拉伸试验和疲劳试验。其中拉伸测试采用astme8m标准(拉伸试件采用实施例1～4中所使用的材料及其3d打印方法制得，试件的立体结构如图2所示)，疲劳测试采用拉伸疲劳测试，拉伸应力比r＝σmin/σmax＝0.1，测试频率20hz，采用不同应力水平测试其疲劳寿命，绘制最大应力-疲劳寿命曲线(s-n曲线)，其疲劳强度定义为疲劳寿命为10⁷循环次数所对应的最大拉伸应力。测试结果与传统铸造法制备合金性能进行了比较，见表1。

表1本发明实施例1～4制备的多叶片水泵转子结构材料的性能参数

测试结果表明与传统铸造方法比较，slm3d打印可以明显提高合金强度及疲劳性能，而对于合金与sic形成的金属基复合材料，其强度及疲劳性能得到进一步的提高，充分体现了slm工艺优势。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。