一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴增材制造方法与流程

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴增材制造方法。

背景技术：

1、中空轴是雷达冷却系统的关键传动件，其材质为沉淀硬化不锈钢17-4ph，结构包含内圆筒、外圆筒、内外圆筒连接筋板分割形成若干异形腔，中空轴腔体是光缆、电缆、冷却液体的传输通道，工作过程中中空轴受液体压力、载体振动等多种不平衡力作用，因此要求中空轴必须有足够的材料致密性、强度和刚度。中空轴尺寸大、结构较复杂、材料难加工，传统铸造工艺内部质量难以保证、制造周期长、单件成本高。由于高长径比，内腔部分加工刀具不可达，采用棒材机加工的减材加工已不能胜任此类加工。

2、电弧增材制造技术(wire and arc additive manufacture,waam)是一种利用逐层熔覆原理，采用熔化极惰性气体保护焊(mig)、冷金属过渡焊(cmt)以及等离子体焊接电源(paw)等产生的电弧为热源，以金属丝材为原材料，在程序的控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形金属零件的先进数字化制造技术。该技术具有成形效率高、构件尺寸不受限制、综合成本低等优势。但是，电弧增材制造大型构件熔覆过程应力大、容易开裂，如何有效控制应力与变形是电弧增材制造大型中空轴面临的难题。

技术实现思路

1、为克服现有技术中的不足，本发明提出了一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴电弧增材制造方法，将大型沉淀硬化不锈钢空心轴分段成形，每段采用电弧增材成形后进行去应力退火和内腔表面机加工，然后整体热处理调性，最后采用机械加工方式去除余量。所述待成形中空轴由内圆筒、外圆筒、内外圆筒连接筋板结构组成。具体步骤包括：

2、步骤一：根据零件结构特点，选择电弧增材焊丝，确定成形工艺参数，包括焊接电流、送丝速度、焊接速度、层高等。

3、步骤二：基板打磨去除氧化层和无水乙醇清洗吹干后，固定在工作台上。

4、步骤三：按步骤一工艺参数，在基板上逐层堆积圆筒第1分段部分，机械臂控制焊枪堆积轨迹，每层由多道搭接而成，每堆积完一层，打磨堆积层去除表面氧化物和局部高点，焊枪抬高一个层高，重复前述堆积过程形成另一层，如此反复直至达到分段高度尺寸要求。

5、步骤四：将成形零件连同基板放入电加热炉，进行去应力退火处理。

6、步骤五：机加工内腔表面。

7、步骤六：打磨分段顶面去除氧化层，无水乙醇清洗吹干后，连同基板固定在工作台上。

8、步骤七：按步骤一工艺参数，在前一分段的基础上逐层堆积后续分段，其方法同步骤三。

9、步骤八：重复步骤四、五。

10、步骤九：反复步骤六、七、八，直至完成第n分段，达到零件高度要求。

11、步骤十：去除基板，机加工去除氧化层，见光即可。

12、步骤十一：固溶处理。

13、步骤十二：粗加工。

14、步骤十三：时效处理。

15、步骤十四：精加工。

16、步骤一中，焊丝为直径1.0mm或1.2mm或1.6mm的h04cr17ni4cu4nb焊丝，是一种熔化极气体保护焊丝，焊丝化学成分(wt.％)：c≤0.05％，si≤0.75％，mn0.25～0.75％，p≤0.025％，s≤0.020％，cr16.00～16.75％，mo≤0.75％，ni4.5～5.0％，cu3.25～4.00％，nb0.15～0.30％，余量为fe。

17、步骤一中，电弧增材为冷金属过渡(cmt)工艺，前三层打底焊接电流120-180a，上层焊接电流比前三层小30～50a，送丝速度3.0-6.0m/min，焊接速度4.0-8.0mm/s，层高2.0-2.5mm，保护气体为99.999％高纯氩气，气体流量为14.0-22.0l/min。

18、步骤二中，基板材料为304不锈钢板材，厚度不小于30mm。

19、步骤三中，内圆筒、外圆筒截面采用“径向”扫描填充方法，内外圆筒连接筋板截面采用轮廓偏置填充路径方法，扫描顺序外圆通、内圆筒、连接筋板。

20、步骤三中，加热毯包裹加热已成形部分，保持温度150-200℃。

21、步骤三中，分段高度尺寸200-300mm。

22、步骤四中，退火温度600℃，保温2-3h，空冷。

23、步骤五中，内腔表面采用t型刀具加工，1～n-1分段顶部留10-20mm高度不加工，以保留后续分段堆积支撑。

24、步骤十一中，温度1025℃，空气炉中保温(10～30)+d×(2～3)min(d为圆筒壁厚的两倍)，油冷。

25、步骤十二中，加工至单边留余量0.5-1mm。

26、步骤十三中，时效温度480-620℃，空气炉中保温4h，空冷。

27、本发明的有益效果在于

28、本发明通过“径向”扫描填充策略，减小了成形过程中热影响区域，结合分段成形和退火热处理，从而克服了电弧增材成形造成的变形开裂问题；通过分段成形后减材加工，克服了电弧增材成形表面粗糙问题，以及整体成形后内腔表面无法加工问题；通过固溶时效热处理，对成形材料进行调性，满足成形材料力学性能要求。与传统铸造工艺比，制造周期比铸造缩短40％以上，成本相对铸造降低15％以上，本发明成形沉淀硬化不锈钢空心轴化学成分均匀、组织晶粒尺寸小，未出现铸件存在的宏观偏析和缩孔缩松等冶金缺陷，整体性能优于铸件。

技术特征：

1.一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴电弧增材制造方法，其特征在于：包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴电弧增材制造方法，其特征在于：所述步骤一中，电弧增材为冷金属过渡工艺，前三层打底焊接电流120-180a，上层焊接电流比前三层小30～50a，送丝速度3.0-6.0m/min，焊接速度4.0-8.0mm/s，层高2.0-2.5mm，保护气体为99.999％高纯氩气，气体流量为14.0-22.0l/min。

3.根据权利要求1所述的一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴电弧增材制造方法，其特征在于：所述步骤三中，内圆筒、外圆筒截面采用“径向”扫描填充方法，内外圆筒连接筋板截面采用轮廓偏置填充路径方法，扫描顺序外圆通、内圆筒、连接筋板。

4.根据权利要求1所述的一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴电弧增材制造方法，其特征在于：所述步骤三中，加热毯包裹加热已成形部分，保持温度150-200℃。

5.根据权利要求1所述的一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴电弧增材制造方法，其特征在于：所述步骤三中，分段高度尺寸200-300mm。

6.根据权利要求1所述的一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴电弧增材制造方法，其特征在于：所述步骤四中，退火温度600℃，保温2-3h，空冷。

7.根据权利要求1所述的一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴电弧增材制造方法，其特征在于：所述步骤五中，内腔表面采用t型刀具加工，1～n-1分段顶部留10-20mm高度不加工，以保留后续分段堆积支撑。

8.根据权利要求1所述的一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴电弧增材制造方法，其特征在于：所述步骤十一中，温度1025℃，空气炉中保温(10～30)+d×(2～3)min，d为圆筒壁厚的两倍，油冷。

9.根据权利要求1所述的一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴电弧增材制造方法，其特征在于：所述步骤十二中，粗加工至单边留余量0.5-1mm。

10.根据权利要求1所述的一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴电弧增材制造方法，其特征在于：所述步骤十三中，时效温度480-620℃，空气炉中保温4h，空冷。

技术总结
本发明为一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴增材制造方法。电弧增材制造大型构件熔覆过程应力大、容易开裂，如何有效控制应力与变形是电弧增材制造大型中空轴面临的难题。本发明提出了一种大型沉淀硬化不锈钢空心轴电弧增材制造方法，将大型沉淀硬化不锈钢空心轴分段成形，每段采用电弧增材成形后进行去应力退火和内腔表面机加工，然后整体热处理调性，最后采用机械加工方式去除余量。待成形中空轴由内圆筒、外圆筒、内外圆筒连接筋板结构组成。

技术研发人员：张希安,雷新鹏,张柳
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十四研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21