-FeCr复合材料构件的激光成形方法
【专利说明】 一种Cr3C2-FeCr复合材料构件的激光成形方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于激光成形领域，涉及一种Cr3C2-FeCr复合材料构件的激光成形方法。
【背景技术】
[0003]Cr的碳化物类型主要有M3C2，M3C, M7C3和M23C6等类型，热力学稳定性较好的是Cr3C2、Cr7C3和Cr23C6，Cr3C2和Cr7C3常用做金属基复合材料(MMC)的增强相。其中Cr3C2在高温条件下依然能保持相当高的硬度，还具有很强的耐蚀性和耐磨性。Cr3C2-FeCr具有良好的高温耐磨性能，在中温环境下，可以代替昂贵的镍基、钴基合金及其复合材料。
[0004]MMC的制备技术依据增强颗粒的加入方式的不同，可分为原位自生和强制加入两种。外加Cr3C2颗粒的激光加工复合材料，会导致材料中Cr3C2分解，并重新生成Cr7C3等碳化物，成为&3(:2复合材料激光加工的难点之一。原位自生技术借助合金设计，在基体金属内原位反应成核，生成一种或几种热力学稳定的增强相，这种方法避免了外加增强体的分解、节约能源、资源并能够减少排放，材料的增强体表面无污染，制品性能优良。但其工艺过程要求严格、较难掌握、且增强相的成分和体积分数不易控制。
[0005]激光成形工艺利用小体积累积成形的方法，可以在宏观控制增强相的均匀分布，为送粉激光原位成形颗粒增强MMC提供可能。金属粉与石墨粉的堆积密度相差较大，在激光成形过程中，容易因为粉体密度相差较大而造成分层，在成形部件中造成增强相的分布不均，而且会改变增强相的设计成分，大幅降低Cr3C2-FeCr复合材料部件的性能。因此本发明采用在线连续送粉激光原位复合成形的方法，制备Cr3C2-FeCr复合材料部件，使成形部件的增强相连续可控。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种增强相分布可控的Cr3C2_FeCr复合材料构件的激光成形方法。本发明方法从原位合成路线和激光成形工艺着手，提供一种新的Cr3C2-FeCr复合材料结构件的激光成形方法，能够使增强相在复合材料中均匀分布，实现性能优良的Cr3C2-FeCr复合材料部件的激光成形。
本发明方法主要包括以下步骤:
(1)原料配方与预处理
原料配方为:石墨 4.23~6.31wt.%,Cr 39.82~47.25wt.%，Mo 3.26?5.16%，稀土氧化物0.59?0.7 lwt.%，Fe余量;原料采用粉体形式，金属Fe、Cr、Mo粉和石墨粉的颗粒尺寸50?200微米;将金属Cr粉和稀土氧化物粉末球磨0.5?5小时；
(2)送粉与混料
采用多料斗螺旋送粉混合系统，所述多料斗螺旋送粉混合系统由四个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头连接组成，将Cr和稀土氧化物的混合粉末放入第1个料斗中，Fe粉置于第2料斗中，Mo粉置于第3料斗中，石墨粉置于第4个料斗中，4个送粉器同时送粉，并通过调整螺杆转速控制粉体的比例；
(3)激光成形
所述激光头采用4管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉，使熔池各成分均匀分布;对设计部件的数字图形分层切片，建立激光扫描路径，成形过程中，调节螺杆转速，使得局部生成的增强相Cr3C2在构件中的比例成梯度连续变化，即构件外层为Cr3C2-FeCr复合材料，内层为金属基体材料，并最终使用的原料符合步骤(1)的比例要求。
[0007]步骤(3)中采用光纤/C02激光器。光纤/C02激光的输出功率100?3000W，光斑直径
0.2?4mm，搭接率10?80%，激光头Ar气流量0.2?13L/min，送粉器Ar气流量0.2?12L/min，激光头扫描速度3?125mm/s。
[0008]本发明所用的多料斗螺旋送粉混合系统由四个送粉器分别通过送粉管与一个激光头连接组成，如图1所示。所述送粉器由料斗、螺杆和流化器组成，所述螺杆由直流步进电机推动。
[0009]Cr3C2-FeCr复合材料的性能取决于Cr3C2的含量、尺寸和均匀分布。本发明以多料斗螺旋送粉混料系统即时送粉，并利用同轴不连续激光头成形出Cr3C2-FeCr复合材料部件，实现增强相的分布控制，消除复合材料中Cr3C2不均匀分布的情况，实现Cr3C2含量可调的Cr3C2_FeCr复合材料结构件的激光成形。
[0010]本发明方法同时将构件表层和内层进行分别成形，控制送粉成分，实现内外分层结构的金属基复合材料部件的激光制造，使部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的70%以上。
【附图说明】
[0011]图1多料斗螺旋送粉混合系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0012]结合实施例对本发明做进一步描述。
[0013]实施例一
一种Cr3C2-FeCr复合材料冶金退火炉辊激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料采用粉体形式，金属Fe、Cr、Mo粉和石墨粉的颗粒尺寸50?200微米以上;原料成分为:石墨 4.23wt.%,Cr 43.37wt.%,Mo 3.26%，稀土氧化物0.59￥丨.％，卩6 48.5 5 wt.%;将Cr粉、稀土氧化物球磨混合2小时。
[0014](2)采用多料斗螺旋送粉混合系统进行送粉和即时混合，将Cr和稀土氧化物的混合粉末放入第1个料斗中，Fe粉置于第2料斗中，Mo粉置于第3料斗中，石墨粉置于第4个料斗中；4个送粉器同时送粉，并通过螺杆转速调整Cr3C2在粉体反应产物中的含量。
[0015](3)激光成形
激光成形的激光头采用4管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉以使得激光熔池的成分得以均匀分布;将待加工的部件的数字图形分层切片，并建立激光扫描路径，然后控制送粉成分，利用数控机床进行激光成形，实现部件内外分层结构的激光成形，形成外层为耐磨的Cr3C2-FeCr复合材料，内部基体为金属基体的特殊结构件。激光加工使用光纤激光器，其输出功率550W，光斑直径0.35mm，搭接率38%，激光头Ar气流量4.6L/min，送粉器Ar气流量7.3L/min，激光头扫描速度12mm/s。
[0016]成形部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的70%以上。
[0017]实施例二
一种Cr3C2-FeCr复合材料热成型模具激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料采用粉体形式，金属Fe、Cr、Mo粉和石墨粉的颗粒尺寸50?200微米以上;原料成分为:石墨5.19wt.%，Cr 39.82wt.%，Mo 5.16%，稀土氧化物0.71wt.%，Fe余量;将Cr粉、稀土氧化物球磨混合2.5小时。
[0018](2)采用多料斗螺旋送粉混合系统进行送粉和即时混合，将Cr和稀土氧化物的混合粉末放入第1个料斗中，Fe粉置于第2料斗中，Mo粉置于第3料斗中，石墨粉置于第4个料斗中；4个送粉器同时送粉，并通过螺杆转速调整Cr3C2在粉体反应产物的含量。
[0019](3)激光成形
激光成形的激光头采用4管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉以使得激光熔池的成分得以均匀分布;将待加工的部件的数字图形分层切片，并建立激光扫描路径，然后控制送粉成分和激光扫描路线，利用数控机床实现复合件内外分层结构的激光成形，形成外层为耐磨的Cr3C2-FeCr复合材料内部基体为金属基体的特殊结构件。激光加工使用C02激光器，其输出功率800W，光斑直径0.25mm，搭接率55%，激光头Ar气流量3.8L/min，送粉器Ar气流量6.2L/min，激光头扫描速度14mm/s。
[0020]成形部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的70%以上。
[0021 ] 实施例三
一种Cr3C2-FeCr复合材料热连乳输送棍激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料采用粉体形式，金属Fe、Cr、Mo粉和石墨粉的颗粒尺寸50?200微米以上;原料成分为:石墨 6.31wt.%,Cr 47.25wt.%,Mo 4.86%，稀土氧化物0.64wt.%，Fe40.94 wt.%;将Cr粉、稀土氧化物球磨混合3小时。
[0022](2)采用多料斗螺旋送粉混合系统进行送粉和即时混合，将Cr和稀土氧化物的混合粉末放入第1个料斗中，Fe粉置于第2料斗中，Mo粉置于第3料斗中，石墨粉置于第4个料斗中；4个送粉器同时送粉，并通过螺杆转速调整Cr3C2在粉体反应产物的含量。
[0023](3)激光成形工艺
激光成形的激光头采用4管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉以使得激光熔池的成分得以均匀分布;将待加工的部件的数字图形分层切片，并建立激光扫描路径，然后控制送粉成分和激光扫描路线，利用数控机床实现复合件内外分层结构的激光成形，形成外层为耐磨的Cr3C2-FeCr复合材料内部基体为金属基体的特殊结构件。激光加工使用光纤激光器，其输出功率900W，光斑直径0.40mm，搭接率30%，激光头Ar气流量7.8L/min，送粉器Ar气流量7.5L/min，激光头扫描速度28mm/s。
【主权项】
1.一种Cr3C2-FeCr复合材料构件的激光成形方法，其特征在于包括如下步骤: (1)原料配方与预处理 原料配方为:石墨 4.23?6.31wt.%，Cr 39.82?47.25wt.%，Μο 3.26?5.16%，稀土氧化物0.59?0.7 lwt.%，Fe余量;原料采用粉体形式，金属Fe、Cr、Mo粉和石墨粉的颗粒尺寸50?200微米;将金属Cr粉和稀土氧化物粉末球磨0.5?5小时； (2)送粉与混料 采用多料斗螺旋送粉混合系统，所述多料斗螺旋送粉混合系统由四个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头连接组成，将Cr和稀土氧化物的混合粉末放入第1个料斗中，Fe粉置于第2料斗中，Mo粉置于第3料斗中，石墨粉置于第4个料斗中，4个送粉器同时送粉，并通过调整螺杆转速控制粉体的比例； (3)激光成形 所述激光头采用4管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉，使熔池各成分均匀分布;对设计部件的数字图形分层切片，建立激光扫描路径，成形过程中，调节螺杆转速，使得局部生成的增强相Cr3C2在构件中的比例成梯度连续变化，即构件外层为Cr3C2-FeCr复合材料，内层为金属基体材料，并最终使用的原料符合步骤(1)的比例要求。2.根据专利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，步骤(3)中采用光纤/C02激光器，输出功率100~3000W，光斑直径0.2?4mm，搭接率10?80%，激光头Ar气流量0.2?13L/min，送粉器Ar气流量0.2?12L/min，激光头扫描速度3~125mm/s。3.根据专利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，所述送粉器由料斗、螺杆和流化器组成，所述螺杆由直流步进电机推动。
【专利摘要】本发明涉及一种Cr3C2-FeCr复合材料构件的激光成形方法，其所选用的原料粉体配方为：石墨？4.23~6.31wt.%，Cr？39.82~47.25wt.%，Mo？3.26~5.16%，稀土氧化物0.59~0.71wt.%，Fe余量；原料采用粉体形式，金属Fe、Cr、Mo粉和石墨粉的颗粒尺寸50~200微米。激光成形的粉体定量输送采用多料斗输送系统完成，激光成形采用4管同轴不连续喷粉头，通过对粉体输送系统和激光头的控制，能够实现Cr3C2-FeCr构件的内外梯度分层结构，Cr3C2-FeCr构件的断裂韧度可达到Fe基合金的70%以上。
【IPC分类】B22F3/105, B22F1/00
【公开号】CN105478762
【申请号】CN201510895530
【发明人】娄德元, 廖加劲, 熊厚, 徐显金, 翟中生, P·贝内特, 刘顿
【申请人】湖北工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月8日