一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的方法技術

本發明專利技術提供了一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置及其方法，實現了常壓下采用氮弧送絲增材制造的方法進行設定層高氮鋼的堆焊成形，同時利用氮氣送粉向熔池中添加氮化物合金粉末。同軸螺旋氣粉罩內壁鏜有螺旋氣粉槽，氮化物合金粉末在焊槍口形成旋轉氣粉流，減小了氮化物合金粉末流出槍口時散射造成的損失，同時保證了氮化物合金粉末與焊絲端部的熔滴充分冶金熔煉后進入熔池。通過控制3D打印的參數匹配，可獲得不同氮含量的高氮鋼打印層。采用氮化物合金粉末與焊絲同步同軸添粉送絲的方式，實現在常壓下利用普通鋼焊絲?氮化物合金粉末?氮弧復合技術3D打印高氮鋼制品。

【技術實現步驟摘要】
一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的方法
本專利技術屬于快速成形
，具體涉及一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置及方法，適用于高氮鋼材料的增材制造、焊接和零件修復。
技術介紹
高氮鋼中的間隙元素氮與其他合金元素(Mn、Cr、Mo、V、Nb和Ti等)協調作用，能改善鋼的強度、韌性、蠕變抗力、耐磨性能、耐腐蝕性能等。但是氮在大氣壓下氮溶解度非常低，加入很困難，由于加入量少，其有利影響不太明顯，高氮鋼的普遍生產方式是加壓冶煉，需要特殊的生產設備，產量受限且成本高。另外，高氮鋼的加工性能惡化，加工硬化情況嚴重，對加工刀具的設計、質量以及工藝參數控制要求嚴格。兩方面因素結合使得高氮鋼的應用受到限制。電弧3D打印技術，即電弧送絲增材制造技術，是利用電弧堆焊原理將金屬絲材熔化，在計算機的控制下直接制造全密度三維金屬零件的工藝方法。與鑄造技術和機械加工方法等傳統方法相比，電弧送絲增材制造技術的工序簡化、材料利用率提高、生產成本降低、機械加工難度低，同時可以控制零件中的宏觀缺陷以及成分偏析，后續加工工序簡化，適用于新型產品快速研制以及批量生產。現有的電弧3D打印技術一般包括：同軸或旁軸送絲電弧3D打印和送粉電弧3D打印，沒有絲粉同軸添加，且添粉時粉末不能旋轉。激光3D打印技術中有采用絲粉同步送進的方式，但是沒有實現絲粉同軸送進，且焊縫成分的均勻性不好。中國專利(200710141482.2)公開了一種基于氬弧焊的熔覆裝置，其采用的是同軸送粉方式，所獲得的熔覆層的稀釋率高，一般約5％～10％，其熔覆層面積大，用于3D打印工藝時，則不能實現打印制品尺寸的精確控制。中國專利(201210250419.3)公開了一種高氮鋼的雙層氣流保護TIG焊接方法，其采用了雙層氮氣保護，但是其增氮效果差，且不能送絲添粉。中國專利(94240533.1)公開了一種氣體旋轉式油漆噴槍，其氣管的內表面鏜有螺紋旋線，使霧狀油漆形成定向作用，使其散射面變小，但技術專利實則是在管狀結構內壁鏜螺紋旋線，其對氣粉流的流向限制作用較差。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的方法，本專利技術一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的方法的技術方案為：一種采用氮弧和氮化物原位冶金實現鋼表面增氮的裝置，其主要包括：一熔化極氣體保護焊槍；一氣粉同軸傳送裝置內設有與熔化極氣體保護焊槍同軸的螺旋氣粉罩，同軸螺旋氣粉罩內開有與熔化極氣體保護焊槍緊固連接的螺紋；氣粉同軸傳送裝置內、螺旋氣粉罩外設有與螺旋氣粉罩外壁相切的送粉送氣通道；送粉送氣通道分別開有送氣口與送粉口；所述的螺旋氣粉罩的內壁開有螺旋氣粉槽；如上所述的螺旋氣粉槽在螺旋氣粉罩的，其結構可為變螺線-變螺距-變截面結構，所述的螺旋氣粉槽為半圓槽，槽直徑為2mm～7mm，自頂而下梯度減小；螺旋升角在0°～60°區間自頂而下梯度減小，所述的螺旋氣粉罩采用耐熱材料SiC陶瓷制造。如上所述的送粉口和送氣口上分別裝有送粉調速器和氣體流量計。如上所述的螺旋氣粉罩的氣粉出口呈縮頸狀，且縮頸面的延長線指向電弧中心。如上所述的熔化極氣體保護焊槍噴嘴用耐熱材料SiC陶瓷制造，所述的熔化極氣體保護焊槍，其外側上部加工的螺紋長度至少為其直徑的兩倍。如上所述的一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的方法，其方法具體步驟如下：步驟1，通過目標高氮鋼制品的目標合金成分，確定鐵元素含量WFe％；選擇低碳鋼焊絲作為送絲原料；根據目標高氮鋼制品的目標合金成分，確定所需的作為送粉原料的合金粉末中合金元素i的含量Wif％比，經修正關系式Wif修正％≈Wif％×(1+μi+ξ)修正后得到粉末中合金元素i含量的修正值Wif修正％；其中μi為燒損系數，μi＝0.2％～5％，ξ為散射飛濺損失系數，ξ＝2％～8％；送粉原料的合金粉末中的合金元素不為鐵；步驟2，根據目標高氮鋼中合金元素i的含量Wi％與鐵元素含量的關系式得到所有合金元素與鐵元素的成分比α:β，確定送入熔池的送粉原料的質量與送絲原料的質量比α:β，設進入熔池中的原料粉末質量m粉＝Vf×Δt，進入熔池的送絲原料的質量其中Vf為添粉速率，單位為g/min；Vs為送絲速率，單位為m/min；d為焊絲直徑，單位為m；ρ為焊絲密度，單位為g/m3；Δt為時間，單位為min；步驟3，根據公式確定送粉速率Vf與送絲速率Vs參數匹配關系，得簡化公式Vf:(K×Vs)＝α:β；步驟4，選取送絲送率Vs為1.5m/min～12m/min；根據公式Vf:(K×Vs)＝α:β，得出送粉速率Vf；步驟5，啟動氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置，在氣粉同軸傳送裝置上調節送粉速率為Vf、送氣速率為V氣1，調節熔化極氣體保護焊槍的送絲速率為Vs，保護氣速率為V氣2，進行焊接；步驟6，根據目標高氮鋼制品形狀尺寸確定3D打印路線，以焊接速率v進行堆焊，每一層堆焊完時，將焊槍提高一個層厚，重復堆焊過程最終獲得高氮鋼制品。優選的，氣粉同軸傳送裝置上的送氣速率V氣1與焊槍保護氣速率V氣2滿足V氣1≈V氣2＝15～40L/min。優選的，焊接速率v為3～16mm/s。本專利技術與現有技術相比具有如下顯著優點：(1)采用氮化物合金粉末與焊絲同步同軸添粉送絲的方式，實現了在常壓下氣-粉-絲三項同步同軸電弧3D打印高氮鋼；(2)添加的氮化物合金粉末會在焊槍口形成旋轉氣粉流，有利于氮化物合金粉末與焊絲端部的熔滴和熔池充分冶金熔煉，同時保證氮化物合金粉末準確送至熔池中，而減少散射和飛濺帶來的損失，所得的高氮鋼制品成分均勻；(3)通過調節氮化物合金粉末的合金成分及添粉送絲的參數匹配，可以3D打印出不同含氮量的高氮鋼制品；(4)氮弧與傳送氮化物合金粉末的氮氣協調作用，有助于氮分壓的提高，有效控制了熔池中已熔入氮的逸出，增氮效果提高幅度大；(5)與直接用高氮鋼粉末3D打印高氮鋼方法相比，本專利技術所用的普通鋼焊絲加適量的氮化物合金粉末3D打印出高氮鋼制品的方法，避免了將高氮鋼加工成粉末難的問題，工藝簡化、成本降低。附圖說明圖1為利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品裝置結構示意圖，圖2為同軸氣粉罩的縱向剖視圖；圖3為利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品裝置的A-A截面剖視圖。其中，1為送氣通道，2為送粉通道，3為螺旋氣粉罩，4為螺旋氣粉槽，5為熔化極氣體保護焊槍。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本專利技術所述的一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置及其方法作進一步描述。一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置，該裝置包括一熔化極氣體保護焊槍5；一氣粉同軸傳送裝置，其內設有與熔化極氣體保護焊槍5同軸的螺旋氣粉罩3，螺旋氣粉罩3內開有與熔化極氣體保護焊槍5緊固連接的螺紋；氣粉同軸傳送裝置內、螺旋氣粉罩3外設有與螺旋氣粉罩3外壁相切的送粉送氣通道；送粉送氣通道分別開有送氣口1與送粉口2；螺旋氣粉罩3的內壁開有螺旋氣粉槽4。螺旋氣粉槽4的結構為變螺線-變螺距-變截面結構，所述的螺旋氣粉槽4為半圓槽，槽直徑為2mm～7mm，自頂而下梯度減小；螺旋升角在0°～60°區間自頂而下梯度減小，所述的螺旋氣粉槽4采用耐熱材料SiC陶瓷制造。送粉口1和送氣口2上分別裝有送粉調速器和氣體流量計。所述的螺旋氣粉罩3的氣粉出口呈縮頸本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的方法，其特征在于，包括步驟如下：步驟1，根據目標高氮鋼制品的合金成分，得到合金元素i與鐵元素的成分比α:β，確定送入熔池的送粉原料的質量與送絲原料的質量比；步驟2，根據送入熔池的送粉原料的質量與送絲原料的質量比確定送粉速率Vf與送絲速率Vs參數匹配關系；其中，Vf為送粉速率，單位為g/min；Vs為送絲速率，單位為m/min；d為焊絲直徑，單位為m；ρ為焊絲密度，單位為g/m3；Δt為時間，單位為min；m粉為送入熔池的送粉原料的質量，m絲為進入熔池的送絲原料的質量；步驟3，選取送絲送率Vs為1.5m/min～12m/min，得出送粉速率Vf；步驟4，啟動氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置，在氣粉同軸傳送裝置上調節送粉口的送粉速率Vf、送氣口的送氣速率V氣1，調節熔化極氣體保護焊槍的送絲速率Vs、保護氣速率V氣2，進行焊接；步驟5，根據目標高氮鋼制品形狀尺寸確定3D打印路線，以焊接速率v進行堆焊，每一層堆焊完時，將焊槍提高一個層厚，重復堆焊過程最終獲得高氮鋼制品。

【技術特征摘要】
1.一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的方法，其特征在于，包括步驟如下：步驟1，根據目標高氮鋼制品的合金成分，得到合金元素i與鐵元素的成分比α:β，確定送入熔池的送粉原料的質量與送絲原料的質量比；步驟2，根據送入熔池的送粉原料的質量與送絲原料的質量比確定送粉速率Vf與送絲速率Vs參數匹配關系；其中，Vf為送粉速率，單位為g/min；Vs為送絲速率，單位為m/min；d為焊絲直徑，單位為m；ρ為焊絲密度，單位為g/m3；Δt為時間，單位為min；m粉為送入熔池的送粉原料的質量，m絲為進入熔池的送絲原料的質量；步驟3，選取送絲送率Vs為1.5m/min～12m/min，得出送粉速率Vf；步驟4，啟動氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置，在氣粉同軸傳送裝置上調節送粉口的送粉速率Vf、送氣口的送氣速率V氣1，調節熔化極氣體保護焊槍的送絲速率Vs、保護氣速率V氣2，進行焊接；步驟5，根據目標高氮鋼制品形狀尺寸確定3D打印路線，以焊接速率v進行堆焊，每一層堆焊完時，將焊槍提高一個層厚，重復堆焊過程最終獲得高氮鋼制品。2....

【專利技術屬性】
技術研發人員：周琦，孔見，王克鴻，周春東，朱軍，彭勇，孫宏宇，蔡雅君，
申請(專利權)人：江蘇爍石焊接科技有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇;32