一種利用氮弧和氮化物3d打印高氮鋼制品的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于快速成形技術(shù)領(lǐng)域，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，適用于高氮鋼材料的增材制造、焊接和零件修復(fù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高氮鋼中的間隙元素氮與其他合金元素"11、(>1〇、￥、他和1^等）協(xié)調(diào)作用，能改 善鋼的強(qiáng)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(chǎn)方式是加壓冶煉， 需要特殊的生產(chǎn)設(shè)備，產(chǎn)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(yán) 重，對加工刀具的設(shè)計、質(zhì)量以及工藝參數(shù)控制要求嚴(yán)格。兩方面因素結(jié)合使得高氮鋼的應(yīng) 用受到限制。
[0003] 電弧3D打印技術(shù)，即電弧送絲增材制造技術(shù)，是利用電弧堆焊原理將金屬絲材熔 化，在計算機(jī)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(shù)和機(jī)械加工 方法等傳統(tǒng)方法相比，電弧送絲增材制造技術(shù)的工序簡化、材料利用率提高、生產(chǎn)成本降 低、機(jī)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(xù)加工工序簡化， 適用于新型產(chǎn)品快速研制以及批量生產(chǎn)。
[0004] 現(xiàn)有的電弧3D打印技術(shù)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(zhuǎn)。激光3D打印技術(shù)中有采用絲粉同步送進(jìn)的 方式，但是沒有實現(xiàn)絲粉同軸送進(jìn)，且焊縫成分的均勻性不好。
[0005]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(xiàn)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(hù)TIG焊接方法，其采用了雙層氮?dú)獗Ｗo(hù)，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(zhuǎn)式油漆噴槍，其氣管的內(nèi)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，但實用新型專利實則是在管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)壁 鏜螺紋旋線，其對氣粉流的流向限制作用較差。 【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型的目的在于提供一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置， [0007]本實用新型一種利用氣弧和氣化物3D打印尚氣鋼制品的方法的技術(shù)方案為：
[0008] -種采用氮弧和氮化物原位冶金實現(xiàn)鋼表面增氮的裝置，其主要包括：
[0009] -熔化極氣體保護(hù)焊槍；
[0010] -氣粉同軸傳送裝置內(nèi)設(shè)有與熔化極氣體保護(hù)焊槍同軸的螺旋氣粉罩，同軸螺旋 氣粉罩內(nèi)開有與熔化極氣體保護(hù)焊槍緊固連接的螺紋;氣粉同軸傳送裝置內(nèi)、螺旋氣粉罩 外設(shè)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(nèi)壁開有螺旋氣粉槽；
[0011] 如上所述的螺旋氣粉槽在螺旋氣粉罩的，其結(jié)構(gòu)可為變螺線-變螺距-變截面結(jié) 構(gòu)，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(qū)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。
[0012] 如上所述的送粉口和送氣口上分別裝有送粉調(diào)速器和氣體流量計。
[0013] 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。
[0014] 如上所述的熔化極氣體保護(hù)焊槍噴嘴用耐熱材料SiC陶瓷制造，所述的熔化極氣 體保護(hù)焊槍，其外側(cè)上部加工的螺紋長度至少為其直徑的兩倍。
[0015] 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：
[0016] 步驟1，通過目標(biāo)高氮鋼制品的目標(biāo)合金成分，確定鐵元素含量WF(5%;選擇低碳鋼 焊絲作為送絲原料；
[0017] 根據(jù)目標(biāo)高氮鋼制品的目標(biāo)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(jīng)修正關(guān)系式Wif修正％ ? Wif % X (l+yi+|)修正后得到粉末中合金 元素i含量的修正值Wif修其中yi為燒損系數(shù)，yi = 0.2%~為散射飛濺損失系數(shù)， 1 = 2%~8% ;送粉原料的合金粉末中的合金元素不為鐵；
[0018] 步驟2,根據(jù)目標(biāo)高氮鋼中合金元素i的含量Wi %與鐵元素含量的關(guān)系式 : ^，得到所有合金元素與鐵元素的成分比^隊確定送入熔池的送粉原料 /一 1 的質(zhì)量與送絲原料的質(zhì)量比a : 0，設(shè)進(jìn)入恪池中的原料粉末質(zhì)量m?= VfX At，進(jìn)入恪池的 送絲原料的質(zhì)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;p為焊絲密度，單位為g/m3; A t為時間，單位為min;
[0019] 步驟3,根據(jù)公式 .#，確定送粉速率Vf與 送絲速率Vs參數(shù)匹配關(guān)系 得簡化公式Vf:(KXVs) = a：0；
[0020] 步驟4,選取送絲送率Vs為1 ? 5m/min~12m/min;根據(jù)公式Vf :(KXVs)=a:0，得出 送粉速率Vf;
[0021] 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(diào)節(jié) 送粉速率為Vf、送氣速率為V氣1，調(diào)節(jié)熔化極氣體保護(hù)焊槍的送絲速率為Vs，保護(hù)氣速率為 進(jìn)彳丁焊接；
[0022]步驟6,根據(jù)目標(biāo)高氮鋼制品形狀尺寸確定3D打印路線，以焊接速率v進(jìn)行堆焊，每 一層堆焊完時，將焊槍提高一個層厚，重復(fù)堆焊過程最終獲得高氮鋼制品。
[0023] 優(yōu)選的，氣粉同軸傳送裝置上的送氣速率V%與焊槍保護(hù)氣速率V%滿足V氣i ? V氣2 =15~40L/min〇
[0024] 優(yōu)選的，焊接速率v為3~16mm/s。
[0025]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：
[0026] (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(xiàn)了在常壓下氣-粉-絲三項同步同軸電弧3D打印高氮鋼；
[0027] (2)添加的氮化物合金粉末會在焊槍口形成旋轉(zhuǎn)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(zhǔn)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；
[0028] (3)通過調(diào)節(jié)氮化物合金粉末的合金成分及添粉送絲的參數(shù)匹配，可以3D打印出 不同含氣量的尚氣鋼制品；
[0029] (4)氮弧與傳送氮化物合金粉末的氮?dú)鈪f(xié)調(diào)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；
[0030] (5)與直接用高氮鋼粉末3D打印高氮鋼方法相比，本實用新型所用的普通鋼焊絲 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】
[0031]圖1為利用氣弧和氣化物3D打印尚氣鋼制品裝置結(jié)構(gòu)不意圖，
[0032]圖2為同軸氣粉罩的縱向剖視圖；
[0033]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。
[0034] 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(hù)焊槍。
【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型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(jìn)一步描述。
[0036] -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(hù) 焊槍5;
[0037] -氣粉同軸傳送裝置，其內(nèi)設(shè)有與熔化極氣體保護(hù)焊槍5同軸的螺旋氣粉罩3,螺 旋氣粉罩3內(nèi)開有與熔化極氣體保護(hù)焊槍5緊固連接的螺紋；
[0038] 氣粉同軸傳送裝置內(nèi)、螺旋氣粉罩3外設(shè)有與螺旋氣粉罩3外壁相切的送粉送氣通 道；
[0039] 送粉送氣通道分別開有送氣口