[發明專利]一種異質雙絲原位合金化等離子弧增材的方法與裝置

在審

• 申請號: 202211218271.5
• 申請日: 2022-10-05
• 公開（公告）號: CN115476025A
• 公開（公告）日: 2022-12-16
• 發明（設計）人: 周琦;劉學權;段夢偉;彭勇;王克鴻;孔見;郭順;章曉勇;張偉;劉吉梓;黃勇;徐俊強
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B23K10/00
• 分類號: B23K10/00;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 趙毅

本發明為一種異質雙絲原位合金化等離子弧增材方法與裝置，該裝置包括等離子弧增材電源、等離子增材槍體、機器人控制柜、紅外熱成像儀、兩臺送絲機及雙絲協調控制模塊。增材時，機器人控制柜同步控制增材電源，引燃等離子弧，兩根異種相熔絲材同步送入熔池，在熔池中充分冶金后凝固形成基體材料，通過調節兩根絲材送絲速度以原位調控熔池內部液態金屬成分，實現異質雙絲原位合金化增材。本發明采用異質雙絲原位合金化等離子弧增材方法，使用馬氏體時效鋼、高氮奧氏體鋼兩種相熔性絲材，通過控制兩種絲材的送絲速度，原位生成成分、組織、性能可調可控的鐵基合金，其極限抗拉強度450MPa至950MPa可調，斷后伸長率15％至56％可調。

技術領域

本發明屬于電弧增材制造領域，主要涉及一種異質雙絲原位合金化等離子弧增材的方法與裝置。

背景技術

金屬材料因其優異的可加工性和綜合力學性能，被認為是當今社會發展中最重要的結構材料，隨著金屬材料的應用場景更加復雜化、服役環境更加惡劣化，對其本身綜合性能提出了更高的要求，因此需要不斷優化完善金屬材料體系。傳統上通過冶金熔煉、鑄造、鍛造、熱處理等系列方式完成新材料的制備，成本高、周期長、污染大，因此迫切需要新的加工制造方式實現新材料的快速制備與驗證。

發明內容

本發明旨在提供一種異質雙絲原位合金化等離子弧增材的方法，以滿足新型鐵基合金材料的制造需求，實現合金成分、組織與性能的可控與強化。

為了實現上述的目的，本發明采取的技術方案為：

一種異質雙絲原位合金化等離子弧增材的方法，原位合金化是通過在非熔化極電弧下同時熔化一定質量分數比的18Ni(350)馬氏體時效鋼絲材和HNS6T高氮奧氏體不銹鋼絲材實現的；所述的18Ni(350)馬氏體時效鋼和HNS6T高氮奧氏體不銹鋼兩種絲材的質量分數比為：9:1、8:2、7:3。

作為優選方式，HNS6T高氮奧氏體不銹鋼直徑為1.2mm，18Ni(350)馬氏體時效鋼直徑為1mm。

一種異質雙絲原位合金化等離子弧增材的方法，具體步驟如下：

步驟1，沉積前，調整兩個導絲嘴與基板的夾角為(15～30°)，調整送絲夾角為(60～90°)，確保兩根絲材同步直接送入到等離子弧中心區域，使兩根絲材在同一熔池中熔化與充分冶金；

步驟2，按照實際異質雙絲原位合金化增材構件尺寸進行基板預熱；

步驟3，接通電源，等待整個系統的通訊信號就位，根據增材零部件的幾何模型，設置成形路徑程序；根據鐵基合金成分，計算沉積過程所需A、B絲材質量，制定兩種絲材的送絲速度配比方案，通過雙絲協調控制模塊進行預設；根據兩種絲材的送絲速度預設增材電流和增材電壓；

步驟4，機器人攜帶增材槍體到達預定起弧位置，引燃電弧后，同時將18Ni(350)馬氏體時效鋼絲材和HNS6T高氮奧氏體不銹鋼絲材送至電弧中心在同一熔池，按照預設路徑進行沉積；

步驟5，通過紅外熱成像儀監測沉積層冷卻到預設層間溫度后，將等離子增材槍體移動到下一道起始點，開始沉積下一道；

步驟6，重復步驟4～步驟5，直到增材件尺寸達到預定設計，獲得成分、組織、性能可調的鐵基合金材料與結構。

作為優選方式，基板預熱采用起弧不送絲空走預熱，預熱溫度為250℃，預熱區域面積要大于異質增材件塊體尺寸。

作為優選方式，預設增材電流為50～250A，增材電壓為5～45V。

作為優選方式，關于成分配比設計，兩者的物理密度差異很小，在增材制造中可近似認為兩種絲材的密度相等，根據m＝ρV，可以通過控制異種絲材的體積分數比來控制其質量分數比，而根據V＝v_f·t·S(v_f表示送絲速度，t表示增材時間，S表示絲材的橫截面積)可知絲材體積分數受送絲速度控制。