一種穿孔頂尖雷射3D列印再製造方法與流程

2023-06-15 07:59:26 1

本發明屬於雷射快速成形
技術領域：
。特別涉及一種穿孔頂尖雷射3d列印再製造方法。尤其涉及一種高強長壽命穿孔頂尖雷射3d列印再製造方法。
背景技術：
：作為工業4.0最受矚目的技術之一，3d列印在全球範圍內的發展速度「突飛猛進」。近年來，我國對3d列印技術的發展和應用更是空前關注，尤其是2016年初科技部在《中國製造2025》基礎上宣布啟動實施增材製造和雷射製造重點專項後，金屬雷射3d列印技術和再製造技術在複雜冶金零部件的製造和再製造應用上持續升溫，對於一些傳統製造方法難於製造和修復的零部件可進行功能梯度設計，起到表面改性目的，顯著提高工件的使用壽命，降低生產成本，具有極大的市場前景。鋼管生產在國民經濟中佔有重要的地位，世界各國都十分重視鋼管生產技術的發展。斜軋穿孔是熱軋無縫鋼管生產中最重要的成形工序，它的任務是將實心的坯料穿成空心的毛管。而穿孔頂尖(見圖1)則是無縫鋼管生產中消耗量最大的關鍵工具之一。它的質量好壞和壽命高低直接影響鋼管生產的效率和鋼管的質量。由於穿孔頂尖的工作條件相當惡劣(經常受到高溫高壓、急冷急熱，並經受高周次機械疲勞和熱疲勞)，極易造成頂尖鼻部塌陷、表面開裂、尾部起堆等失效形式而損壞，使得它的使用壽命不長，嚴重影響了鋼管的生產效率和鋼管的質量，是熱軋無縫鋼管生產中急需解決的問題。據了解，一般材質頂尖穿普通鋼管，壽命不超過300支，穿合金鋼管時，壽命不超過100支，有的只穿幾支。因此，為了提高穿孔頂尖的使用壽命，國內外不少高校、研究院所、企業對穿孔頂尖進行了研究。1、改進穿孔頂尖形狀以及製備工藝，目前趨於成熟；2、研究頂尖新材質，①選擇淬透性高、熱強性能好的4cr5mosiv鋼做穿孔頂尖，壽命比傳統材質3cr2w8v提高一倍以上；②選擇20crni8作為穿孔頂尖的新材質，頂尖消耗有明顯下降趨勢，且鋼管內表面光亮；③選擇mo合金頂尖，雖然使用壽命可顯著提高，但成本高昂；3、頂尖熱處理、氧化工藝，頂尖氧化膜在穿孔時可以起到隔熱、潤滑的作用，有利於壽命的提高；4、複合塗層製造，是目前研究的熱點。它是以模具鋼作為頂尖基體，在鼻部外表面堆焊一層抗氧化mo基或co基硬化合金層，使鼻部與鋼基體之間形成冶金結合，構成複合頂尖，平均壽命可提高3-5倍，軋制每千噸鋼管耗頂頭損耗降至1.5t。但是，由於堆焊熔合區有時會出現延伸性下降的脆性交界面，受衝擊載荷作用時可能產生堆焊層剝離現象。在高溫條件下工作時，可能會發生碳遷移現象，導致高溫強度和抗腐蝕能力降低。若基材與堆焊層熱膨脹係數差別較大時，在焊接、焊後熱處理、或使用過程中，可能發生裂紋。另外，由於堆焊工藝本身特點的要求，往往採用預熱、緩冷、多層焊工藝，反覆熱循環將引起堆焊層化學成分和金相組織的變化，造成組織和成分的不均勻分布。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種高強長壽命穿孔頂尖雷射3d列印再製造方法，解決了複合塗層製造堆焊層容易剝離及組織和成分的不均勻的問題。實現了熔覆層梯度功能設計，底層與基體浸潤性好、結合強度高，表層硬度高、抗衝刷、耐磨損和耐腐蝕，綜合性能優越，顯著提高了頂尖使用壽命。一種高強長壽命穿孔頂尖雷射3d列印再製造方法，具體步驟及參數如下：1、在頂尖尾部任意點選取起熔點，開始雷射3d列印熔覆第一層第一道圓環的熔覆，第一道圓環的外側要與頂尖尾部外側對齊；2、完成第一層第一道圓環的雷射3d列印熔覆後，雷射光斑沿第一道圓環內側向頂尖鼻部一側移動1.5～2.0mm，開始第一層第二道圓環的雷射熔覆，熔覆方向與熔覆第一層第一道圓環的熔覆方向一致；3、完成第一層第二道圓環雷射3d列印熔覆後，重複步驟2，再完成若干道圓環熔覆直至頂尖鼻部，使得頂尖表面全覆蓋，過程中每道雷射熔覆方向一致；由這些道圓環組成第一層熔覆層；之後進行機加工使其表面光潔、光滑；4、將雷射頭的高度升高1～2mm，在頂尖鼻部選取任意起熔點，開始熔覆第二層第一道圓環的雷射3d列印熔覆，熔覆方向與第一層熔覆層方向一致，且第一道圓環的外側要與頂尖鼻部外側對齊；5、完成第二層第一道圓環雷射3d列印熔覆後，雷射光斑沿第一道圓環內側向頂尖尾部一側移動1.5～2.0mm，開始熔覆第二層第二道圓環的雷射熔覆，熔覆方向與之前一致；6、完成熔覆第二層第二道圓環雷射3d列印熔覆後，重複步驟5，再完成若干道圓環熔覆直至頂尖尾部使之全覆蓋上第一層熔覆層，保持每道雷射熔覆方向一致；由這些道圓環組成第二層熔覆層；最終由兩層雷射熔覆層組成頂尖的熔覆層，總計厚度為2～3mm；之後進行機加工使其表面光潔、光滑，使得頂尖表面光潔度滿足使用條件。頂尖材質為20cr2ni4，常溫強度高，hrc40左右，但耐高溫性能較差，容易出現變形、開裂。雷射3d列印熔覆層功能梯度設計(見圖2)，採用兩種熔覆材料，底層熔覆材料選擇與頂尖材質熱膨脹係數相近的ni基金屬粉末，與基體浸潤性好，冶金結合良好；表層熔覆材料選擇高強度、耐高溫、耐腐蝕的co基金屬粉末，提高使用性能。ni基材料，其化學成分重量百分比為：ni：50～60％、cr：14～18％、mo：15～20％、w：3.0～6.0％、c＜0.5％、si＜1.0％、mn＜2.0％，餘量為fe及不可避免雜質；co基材料，其化學成分重量百分比為：co：50～60％、cr：28～32％、w：6.0～10.0％、ni：2.0～4.0％、c＜2.0％、si＜1.5％、mn＜1.0％、mo＜1.0％，餘量為fe及不可避免雜質。在頂尖基體表面上雷射3d列印熔覆兩層厚度為2～3mm的ni/co基合金層，使其具有高的耐蝕耐磨性。步驟1～6所使用的雷射3d列印熔覆參數一致；雷射熔覆參數為：雷射功率：3000～4000kw，掃描速度：8～12mm/s，光斑直徑：φ3～5mm，送粉量：20～30g/min，每層厚度為：1.0～1.5mm。本發明的優點在於：基體熱影響區極小，基體溫升不超過80℃，組織緻密，晶粒細小；熔覆層與基體冶金結合良好，頂尖高溫性能優異，800℃時強度達500mpa，使用壽命顯著延長。附圖說明圖1為頂尖結構示意圖。其中，δ—鼻部直徑、φ1—沉孔直徑、b—鼻部厚度、φ—內孔開口直徑、α—輾軋錐角、c—絲口深度、a—鼻側壁厚度、m—內絲底徑、d—沉孔長度、dh—定徑帶直徑。圖2為熔覆層梯度功能設計示意圖，其中基材1、結合層2、面層3。圖3為熔覆層內部組織形貌金相顯微圖。圖4為界面結合處熔覆層與基體組織電鏡掃描圖。具體實施方式實施例1具體步驟及參數如下：1、在頂尖尾部任意點選取起熔點，開始雷射3d列印熔覆第一層第一道圓環的熔覆，第一道圓環的外側要與頂尖尾部外側對齊；2、完成第一層第一道圓環的雷射3d列印熔覆後，雷射光斑沿第一道圓環內側向頂尖鼻部一側移動1.8mm，開始第一層第二道圓環的雷射熔覆，熔覆方向與熔覆第一層第一道圓環的熔覆方向一致；3、完成第一層第二道圓環雷射3d列印熔覆後，重複步驟2，再完成110道圓環熔覆直至頂尖鼻部，使得頂尖表面全覆蓋，過程中每道雷射熔覆方向一致；由這些道圓環組成第一層熔覆層；之後進行機加工使其表面光潔、光滑；4、將雷射頭的高度升高1.2mm，在頂尖鼻部選取任意起熔點，開始熔覆第二層第一道圓環的雷射3d列印熔覆，熔覆方向與第一熔覆層方向一致，且第一道圓環的外側要與頂尖鼻部外側對齊；5、完成第二層第一道圓環雷射3d列印熔覆後，雷射光斑沿第一道圓環內側向頂尖尾部一側移動1.8mm，開始熔覆第二層第二道圓環的雷射熔覆，熔覆方向與之前一致；6、完成熔覆第二層第二道圓環雷射3d列印熔覆後，重複步驟5，再完成110道圓環熔覆直至頂尖尾部全覆蓋上第一層熔覆層，保持每道雷射熔覆方向一致；由這些道圓環組成第二層熔覆層；最終由兩層雷射熔覆層組成頂尖的熔覆層，總計厚度為2.4mm；之後進行機加工使其表面光潔、光滑，滿足使用條件。頂尖材質為20cr2ni4，雷射3d列印熔覆兩層，分別為ni基層和co基層，其化學成份按重量百分比為：第一層：ni基層，其化學成分重量百分比為：ni：56.0％、cr：16.0％、mo：18.0％、w：4.0％、c：0.12％、si：0.78％、mn：1.4％、fe：3.7％；第二層：co基層，其化學成分重量百分比為：co：54.5％、cr：30.0％、w：7.5％、ni：2.5％、c：1.8％、si：1.2％、mn：0.1％、mo：0.2％、fe：4.2％。步驟1～6所使用的雷射3d列印熔覆參數一致；雷射熔覆參數為：雷射功率：3600kw，掃描速度：10mm/s，光斑直徑：φ4mm，送粉量：20g/min，每層厚度為：1.2mm。組織觀察，見圖3和圖4。熔覆層組織細小、均勻；熔覆層與基材組織冶金結合良好，熔覆層枝晶組織猶如「釘子」般釘扎在基體上，提高界面結合強度。頂尖硬度檢測，見表1。表1面層洛氏硬度(常溫)數量12345678平均hrc434541424344444243頂尖高溫性能，見表2。表2面層高溫強度溫度/℃5008001000強度/mpa750500100當前第1頁12