一种WC-金属复合材料结构件的激光成形方法

摘要

本发明涉及一种WC-金属复合材料结构件的激光成形方法，其所用原料粉体配方为：WC15~45wt.%，W0.4~5wt.%，Ni0~7wt.%，Cr0~27%，Mo0~10%，稀土氧化物0.1~1.2wt.%，该金属余量。激光成形的粉体定量配送与混合采用双料斗螺旋送粉混合系统完成，双料斗螺旋送粉混合系统主要由双料斗、电动送粉螺杆、直流步进电动机、粉体流化器和及出粉通道组成。激光成形的喷嘴采用同轴不连续喷粉头，利用系统对送粉和激光的控制，实现复合部件的内外部分层结构的成形，复合材料的力学性能可达基体金属材料的80%以上。

权利要求

1.一种WC-金属A复合材料结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：WC 15~45wt.%，W 0.6~5wt.%，Ni 0~7wt.%，Cr 0~27wt.%，Mo 0~10wt.%，稀土氧化物0.1~1.2wt.%，金属A余量；

原料采用粉体形式， 其中WC粉体、金属A粉的颗粒尺寸要求20微米以上；将金属A粉和Ni、Cr、Mo中的一种、两种或三种粉末球磨0.5~5小时，将WC粉体、稀土氧化物和W一起球磨混合0.5~5小时；

(2)送粉与混料

送粉工艺采用双料斗螺旋送粉混合系统完成，将WC、W和稀土氧化物混合粉放入一个料斗中，金属A粉和Ni、Cr、Mo粉末中的一种、两种或三种置于另一个料斗中，同时送粉，并通过螺杆转速进而调整WC在混料器中粉体的含量；

(3)激光喷粉

将混合后的粉体送到分料器中分为2~8个管道流至激光喷嘴进行激光成形，激光成形的激光喷嘴采用同轴不连续喷粉头，实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布；

(4)激光成形

将设计部件的数字图形数据利用分层软件进行切片，并建立分层最佳激光扫描路径及其层间连接配合，设置每层厚度为0.06~0.4mm，然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形；控制送粉成分和激光扫描路线，进行复合部件内外分层结构的激光成形，即结构件外层为耐磨的WC-金属复合材料，内部为金属基体材料；

(5)后处理采用加强喷丸的方法进行表面处理。

2.根据权利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，步骤（4）中，连续CO2激光的输出功率200~1500W, 光斑直径0.2~1.4mm，搭接率20~70%，激光头Ar气流量0.5~8L/min，送粉器Ar气流量0.2~10L/min，激光头扫描速度5~40mm/s。

3.根据权利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，所述的双料斗螺旋送粉混合系统由两个料斗、送粉螺杆、直流步进电动机、流化器和两组气嘴、2~8个出粉管、混合器、分料器和激光喷嘴组成。

4.根据权利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，所述金属A指H13钢、316L、Ni30或金属单质。

说明书

一种WC-金属复合材料结构件的激光成形方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光成形领域，涉及一种WC-金属复合材料结构件的激光成形方法。

背景技术

[0002] WC-金属复合材料由于融合了金属和增强颗粒的特性，具有高硬度、高强度及优良的耐磨性，又具有良好的耐高温和一定的耐蚀性，是一种优良的结构材料，常用做模具、刀具和耐磨零件的材料。WC-金属复合材料可以锻造改形和机械切削加工, 还可以通过热处理强韧化。

[0003] WC-金属复合材料的制备工艺方法有粉末冶金法、浸渍法、燃烧合成法、热压法、离心铸造法、挤压铸造法和电渣冶金技术等。

[0004] WC颗粒, 具有高熔点、高硬度及良好的稳定性等特性, 但的在上述工艺条件下会在基体相中发生分解，从而对复合材料的组织和性能起到不利影响，而且，WC颗粒在金属中易产生偏聚也降低了该复合材料的使用性能。

[0005] 激光成形金属材料部件一般采用分层制造，激光成形通过小熔池连续凝固在下层表面上，最后获得立体形状。激光熔池的尺寸、凝固速度、热穿透深度等可以通过激光成形工艺进行精确控制。

[0006] 金属粉与WC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WC-金属复合材料部件的性能。

发明内容

[0007] 本发明针对现有技术的不足，从配方和激光成形工艺着手，提供一种新的WC-金属A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WC-金属A复合材料部件的激光成形。

[0008] 金属A指H13钢、316L、Ni30等牌号粉体或金属单质。

[0009] 本发明方法主要包括以下步骤：

[0010] （1）原料配方与预处理

[0011] 原料配方为：WC 15~45wt.%，W 0.6~5wt.%，Ni 0~7wt.%，Cr 0~27%，Mo 0~10%，稀土氧化物0.1~1.2wt.%，金属A余量；

[0012] 原料采用粉体形式， 其中WC粉体、金属A粉的颗粒尺寸要求20微米以上；将金属A粉和Ni、Cr、Mo粉末球磨0.5~5小时，将WC粉体、稀土氧化物和W一起球磨混合0.5~5小时；

[0013] （2）送粉与混料

[0014] 送粉工艺采用双料斗螺旋送粉混合系统完成，将WC、W和稀土氧化物混合粉放入一个料斗中，金属A粉和Ni、Cr、Mo粉末置于另一个料斗中，同时送粉，并通过螺杆转速进而调整WC在混料器中粉体的含量；

[0015] （3）激光喷粉

[0016] 将混合后的粉体送到分料器中分为2~8个管道流至激光喷嘴进行激光成形，激光成形的激光喷嘴采用同轴不连续喷粉头，实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布；

[0017] （4）激光成形

[0018] 将设计部件的数字图形数据利用分层软件进行切片，并建立分层最佳激光扫描路径及其层间连接配合，设置每层厚度为0.06~0.4mm，然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形；控制送粉成分和激光扫描路线，进行复合部件内外分层结构的激光成形，即结构件外层为耐磨的WC-金属复合材料，内部为金属基体材料；

[0019] (5)后处理采用加强喷丸的方法进行表面处理。

[0020] 本发明方法步骤（4）中，连续CO2激光的输出功率200~1500W, 光斑直径0.2~1.4mm，搭接率20~70%，激光头Ar气流量0.5~8L/min，送粉器Ar气流量0.2~10L/min，激光头扫描速度5~40mm/s。

[0021] 本发明所用的双料斗螺旋送粉混合系统主要由两个料斗、送粉螺杆、直流步进电动机、流化器和两组气嘴、2~8个出粉管、混合器、分料器和激光喷嘴组成。混料器的体积小且有混料的流道空间设计，可以即时将混合后的粉体即时送到分料器中分为2~8个管道流至激光喷嘴进行激光成形。如图1所示。

[0022] 本发明方法同时将部件表层和内层进行分别成形，控制送粉成分和激光扫描路线，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80%以上。

[0023] WC-金属复合材料的性能取决于WC的含量、尺寸和均匀分布。本发明以双料斗螺旋送粉混料系统即时送粉，并利用同轴不连续激光喷嘴成形出WC-金属复合材料部件，消除WC-金属复合材料中WC不均匀分布的情况，实现WC含量可定的WC-金属复合材料结构件的激光成形。

附图说明

[0024] 图1双料斗螺旋送粉混合系统结构示意图。

具体实施方式

[0025] 结合实施例对本发明做进一步描述。

[0026] 实施例一

[0027] 一种WC-H13钢复合材料耐磨滑板激光成形方法，包括以下流程：

[0028] （1）原料采用粉体形式，WC粉体、H13钢粉的颗粒尺寸40~80微米，WC的总含量为35wt.%。在钢粉中加入7wt.%的Ni并进行球磨45分钟，在WC粉体中加入1.2%的Y2O3和
2.3wt.%的W并球磨混合50分钟。

[0029] （2）采用双料斗螺旋送粉混合系统进行送粉和即时混合，将WC、稀土氧化物和W的混合粉放入一个料斗，钢和Ni混合粉放入另一料斗，料斗和混料器中Ar气流量3L/min，WC料斗对应电机的速度200转每分钟，钢料斗对应电机的速度750转每分钟。分料器分为4个管道送至激光成形喷嘴。

[0030] （3）激光成形的喷嘴采用同轴不连续喷粉头，实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布。

[0031] （4）激光加工使用CO2激光器，其输出功率850W, 光斑直径0.25mm，搭接率40%，激光头Ar气流量4L/min，激光头扫描速度22mm/s。

[0032] （5）将复合材料耐磨滑板的数字图形数据利用分层软件进行切片，激光路径设计为复杂回字形往复扫描，层间交错0.12mm，每层厚度0.15mm，在四轴数字加工机床上分层激光成形。将部件表层和内层进行分别成形，控制送粉成分和激光扫描路线，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、-2抗高温氧化的功能，且部件的冲击韧度可达52J.cm 以上。

[0033] （6）成形后的复合材料耐磨滑板用加强喷丸的方法进行表面处理。

[0034] 实施例二

[0035] 一种WC-Ni复合材料高温阀套激光成形方法，包括以下流程：

[0036] （1）原料采用粉体形式，WC粉体、Ni粉的颗粒尺寸35~120微米，WC的总含量为40wt.%。在Ni粉中加入Cr 40wt.%，Mo16wt.%并球磨混合30分钟，在WC粉体中加入1.5%的Y2O3和3.0wt.%的W并球磨混合45分钟。

[0037] （2）采用双料斗螺旋送粉混合系统进行送粉和即时混合，将WC、稀土氧化物和W的混合粉放入一个料斗，NiCrMo混合粉放入另一料斗，料斗和混料器中Ar气流量4L/min，WC料斗对应电机的速度220转每分钟，Ni料斗对应电机的速度720转每分钟。分料器分为4个管道送至激光成形喷嘴。

[0038] （3）激光成形的喷嘴采用同轴不连续喷粉头，可以实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布。

[0039] （4）激光加工使用CO2激光器，其输出功率900W, 光斑直径0.2mm，搭接率40%，激光头Ar气流量4.5L/min，激光头扫描速度20mm/s。

[0040] （5）将复合材料高温阀套的数字图形数据利用分层软件进行切片，激光路径设计为S形往复扫描，层间交错0.1mm，每层厚度0.12mm，在四轴数字加工机床上分层激光成形。将部件表层和内层进行分别成形，控制送粉成分和激光扫描路线，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，且部件的力学性能σb达到560Mpa以上。

[0041] （6）成形后的复合材料高温阀套用加强喷丸的方法进行表面处理。

[0042] 实施例三

[0043] 一种WC-Co复合材料密封轴径激光成形方法，包括以下流程：

[0044] （1）原料采用粉体形式，WC粉体、Co粉的颗粒尺寸30~100微米，WC的总含量为30wt.%。在Co粉中加入Cr 36 wt.%，Mo13 wt.%并球磨混合60分钟，在WC粉体中加入1.8%的Y2O3和2.8wt.%的W并球磨混合40分钟。

[0045] （2）采用双料斗螺旋送粉混合系统进行送粉和即时混合，将WC、稀土氧化物和W的混合粉放入一个料斗，Co粉放入另一料斗，料斗和混料器中Ar气流量4.5L/min，WC料斗对应电机的速度150转每分钟，Co料斗对应电机的速度650转每分钟。分料器分为4个管道送至激光成形喷嘴。

[0046] （3）激光成形的喷嘴采用同轴不连续喷粉头，实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布。

[0047] （4）激光加工使用CO2激光器，其输出功率800W, 光斑直径0.18mm，搭接率45%，激光头Ar气流量3L/min，激光头扫描速度30mm/s。

[0048] （5）将复合材料密封轴径的数字图形数据利用分层软件进行切片，激光路径设计为S形往复扫描，层间交错0.1mm，每层厚度0.14mm，在四轴数字加工机床上分层激光成形。将部件表层和内层进行分别成形，控制送粉成分和激光扫描路线，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，且部件的力学性能σ0.2达到420Mpa以上。

[0049] （6）成形后的复合材料密封轴径用加强喷丸的方法进行表面处理。