镍-钢复合材料电弧3D打印焊丝及制备与增材制造方法

镍-钢复合材料电弧3d打印焊丝及制备与增材制造方法
技术领域
1.本发明属于金属材料领域，具体涉及一种镍-钢复合材料电弧3d打印焊丝，还涉及一种镍-钢复合材料电弧3d打印焊丝的制备方法及一种镍-钢复合材料电弧3d打印焊丝在钢基体上进行增材制造的方法。


背景技术：

2.金属增强制造也称为金属3d打印，是利用热源将金属材料熔化，并按照零件的切片图形逐点、逐层沉积制造金属零件的工艺方法。根据热源的不同，分为激光选区熔化技术、激光熔覆沉积技术、电子束熔丝增材制造技术和电弧熔丝沉积技术。其中，电弧熔丝沉积技术，也称为电弧3d打印技术，由于效率高、成本低、灵活性强，越来越受到工程实际的青睐。
3.镍的耐蚀性较好、耐高温性能优异，广泛应用于高温零部件的制备中。但是，镍的价格较高，并且高温结构的某些部位并不需要服役在高温环境下，比如底座。因此，采用电弧3d打印的方式，制备镍-钢复合材料，则同时兼有耐高温、耐腐蚀和成本低的优势，是工程实际最理想的选择。
4.但是，电弧3d打印是个不均匀的加热冷却过程，尤其是镍和钢的热物理性能差异较大，导致制备过程中残余应力较高。因此，需要一个过渡层，其热物理性能处于钢和镍之间，从而缓和两者之间的热力学不匹配现象。此外，镍的主要元素ni和钢的主要元素fe虽然可以无限固溶，不生成脆性相，但是两者焊接过程中容易出现热裂纹。因此，开发镍-钢梯度复合材料电弧3d打印用焊丝，解决镍和钢3d打印制备过程的热应力集中、开裂等问题，具有重要的工程实际意义。


技术实现要素：

5.本发明的第一个目的是提供一种镍-钢复合材料电弧3d打印焊丝，解决了镍-钢梯度复合材料制备过程中出现的应力集中和开裂问题。
6.本发明的第二个目的是提供一种镍-钢复合材料电弧3d打印焊丝的制备方法。
7.本发明的第三个目的是提供一种镍-钢复合材料电弧3d打印焊丝在钢基体上进行增材制造的方法。
8.本发明所采用的第一个技术方案是，镍-钢复合材料电弧3d打印焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：cr粉40～60％，mo粉10～20％，nb粉5～10％，co粉5～10％，ti粉2～5％，al粉2～5％，si粉2～5％，余量为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
9.本发明的特征还在于，
10.cr粉、mo粉、nb粉、co粉、ti粉、al粉、si粉和ni粉的粒度为200-300目。
11.焊皮为纯镍带，镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm。
12.各个药粉的填充率为25～30wt.％。
13.本发明所采用的第二个技术方案是，镍-钢复合材料电弧3d打印焊丝的制备方法，具体步骤如下：
14.步骤1：按质量百分比分别称取cr粉40～60％，mo粉10～20％，nb粉5～10％，co粉5～10％，ti粉2～5％，al粉2～5％，si粉2～5％，余量为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％；
15.步骤2：将上述粉末置于行星式球磨机中进行球磨处理，粉末的球磨时间为1～2h，球磨速度为300～400rpm；
16.步骤3：对球磨后的复合粉末进行粒度筛分，使筛分后的粉末在一200-300目的粒度范围内；
17.步骤4：将步骤3筛分后的粉末置于真空加热炉内进行加热处理，加热温度为200～300℃，保温时间为2～4h；
18.步骤5：采用酒精去除镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤4制备得到的混合药粉包裹在钴带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
19.步骤6：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝；
20.步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
21.本发明所采用的第三个技术方案是，镍-钢复合材料电弧3d打印焊丝在钢基体上进行增材制造的方法，采用上述的焊丝在钢基体上进行增材制造的过程如下：
22.(1)用钢丝刷打磨钢板，用酒精、丙酮等有机溶剂去除钢板上的油污；
23.(2)选择er50-6焊丝进行钢层的电弧3d打印，焊接电流为180～200a，堆焊层厚度为6～10mm；堆焊过程控制层间温度在100℃以下，以保证堆焊层的尺寸精度；
24.(3)采用上述的焊丝在钢层上进行电弧3d打印，焊接电流为180～200a，堆焊层厚度为1～2mm；堆焊过程采用cmt焊接电源，保证基体熔化较少，主要以焊丝熔化为主，从而实现熔纤焊的效果；堆焊过程控制层间温度在100℃以下，以保证堆焊层的尺寸精度；
25.(4)采用erni-1焊丝在上述过渡层上进行电弧3d打印，制备镍层，焊接电流为150～200a，堆焊层厚度为6～10mm；由于纯镍焊丝流动性较差，因此层间温度控制在100～200℃之间，以保证熔池较好的流动性。
26.本发明的有益效果是：
27.(1)本发明的镍基焊丝是专门用于电弧3d打印系统，通过合理的调整填充率和焊接工艺参数，可以保证电弧3d打印过程焊丝较好的熔覆效率和熔覆质量。
28.(2)本发明中的镍基药芯焊丝，主要添加了cr元素，cr的密度低于钢，热导率、比热处于镍和钢之间，因此cr的加入可以缓和镍和钢之间的热力学不匹配现象。
29.(3)本发明中的镍基焊丝，添加了多种合金元素，形成多种强化机制共同作用的效果：cr、co起到固溶强化作用，ti、al元素起到析出强化作用。
30.(4)本发明在制备镍-钢梯度复合材料过程中，合理调控电弧工艺参数，减小制备过程中各层之间的稀释率，从而保证所打印的复合结构的优异性能。
31.(5)本发明的电弧3d打印用镍基焊丝的制备方法，工艺简单，便于进行大规模批量生产。
附图说明
32.图1为本发明中进行镍-钢梯度复合材料制备过程示意图；
33.图2为本发明中实施案例2制备的药芯焊丝，在q345钢板上进行电弧3d打印时所得到的堆焊层的宏观形貌；
34.图3为本发明中实施案例2制备的药芯焊丝，在q345钢板上进行电弧3d打印时所得到的镍基过渡层的扫描电镜低倍组织形貌图；
35.图4为本发明中实施案例2制备的药芯焊丝，在q345钢板上进行电弧3d打印时所得到的镍基过渡层的扫描电镜高倍组织形貌图；
36.图5为本发明中实施案例2制备的药芯焊丝，在q345钢板上进行电弧3d打印时所得到的接头拉伸断口形貌。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
38.本发明提供一种镍-钢复合材料电弧3d打印焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：cr粉40～60％，mo粉10～20％，nb粉5～10％，co粉5～10％，ti粉2～5％，al粉2～5％，si粉2～5％，余量为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
39.cr粉、mo粉、nb粉、co粉、ti粉、al粉、si粉和ni粉的粒度为200-300目。
40.焊皮为纯镍带，镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm。
41.各个药粉的填充率为25～30wt.％。
42.该药芯焊丝中主要合金组分的作用和功能如下：
43.cr元素作为药芯焊丝药粉的主要元素，具有提高熔覆层耐腐蚀和耐高温的作用。高温下，cr与o反应所生成cr2o3，可以有效保护熔池的耐高温性能。cr还可以与c形成m
23
c6型碳化物，提高过渡层的强度。
44.co元素作为药芯焊丝的主要合金元素，具有耐高温、耐腐蚀的作用，可以弥补由于fe基体稀释所带来的过渡层的耐蚀性下降问题。co和cr一样，还可以与c形成m
23
c6型碳化物，提高过渡层的强度。
45.al和ti元素联合起来，具有提高过渡层拉伸强度、持久强度的作用。并且，al与cr具有协同提高过渡层抗高温氧化的能力。
46.si元素的加入，有改善过渡层耐酸腐蚀、抗硫化的能力。
47.本发明还提供一种镍-钢复合材料电弧3d打印焊丝的制备方法，具体步骤如下：
48.步骤1：按质量百分比分别称取cr粉40～60％，mo粉10～20％，nb粉5～10％，co粉5～10％，ti粉2～5％，al粉2～5％，si粉2～5％，余量为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％；
49.步骤2：将上述粉末置于行星式球磨机中进行球磨处理，粉末的球磨时间为1～2h，球磨速度为300～400rpm；
50.步骤3：对球磨后的复合粉末进行粒度筛分，使筛分后的粉末在一200-300目的粒度范围内；
51.步骤4：将步骤3筛分后的粉末置于真空加热炉内进行加热处理，加热温度为200～300℃，保温时间为2～4h；
52.步骤5：采用酒精去除镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤4制备得到的混合药粉包裹在钴带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
53.步骤6：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝；
54.步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
55.本发明还提供一种镍-钢复合材料电弧3d打印焊丝在钢基体上进行增材制造的方法，如图1所示，采用上述的焊丝在钢基体上进行增材制造的过程如下：
56.(1)用钢丝刷打磨钢板，用酒精、丙酮等有机溶剂去除钢板上的油污；
57.(2)选择er50-6焊丝进行钢层的电弧3d打印，焊接电流为180～200a，堆焊层厚度为6～10mm；堆焊过程控制层间温度在100℃以下，以保证堆焊层的尺寸精度；
58.(3)采用上述的焊丝在钢层上进行电弧3d打印，焊接电流为180～200a，堆焊层厚度为1～2mm；堆焊过程采用cmt焊接电源，保证基体熔化较少，主要以焊丝熔化为主，从而实现熔纤焊的效果；堆焊过程控制层间温度在100℃以下，以保证堆焊层的尺寸精度；
59.(4)采用erni-1焊丝在上述过渡层上进行电弧3d打印，制备镍层，焊接电流为150～200a，堆焊层厚度为6～10mm；由于纯镍焊丝流动性较差，因此层间温度控制在100～200℃之间，以保证熔池较好的流动性。
60.实施例1
61.镍-钢梯度复合材料电弧3d打印用钴基焊丝的制备方法：
62.步骤1：按质量百分比分别称取cr粉40％，mo粉10％，nb粉5％，co粉5％，ti粉2％，al粉2％，si粉2％，余量为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
63.步骤2：将上述粉末置于行星式球磨机中进行球磨处理，粉末的球磨时间为1h，球磨速度为300rpm；
64.步骤3：对球磨后的复合粉末进行粒度筛分，使筛分后的粉末在一200-300目的粒度范围内；
65.步骤4：将步骤3筛分后的粉末置于真空加热炉内进行加热处理，加热温度为200℃，保温时间为2h；
66.步骤5：采用酒精去除镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤4制备得到的混合药粉包裹在钴带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；各个药粉的填充率为30wt.％
67.步骤6：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝；
68.步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
69.用实施例1制备的镍-钢梯度复合材料电弧3d打印用镍基药芯焊丝在q345钢板上进行电弧3d打印，其过程如下：
70.(1)用钢丝刷打磨钢板，用酒精、丙酮等有机溶剂去除钢板上的油污；
71.(2)选择er50-6焊丝进行钢层的电弧3d打印，焊接电流为180～200a，堆焊层厚度为6mm；堆焊过程控制层间温度在80℃，以保证堆焊层的尺寸精度；
72.(3)采用制备的过渡层焊丝在钢层上进行电弧3d打印，焊接电流为180～200a，堆
焊层厚度为1mm；堆焊过程采用cmt焊接电源，保证基体熔化较少，主要以焊丝熔化为主，从而实现熔纤焊的效果；堆焊过程控制层间温度在80℃，以保证堆焊层的尺寸精度；
73.(4)采用erni-1焊丝在上述过渡层上进行电弧3d打印，制备镍层，焊接电流为150～200a，焊层厚度为7mm。由于纯镍焊丝流动性较差，因此层间温度控制在70℃，以保证熔池较好的流动性。
74.经测试，镍-钢梯度复合材料的拉伸强度为510mpa，断裂位置在er50-6焊缝一侧。
75.实施例2
76.镍-钢梯度复合材料电弧3d打印用钴基焊丝的制备方法：
77.步骤1：按质量百分比分别称取cr粉60％，mo粉20％，nb粉10％，co粉10％，ti粉5％，al粉5％，si粉5％，余量为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
78.步骤2：将上述粉末置于行星式球磨机中进行球磨处理，粉末的球磨时间为2h，球磨速度为400rpm；
79.步骤3：对球磨后的复合粉末进行粒度筛分，使筛分后的粉末在一200-300目的粒度范围内；
80.步骤4：将步骤3筛分后的粉末置于真空加热炉内进行加热处理，加热温度为300℃，保温时间为4h；
81.步骤5：采用酒精去除镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤4制备得到的混合药粉包裹在钴带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；各个药粉的填充率为25wt.％
82.步骤6：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝；
83.步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
84.采用制备的镍-钢梯度复合材料电弧3d打印用过渡层焊丝在钢基体上进行增材制造的过程如下：
85.(1)用钢丝刷打磨钢板，用酒精、丙酮等有机溶剂去除钢板上的油污；
86.(2)选择er50-6焊丝进行钢层的电弧3d打印，焊接电流为180～200a，堆焊层厚度为10mm；堆焊过程控制层间温度在50℃，以保证堆焊层的尺寸精度；
87.(3)采用制备的过渡层焊丝在钢层上进行电弧3d打印，焊接电流为180～200a，堆焊层厚度为2mm；堆焊过程采用cmt焊接电源，保证基体熔化较少，主要以焊丝熔化为主，从而实现熔纤焊的效果；堆焊过程控制层间温度在40℃，以保证堆焊层的尺寸精度；
88.(4)采用erni-1焊丝在上述过渡层上进行电弧3d打印，制备镍层，焊接电流为150～200a，堆焊层厚度为10mm。由于纯镍焊丝流动性较差，因此层间温度控制在200℃，以保证熔池较好的流动性。
89.经测试，镍-钢梯度复合材料的拉伸强度为520mpa，断裂位置在er50-6焊缝一侧。
90.实施例2制备得到的镍-钢梯度复合材料电弧3d打印用镍基药芯焊丝在q345钢板上堆焊，堆焊完的宏观形貌如图2所示。从图中可以看出，钢层和镍层之间成型较好，无下榻现象。所制备的镍-钢梯度复合材料的横截面形貌如图3所示。从图中可以看出，钢层与过渡层之间熔合较好，无缺陷产生。图4为镍基过渡层的高倍显微组织，可以看出熔覆层主要以胞状奥氏体组织为主。图5为镍-钢梯度复合材料的拉伸断口，断裂位置在钢侧，扫描电镜观
察结果主要以轫窝形貌为主。
91.实施例3
92.镍-钢梯度复合材料电弧3d打印用钴基焊丝的制备方法：
93.步骤1：按质量百分比分别称取cr粉50％，mo粉15％，nb粉8％，co粉7％，ti粉3％，al粉35％，si粉3％，余量为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
94.步骤2：将上述粉末置于行星式球磨机中进行球磨处理，粉末的球磨时间为1.5h，球磨速度为350rpm；
95.步骤3：对球磨后的复合粉末进行粒度筛分，使筛分后的粉末在一200-300目的粒度范围内；
96.步骤4：将步骤3筛分后的粉末置于真空加热炉内进行加热处理，加热温度为250℃，保温时间为3h；
97.步骤5：采用酒精去除镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤4制备得到的混合药粉包裹在钴带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；各个药粉的填充率为26wt.％。
98.步骤6：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝；
99.步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
100.步骤5中药粉的填充率为25～30％。
101.采用制备的镍-钢梯度复合材料电弧3d打印用过渡层焊丝在钢基体上进行增材制造的过程如下(如图1所示)：
102.(1)用钢丝刷打磨钢板，用酒精、丙酮等有机溶剂去除钢板上的油污；
103.(2)选择er50-6焊丝进行钢层的电弧3d打印，焊接电流为180～200a，堆焊层厚度为8mm；堆焊过程控制层间温度在60℃，以保证堆焊层的尺寸精度；
104.(3)采用制备的过渡层焊丝在钢层上进行电弧3d打印，焊接电流为180～200a，堆焊层厚度为1.5mm；堆焊过程采用cmt焊接电源，保证基体熔化较少，主要以焊丝熔化为主，从而实现熔纤焊的效果；堆焊过程控制层间温度在40℃，以保证堆焊层的尺寸精度；
105.(4)采用erni-1焊丝在上述过渡层上进行电弧3d打印，制备镍层，焊接电流为150～200a，堆焊层厚度为7mm。由于纯镍焊丝流动性较差，因此层间温度控制在150℃，以保证熔池较好的流动性。
106.经测试，镍-钢梯度复合材料的拉伸强度为501mpa，断裂位置在er50-6焊缝一侧。
107.实施例4
108.镍-钢梯度复合材料电弧3d打印用钴基焊丝的制备方法：
109.步骤1：按质量百分比分别称取cr粉48％，mo粉12％，nb粉6％，co粉9％，ti粉4％，al粉2.5％，si粉4％，余量为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
110.步骤2：将上述粉末置于行星式球磨机中进行球磨处理，粉末的球磨时间为1.2h，球磨速度为370rpm；
111.步骤3：对球磨后的复合粉末进行粒度筛分，使筛分后的粉末在一200-300目的粒度范围内；
112.步骤4：将步骤3筛分后的粉末置于真空加热炉内进行加热处理，加热温度为270
℃，保温时间为2.3h；
113.步骤5：采用酒精去除镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤4制备得到的混合药粉包裹在钴带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；各个药粉的填充率为25wt.％。
114.步骤6：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝；
115.步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
116.采用制备的镍-钢梯度复合材料电弧3d打印用过渡层焊丝在钢基体上进行增材制造的过程如下(如图1所示)：
117.(1)用钢丝刷打磨钢板，用酒精、丙酮等有机溶剂去除钢板上的油污；
118.(2)选择er50-6焊丝进行钢层的电弧3d打印，焊接电流为180～200a，堆焊层厚度为9mm；堆焊过程控制层间温度在30℃，以保证堆焊层的尺寸精度；
119.(3)采用制备的过渡层焊丝在钢层上进行电弧3d打印，焊接电流为180～200a，堆焊层厚度为1.3mm；堆焊过程采用cmt焊接电源，保证基体熔化较少，主要以焊丝熔化为主，从而实现熔纤焊的效果；堆焊过程控制层间温度在30℃，以保证堆焊层的尺寸精度；
120.(4)采用erni-1焊丝在上述过渡层上进行电弧3d打印，制备镍层，焊接电流为150～200a，堆焊层厚度为9mm。由于纯镍焊丝流动性较差，因此层间温度控制在130℃，以保证熔池较好的流动性。
121.经测试，镍-钢梯度复合材料的拉伸强度为541mpa，断裂位置在er50-6焊缝一侧。
122.实施例5
123.镍-钢梯度复合材料电弧3d打印用钴基焊丝的制备方法：
124.步骤1：按质量百分比分别称取cr粉54％，mo粉19％，nb粉3.8％，co粉4.2％，ti粉3.7％，al粉4.7％，si粉3.6％，余量为ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
125.步骤2：将上述粉末置于行星式球磨机中进行球磨处理，粉末的球磨时间为1.7h，球磨速度为365rpm；
126.步骤3：对球磨后的复合粉末进行粒度筛分，使筛分后的粉末在一200-300目的粒度范围内；
127.步骤4：将步骤3筛分后的粉末置于真空加热炉内进行加热处理，加热温度为255℃，保温时间为3.4h；
128.步骤5：采用酒精去除镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤4制备得到的混合药粉包裹在钴带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；各个药粉的填充率为25wt.％。
129.步骤6：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝；
130.步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
131.采用制备的镍-钢梯度复合材料电弧3d打印用过渡层焊丝在钢基体上进行增材制造的过程如下(如图1所示)：
132.(1)用钢丝刷打磨钢板，用酒精、丙酮等有机溶剂去除钢板上的油污；
133.(2)选择er50-6焊丝进行钢层的电弧3d打印，焊接电流为180～200a，堆焊层厚度
为7mm；堆焊过程控制层间温度在50℃，以保证堆焊层的尺寸精度；
134.(3)采用制备的过渡层焊丝在钢层上进行电弧3d打印，焊接电流为180～200a，堆焊层厚度为1.7mm；堆焊过程采用cmt焊接电源，保证基体熔化较少，主要以焊丝熔化为主，从而实现熔纤焊的效果；堆焊过程控制层间温度在50℃，以保证堆焊层的尺寸精度；
135.(4)采用erni-1焊丝在上述过渡层上进行电弧3d打印，制备镍层，焊接电流为150～200a，堆焊层厚度为8mm。由于纯镍焊丝流动性较差，因此层间温度控制在180℃，以保证熔池较好的流动性。
136.经测试，镍-钢梯度复合材料的拉伸强度为533mpa，断裂位置在er50-6焊缝一侧。实施例1-5中，镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm。