一种激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法
阅读说明：本技术 一种激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法 (Method for manufacturing micro-arc spark MCrAlY electrode by laser additive manufacturing ) 是由 迟长泰 韩旭 陈书 林慧超 曾增伟 郭善赞 仲才 于 2019-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明属于金属激光增材制造领域,具体为一种激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法,适用于多种尺寸微弧火花MCrAlY电极的制备。首先预热激光沉积基材到一定温度,采用一定粒度的MCrAlY粉末,在真空手套箱中用同步送粉方法进行激光沉积,沉积过程中用一定流量的氩气覆盖激光沉积作用区,利用感应加热保持基材在一定温度,可实现沉积层组织致密均匀,无明显气孔夹杂等缺陷；然后采用线切割切取增材层一定直径和长度的圆柱,将圆柱体表面车光滑并进行清洗处理,同时进行结构成分及孔隙率分析,从而确保了MCrAlY电极的纯度和致密性。本发明为制造MCrAlY电极提供了高效、稳定、可靠的新型工艺方法,对微弧火花表面增材制造及改性方面具有重要意义。(The invention belongs to the field of metal laser additive manufacturing, and particularly relates to a method for manufacturing a micro-arc spark MCrAlY electrode by laser additive manufacturing, which is suitable for preparing micro-arc spark MCrAlY electrodes with various sizes. Firstly, preheating a laser deposition base material to a certain temperature, adopting MCrAlY powder with a certain granularity, carrying out laser deposition in a vacuum glove box by using a synchronous powder feeding method, covering a laser deposition action area with argon gas with a certain flow in the deposition process, and keeping the base material at a certain temperature by using induction heating, so that the compact and uniform structure of a deposition layer can be realized, and the defects of obvious air hole inclusion and the like are avoided; and then cutting a cylinder with a certain diameter and length of the additive layer by adopting linear cutting, turning and smoothing the surface of the cylinder, cleaning, and analyzing structural components and porosity simultaneously, thereby ensuring the purity and compactness of the MCrAlY electrode. The invention provides a novel efficient, stable and reliable process method for manufacturing the MCrAlY electrode, and has important significance on the aspects of material increase manufacturing and modification of the surface of the micro-arc spark.)
技术领域
本发明属于金属激光增材制造领域，具体为一种激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，适用于多种尺寸微弧火花MCrAlY(M＝Ni,Co或Ni+Co)电极的制备。
背景技术
激光沉积增材制造是一种新的制造技术，以高功率激光作为热源，通过激光熔合同步输送的粉末等原材料，逐层熔化堆积而实现增材制造，实现任意复杂形状金属零件的成型制造。
微弧火花沉积是一种脉冲弧显微焊接工艺，它是一种电容放电、微弧熔焊方法，利用可控的能量放电所形成的短时电脉冲产生冶金结合的表面改性或成形。与激光表面处理相比，微弧火花表面处理对基体的热影响更小，基本不会引起工件变形和基体材料的组织改变，许多用常规熔焊方法不可熔焊的材料常常可以用微弧火花进行熔焊。
微弧火花MCrAlY电极的常规制取手段主要有粉末冶金和常规熔焊，常规熔焊成型的电极耗时短，效率较高，但电极形状难以控制，孔隙率较多且制备电极一般较短；粉末冶金制备电极成型效果较好，但需要在高真空下进行且时间较长，经济时效性较差；采用激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法可有效结合二者优点，快速高效制备MCrAlY电极，并且稳定可靠。因此，研究和发明激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法对微弧火花沉积技术的应用具有重要的实用价值，有效提高微弧火花增材及表面改性的可靠性和稳定性。
发明内容
为了解决微弧火花MCrAlY电极高纯度快速制备，进而提高微弧火花增材及表面改性的可靠性和稳定性，本发明的目的在于提供一种激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，通过同步送粉-激光沉积，沉积过程中采用感应加热保温基材，可获得激光沉积组织致密均匀，沉积孔洞很少、完全无裂纹及夹杂物缺陷，且化学纯度较高，不仅切实提高微弧火花MCrAlY电极制备效率，还保证了微弧火花MCrAlY电极高纯度制备。
本发明的技术方案如下：
一种激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，该方法的工艺步骤如下：
采用MCrAlY粉末，干燥处理温度为100～200℃，干燥结束后，冷却至室温；根据沉积的MCrAlY粉末选择基材，基材与MCrAlY粉末具有润湿性和焊接性能，基材表面抛光处理后，预热到150～300℃；在真空手套箱环境中，采用同步送粉-激光沉积方式，选择一种光斑的光束在基材上进行激光沉积处理；在沉积过程中，根据基材温度时时调整基材温度，利用感应线圈加热保持基材温度在150～450℃，同时采用保护气体保护激光作用区，净化激光作用区；然后采用电火花线切割机切取增材层电极，将电极表面打磨光滑并进行清洗处理，同时进行结构成分及孔隙率分析，从而确保MCrAlY电极的高纯度和致密性。
所述的激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，MCrAlY粉末，粒度在100～300目，球形度≥92％，氧含量≤500PPM。
所述的激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，干燥处理是将MCrAlY粉末置于真空干燥箱中1.5小时以上。
所述的激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，真空手套箱环境，H2O≤50PPM、O2≤50PPM。
所述的激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，激光沉积的工艺参数如下：
激光连续辐照，激光功率为500～3000W，功率密度104～106W/cm2，扫描速度为2～25mm/s，搭接量为30％～60％，辐照光斑Φ2mm～Φ6mm；
送粉方式为同轴氩气送粉，送粉速度为3.5～25g/min，采用氩气保护，保护气流量为5～20L/min。
所述的激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，激光沉积的激光器是光纤激光器、半导体激光器、CO2激光器或Nd:YAG激光器。
所述的激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，采用电火花线切割机切取增材层一定直径和长度的圆柱微弧电火花电极，长度在25～75mm，直径在φ2.5～φ7mm。
所述的激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，将电极表面打磨光滑并进行清洗处理，利用车床及磨床对电极表面进行精加工，然后采用酒精清洗电极表面。
所述的激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，进行电极的结构成分及孔隙率分析，利用X射线衍射和化学分析进行结构成分分析检验，采用光学显微镜和CT扫描进行孔隙率分析检验。
所述的激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，该方法处理的MCrAlY粉末，激光沉积后组织均匀致密，且化学纯度较高，达到96wt％以上，孔隙率低于到0.1％。
本发明的设计思想是：
本发明采用球形度较好的MCrAlY粉末，干燥处理后，预热激光沉积基材到一定温度，然后在真空手套箱中用同步送粉方法进行激光沉积，沉积过程中用一定流量的氩气覆盖激光沉积作用区，且利用感应加热维持基材一定温度，可实现沉积层组织致密均匀，且无裂纹气孔夹杂等缺陷的激光增材制造；采用电火花线切割从MCrAlY增材层切取不同直径和长度的电火花电极：首先将电极表面光滑处理，其次进行清洗处理，最后进行结构成分及孔隙率分析，从而确保MCrAlY电极的高纯度和良好致密性。
微弧火花MCrAlY电极的常规制取手段主要有粉末冶金和常规熔焊，常规熔焊成型的电极耗时短，效率较高，但电极形状难以控制，孔隙率较多且制备电极一般较短；粉末冶金制备电极成型效果较好，但需要在高真空下进行且时间较长，经济时效性较差，同时粉末冶金制备的电极尺寸也有局限性不能太长，太长容易断裂。
本发明采用激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法可有效地结合熔焊和粉末冶金制备MCrAlY电极的两者优点，避免了二者的孔隙率高、时效性和经济性差不足之处。该方法既能快速高效制备MCrAlY电极，而且利用真空手套箱增材制造MCrAlY沉积层纯度较高，完全无明显夹杂裂纹；同时，该方法受制约条件如电极等尺寸较少，能制备多种长度和直径尺寸的电极，可控性良好；此外，增材制造的电极的化学成分纯度及成型性较好，稳定地保证了微弧电极优良质量。该方法还引进了X射线衍射、化学分析和CT扫描等技术检验微弧电极质量，实现了从制备到检测较为完整链条的微弧火花MCrAlY电极制备规程。本发明为对微弧火花沉积技术的应用具有重要的实用价值，有效提高微弧火花增材及表面改性的可靠性和稳定性，从根本上解决了微弧火花MCrAlY电极乃至其他微弧火花电极的制备质量和时效相匹配的良好可靠问题。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提供的一种激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，通过采用同步送粉-激光沉积方式及对基材时刻保温方式，提高激光沉积MCrAlY增材层的平整性，同时减少增材层内应力，避免内部发生裂纹等缺陷，有效控制对多种尺寸形状MCrAlY无裂纹夹杂等缺陷增材层成形实现。更重要的是，激光增材制造微弧火花MCrAlY电极效率较高、经济性较好，为激光增材制造微弧火花MCrAlY电极控形控性沉积制造提供解决方案。
2、本发明激光增材制造在真空手套箱内进行，水氧含量低，保证了激光增材制造MCrAlY增材层的化学纯度，从而保证了微弧火花电极较高纯度，这对微弧电火花沉积涂层良好性至关重要。
3、本发明实现激光沉积MCrAlY组织较为致密均匀一致，极少孔洞、裂纹及夹杂物缺陷完全消除的激光增材制造，实现了微弧火花电极的较高致密性，电极内部是良好的冶金结合。
4、本发明引进了X射线衍射、化学分析和CT扫描等技术对微弧电极质量进行检验，实现了从制备到检测较为完整链条的微弧火花MCrAlY电极制备规程。
附图说明
图1为三组熔焊、粉末冶金和激光增材制造微弧火花MCrAlY电极孔隙率对比图。
具体实施方式
在具体实施过程中，采用球形度良好的MCrAlY粉末，在真空干燥箱100～200℃干燥处理1.5小时以上，干燥结束后，冷却至室温；根据沉积的MCrAlY粉末选择基材，基材与MCrAlY粉末具有较好的润湿性和良好焊接性能，基材表面抛光处理后，预热到150～300℃；在真空手套箱环境中，采用同步送粉-激光沉积方式，选择一种光斑的光束在基材上进行激光沉积处理；在沉积过程中，利用感应加热保温使基材维持一定温度，采用保护气体保护激光作用区，净化激光作用区；然后采用电火花线切割机从增材层切取一定直径和长度的电极，将电极表面进行光滑和清洗处理；最后进行结构成分纯度及孔隙率分析，从而确保MCrAlY电极的高纯度和良好致密性。
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例中，激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，具体步骤如下：
1、MCrAlY粉末在100～200目，球形度93％，氧含量300PPM；其中，MCrAlY粉末的合金牌号CoCrAlY，按重量百分比计算(wt％)，CoCrAlY的具体成分为2.25C-0.9Si-1.1Y-24Cr-9Ta-8.5Al-Co余。
2、MCrAlY粉末干燥处理：温度150℃×1.5h。
3、沉积基材：Inconel625。
4、沉积基材预热温度：250℃。
5、激光沉积真空手套箱环境：H2O、O2含量均为40PPM。
6、激光增材层尺寸：75×75×40mm的长方体。
7、激光沉积的工艺参数：激光连续辐照，激光功率为900W，功率密度2×105W/cm2，扫描速度为12mm/s，搭接量为40％，辐照光斑Φ2.5mm，激光同轴氩气送粉，送粉速度6.7g/min，采用氩气保护，保护气流量为11L/min。
8、基材保温温度：利用感应线圈加热保持基材温度在250℃；
9、激光器：3000W的光纤激光器。
10、线切割微弧电极尺寸：5根Φ4.5×75mm。
11、微弧火花电极光滑处理：采用车床及磨床对电极表面进行精加工。
12、微弧火花电极清洗处理：采用体积浓度99.9％的酒精进行清洗处理。
13、电极的结构成分和孔隙率分析：采用ICP6300化学分析仪进行成分分析检验，采用蔡司光学显微镜和CT扫描仪进行结构和孔隙率分析。
本实施例中，通过以上方法处理的微弧火花MCrAlY电极，组织致密均匀，没有裂纹夹杂缺陷存在，形状控制良好，化学纯度达到97.8wt％，孔隙率0.05％。
如图1所示，从三种方式制备微弧火花MCrAlY电极的孔隙率对比分析，激光增材制造MCrAlY电极孔隙率最低，组织最为致密。
实施例2
本实施例中，激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，具体步骤如下：
1、MCrAlY粉末在150～250目，球形度95％，氧含量200PPM；其中，MCrAlY粉末的合金牌号NiCoCrAlY，按重量百分比计算(wt％)，NiCoCrAlY的具体成分为2.05C-1Si-1.1Y-22Cr-7Ta-8.5Al-21Co-Ni余。
2、MCrAlY粉末干燥处理：温度200℃×1.5h。
3、沉积基材：Inconel718。
4、沉积基材预热温度：300℃。
5、激光沉积真空手套箱环境：H2O、O2含量均为50PPM。
6、激光增材层尺寸：75×65×40mm的长方体。
7、激光沉积的工艺参数：激光连续辐照，激光功率为1600W，功率密度105W/cm2，扫描速度为12mm/s，搭接量为50％，辐照光斑Φ4mm，激光同轴氩气送粉，送粉速度14.2g/min，采用氩气保护，保护气流量为13L/min。
8、基材保温温度：利用感应线圈加热保持基材温度在300℃；
9、激光器：4000W的半导体激光器。
10、线切割微弧电极尺寸：5根Φ3.5×65mm。
11、微弧火花电极光滑处理：采用车床及磨床对电极表面进行精加工。
12、微弧火花电极清洗处理：采用体积浓度99.9％的酒精进行清洗处理。
13、电极的结构成分和孔隙率分析：采用ICP6300化学分析仪进行成分分析检验，采用蔡司光学显微镜和CT扫描仪进行结构和孔隙率分析。
本实施例中，通过以上方法处理的微弧火花MCrAlY电极，组织致密均匀，没有裂纹夹杂缺陷存在，形状控制良好，化学纯度达到98.6wt％，孔隙率0.03％。
实施例3
本实施例中，激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，具体步骤如下：
1、MCrAlY粉末在100～270目，球形度93％，氧含量350PPM；其中，MCrAlY粉末的合金牌号NiCoCrAlY，按重量百分比计算(wt％)，NiCoCrAlY的具体成分为2.05C-1Si-1.1Y-27Cr-6.5Ta-7.5Al-32Co-Ni余。
2、MCrAlY粉末干燥处理：温度180℃×1.5h。
3、沉积基材：Inconel625。
4、沉积基材预热温度：200℃。
5、激光沉积真空手套箱环境：H2O、O2含量均为50PPM。
6、激光增材层尺寸：85×75×45mm的长方体。
7、激光沉积的工艺参数：激光连续辐照，激光功率为2400W，功率密度4×105W/cm2，扫描速度为15mm/s，搭接量为35％，辐照光斑Φ5mm，激光同轴氩气送粉，送粉速度16.4g/min，采用氩气保护，保护气流量为14.5L/min。
8、基材保温温度：利用感应线圈加热保持基材温度在200℃；
9、激光器：5000W的CO2激光器。
10、线切割微弧电极尺寸：10根Φ2.5×75mm。
11、微弧火花电极光滑处理：采用车床及磨床对电极表面进行精加工。
12、微弧火花电极清洗处理：采用体积浓度99.9％的酒精进行清洗处理。
13、电极的结构成分和孔隙率分析：采用ICP6300化学分析仪进行成分分析检验，采用蔡司光学显微镜和CT扫描仪进行结构和孔隙率分析。
本实施例中，通过以上方法处理的微弧火花MCrAlY电极，组织致密均匀，没有裂纹夹杂缺陷存在，形状控制良好，化学纯度达到96.2％，孔隙率0.08％。
实施例结果表明，本发明提供一种激光增材制造微弧火花MCrAlY电极的方法，不仅沉积MCrAlY内部组织均匀致密、无沉积夹杂缺陷产生，而且内部冶金结合良好，沉积表面平整性良好，实现微弧火花MCrAlY电极增材制造高效可靠稳定性制造，使微弧火花MCrAlY电极制造实现高效规范化制造，对微弧火花表面增材制造及改性方面具有重要意义。