一种适用于热锻模具电弧熔丝增材制造用丝材及其制备方法
阅读说明：本技术 一种适用于热锻模具电弧熔丝增材制造用丝材及其制备方法 (Wire material suitable for hot forging die arc fuse wire additive manufacturing and preparation method thereof ) 是由 易江龙 张雪莹 邹晓东 潘琳琳 牛犇 陈俊孚 于 2021-06-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于热锻模具电弧熔丝增材制造用丝材及其制备方法,采用添加Cr、Nb、Ni、W、Mo等元素提升高温服役条件下基体的热强性,通过添加球形石墨,原位形成多种复合碳化物,提升增材制造层的耐磨性,同时添加钛、硅和锰作为金属粉芯丝材的脱氧、脱硫剂,原位生成的含Ti、Si、Mn的复合氧化物还能作为形核质点,产生钉扎效应,细化晶粒,阻止沿着增材制造方向的柱状晶生长,改善电弧熔丝增材制造多重热循环作用下显微组织粗大、性能各向异性的问题,该丝材为不含有矿物粉的无渣型金属粉芯丝材,无需长时间停弧进行清渣处理,可实现机器人操作的逐层累积制造,尤其适用于热锻模具的电弧熔丝增材制造。(The invention discloses a wire material suitable for hot forging die arc fuse wire additive manufacturing and a preparation method thereof, wherein elements such as Cr, Nb, Ni, W, Mo and the like are added to improve the heat strength of a matrix under a high-temperature service condition, a plurality of composite carbides are formed in situ by adding spherical graphite to improve the wear resistance of an additive manufacturing layer, meanwhile, titanium, silicon and manganese are added as deoxidizing and desulfurizing agents of metal powder core wire materials, the composite oxides containing Ti, Si and Mn generated in situ can also be used as nucleation particles to generate pinning effect, refine crystal grains, prevent columnar crystal growth along the additive manufacturing direction, improve the problems of coarse microstructure and anisotropic performance under the action of multiple thermal cycles of arc fuse wire additive manufacturing, the wire material is a slag-free metal powder core wire material without long-time arc stopping for slag removal treatment, and realize the layer-by-layer accumulated manufacturing of robot operation, the method is particularly suitable for the additive manufacturing of the arc fuse of the hot forging die.)
技术领域
：本发明涉及热锻模具修复用丝材，具体涉及一种适用于热锻模具电弧熔丝增材制造用丝材及其制备方法。
背景技术
：随着模具成型技术的飞速发展，模具服役条件和性能要求愈加严苛。以飞机起落架的大型锻模为例，其在服役过程中除承受巨大的冲击力和反复的应力外，因锻造成形时与难变形材料(高温合金、钛合金、超高强度钢等)长时间接触，模具承受压力高，型腔表层温升快，温度可达到700℃以上。这就要求热锻模具钢不仅需要有良好的韧性和冲击抗力，还应具有高的热稳定性和高温耐磨抗力等性能。传统的热作模具钢(如H13、HM1等)已不能完全满足上述性能要求，使得高温摩擦磨损导致的模具失效问题越来越突出。一直以来，国内外学者采用多种技术来提升模具表面的综合性能，如渗氮、渗碳、气相沉积、等离子喷涂、超音速喷涂、激光熔覆、等离子熔覆等技术。相比使用传统的表面改性方式，近年来发展迅速的直接能量沉积增材制造技术(Directed Energy Deposition，DED)可通过优化调整添加的丝或粉材成分，个性化制造满足多种特定功能需求的材料。
能量沉积增材制造技术(DED)是采用激光、电子束或电弧对同轴输送的金属粉末或丝材进行逐层熔化凝固堆积的直接能量沉积增材制造技术。相比于粉末原材料，丝材利用率高，易于存储和运输，对环境敏感性低。采用电弧熔丝的直接能量沉积增材制造技术，材料利用率>90％，沉积效率可达400cm3/h以上，且在大气环境下成形，尤其适合大尺寸的热锻模具修复及增材制造。然而，目前尚未有专门针对电弧熔丝增材制造的热锻模具用丝材。现有的热锻模具修复用丝材多为堆焊药芯焊丝，一类为气保护堆焊药芯焊丝，另一类为自保护堆焊药芯焊丝。公开号为CN 102029482 A，专利名称为“一种用于热锻压模具修复的气保护堆焊药芯焊丝”的中国发明专利公开了一种以冷轧低碳钢钢带为焊丝原料，通过添加铁粉、高碳铬铁(15-20％)、电解锰(10-15％)、硅铁、钼铁(4-8％)、钒铁(2-5％)、镍粉(4-8％)、钨粉(5-10％)和钴粉(2-5％)的合金粉，具有很好的高温硬度和耐热疲劳性能。CN101920413A公开了一种热锻模堆焊修复用药芯焊丝，同样采用冷轧钢带为药芯外皮，通过添加金属铬(Cr)30-50％；钼铁(Mo-Fe)10-25％；金属锰(Mn)3-9％；镍粉(Ni)3-10％；稀土氧化物(ReY)2-8％；碳化钨(WC)1-4％；钒铁(V-Fe)0.3-2％，其余为造渣剂。采用此发明的药芯焊丝堆焊修复失效模具，使用寿命比传统材料堆焊修复模具提高3倍以上且焊接效能高、焊接工艺性能好。公开号为CN 105171275 A的专利公开了一种用于热锻压模具修复的高硬度气保护堆焊药芯焊丝，其采用SPCC-SD冷轧低碳钢钢带为焊丝原料，通过添加氟化物、碳酸钡等矿物粉及高碳铬铁20-30份、硅锰合金10-15份、钼铁4-8份、镍粉1-4份、钨粉20-30份、钴粉3-6粉、铈稀土合金1-1.5份、铁粉10-30份合金粉为药芯。采用此发明药芯焊丝堆焊三层时，堆焊层硬度HRC为55～58，使用效果良好。CN 103862194 A专利公开了一种用于热锻模具修复的堆焊药芯焊丝，其采用碳钢钢带包裹药芯粉末，其药芯粉末除矿物粉外，主要包括以下合金粉：高碳铬铁:4.3-13.2％；纯铬粉:24.8-38.3％；镍粉:6-11.3％；钨铁粉:1.5-3.5％；电解锰:2.5-5.1％；钼铁粉:14.7-27.3％；硅铁粉:3.6-6.1％；钒铁粉0.2-1.4％。此专利的丝材具有很好的热稳定性和耐热疲劳性能，并具有高抗裂性，无需焊前预热及焊后立即热处理。CN 102814604 A公开了一种用于锤锻模具修复的堆焊药芯焊丝及制备方法，采用碳钢钢带包裹药芯粉末，合金粉主要包括铬铁粉:8.5-17％；镍粉:5-11％；钼铁:3-6.5％；硅铁:1.7-11％；钒铁:0.5-2.1％。该焊丝效率高，工艺性能好，具有高温硬度和耐热疲劳性能。CN 109894772A专利公开了一种用于拳头式仿生结构大型热锻模具皮肤层的药芯丝材及其制备方法，其丝材中包括锰元素含量2.2-2.8％、硅元素含量0.2-0.6％、铬元素含量14-20％、钼元素含量1.6-2.0％、钨元素含量2.0-2.8％、钼元素含量0.2-0.6％、钒元素含量0.4-1.0％，余量为镍和杂质。该药芯焊丝常温下强硬度适中，可有效减少表面高硬度带来的表层裂纹、难于机加工等问题，但在600℃左右工况下强硬度稳定性和抗氧化性强并具有冲击强化效应，非常适用于高温重载工况下耐磨损、抗变形性能要求高的大型锻模皮肤层，使得模具寿命显著提升。公开号为CN 107225339 A的专利公开了一种用于大型热锻模具夹心层的自保护药芯丝材及其制备方法，其丝材中包括锰元素含量0.8-1.2％、硅元素含量0.2-0.6％、铬元素含量1.8-2.5％、镍元素含量1.8-2.5％、钼元素含量1.2-1.6％、钒元素含量13-18％，余量为铁和杂质。该专利使得夹心层材料在高温重载的极端工况下，夹心层的弹性变形和应力扩散能力提高，夹心层与铸钢模具基体和过渡层之间的结合强度增大以及夹心层的成型质量和焊接工艺性更好。CN 107175426 A的发明专利公开了一种用于大型热锻模具表面强化的自保护药芯焊丝及其制备方法，该药芯焊丝主要包括以下合金元素：铬元素含量26-30％、钼元素含量8-10％、钨元素含量1.8-3％、镍元素含量1.5-2.5％、硅元素含量0.8-1.2％、锰元素含量0.6-1.0％、铌元素含量0.15-0.3％，余量为钴和杂质。该丝材可直接用于大型热锻模具型腔工作区域的直接堆焊形成表面强化层，使得在大型热锻模具的型腔表面层在500-700℃下，载荷在4万吨以上极端工况条件下不容易发生磨损、变形和开裂的情况，使得大型热锻模具的使用寿命提高10倍以上，明显降低大型锻件的制造成本。
气保护堆焊药芯焊丝和自保护堆焊药芯焊丝两者都是采用传统的药芯焊丝制备方式，即采用冷轧钢带为外皮，通过添加不同含量和成分的合金元素来满足高温耐磨工况所需的成分要求，同时通过添加造渣、造气等矿物粉来达到保护熔池和凝固组织的目的。由于使用了矿物粉，这类丝材在堆焊制造过程中必将产生一定量的渣壳，在传统的手工堆焊制造过程可以通过敲击等方式去除渣壳，但不适用于机器人控制的自动化熔丝增材制造技术。因此，迫切需要开发一类适用于电弧熔丝增材制造的热锻模具用丝材。
发明内容
：本发明的目的是提供一种适用于热锻模具电弧熔丝增材制造用丝材及其制备方法，主要采用添加Cr、Nb、Ni、W、Mo等元素提升高温服役条件下基体的热强性，通过添加球形石墨，原位形成多种复合碳化物，提升增材制造层的耐磨性，同时添加钛、硅和锰作为金属粉芯丝材的脱氧、脱硫剂，原位生成的含Ti、Si、Mn的复合氧化物还能作为形核质点，产生钉扎效应，细化晶粒，阻止沿着增材制造方向的柱状晶生长，改善电弧熔丝增材制造多重热循环作用下显微组织粗大、性能各向异性的问题，该丝材为不含有矿物粉的无渣型金属粉芯丝材，其在熔丝增材制造过程中不产生熔渣，无需长时间停弧进行清渣处理，可实现机器人操作的逐层累积制造，尤其适用于热锻模具的电弧熔丝增材制造。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种适用于热锻模具电弧熔丝增材制造用丝材，该丝材为不含有矿物粉的无渣型药芯焊丝，由外皮的不锈钢带及内包的药芯粉末组成，钢带为SUS430M不锈钢带，钢带尺寸为0.5×12mm，药粉填充率为24.0-30.0％，丝材直径范围为1.0-2.0mm；药芯粉末的成分及质量百分含量如下：Ni:5.0-14.0％，Cr:1.0-3.0％,Nb:1.0-5.0％,W:4.0-5.0％,Mo:2.0-5.0％；Ti：1.0％，Si：0.5％；Mn：1.5％；球形石墨：0.5-1.5％，合金粉末的粒径范围为100-150μm。
所述热锻模具电弧熔丝增材制造用丝材的制备方法，包括如下步骤：
S1：将Cr、Nb、Ni、W、Mo粉和球形石墨采用行星球磨机进行混合，再通过射频等离子预熔混合，得到弥散分布复合碳化物的基体合金粉末；
S2：将S1制备所得弥散分布复合碳化物的基体合金粉末及钛粉、硅粉、锰粉加入到V型混粉机，混合30min后得到混合均匀的药芯粉末；
S3：将S2制备所得药芯粉末按照所需填充率加入到SUS430M不锈钢带中，依次经过轧制、拉拔、清洗、层绕后得到所需直径的丝材。
本发明具有以下有益效果：
1)采用不锈钢带为药芯外皮，可将大部分Cr元素通过钢带外皮过渡入熔池，可适当增加药芯粉末中其他强化合金元素Cr、Nb、Ni、W、Mo的添加量，提升基体合金的热强性，高含量铌和镍的添加也能进一步提升基体合金强度和对热疲劳抗力；
2)添加球形石墨，采用射频等离子预熔的方式可原位形成多种复合碳化物均匀弥散分布于基体合金的复合粉体，一方面预熔的合金粉末在电弧作用下稳定性高，熔滴过渡稳定，大幅降低电弧熔丝制造过程中的飞溅和烟尘；另一方面，采用射频等离子预熔可有效降低C元素在电弧熔丝过程中的烧损，弥散分布的碳化物颗粒(包括有碳化铬、碳化铌、碳化钨)，也能提升基体材料的高温耐磨性；
3)基于药芯焊丝中药芯粉末添加的灵活性，可基于使用需要调节碳化物及热强性元素的加入量；
4)加入钛粉、硅粉、锰粉(保持Mn/Si比大于3)作为脱氧、脱硫剂，一方面能在电弧熔丝制造过程中对熔池金属进行充分的脱氧、脱硫处理；另一方面，脱氧过程中原位生成的含Ti、Si、Mn的复合氧化物，可作为基体合金凝固过程中的形核质点，起到细化晶粒，产生钉扎作用，阻止柱状晶沿着增材制造方向的长大，改善电弧熔丝增材制造组织和性能的各向异性，显著提升增材制造组织的综合力学性能。
具体实施方式
：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：一种适用于热锻模具电弧熔丝增材制造用的丝材，采用SUS430M不锈钢带为外皮，钢带尺寸为0.5×12mm，药粉填充率为24.0％，丝材直径为1.0mm。药芯粉末的成分及质量百分含量如下：Ni：12.5％，Cr:1.0％,Nb:1.0％,W:4.0％,Mo:2.0％；Ti：1.0％，Si：0.5％；Mn：1.5％；球形石墨：0.5％，合金粉末的粒径范围为100-150μm。
实施例1的药芯丝材制备方法具体步骤如下：
S1：Cr、Nb、Ni、W、Mo粉及球形石墨的采用行星球磨机进行混合，再通过射频等离子预熔混合，得到弥散分布复合碳化物的基体合金粉末；
S2：将S1制备所得弥散分布复合碳化物的基体合金粉末及钛粉、硅粉、锰粉加入到V型混粉机，混合30min后得到混合均匀的药芯粉末；
S3：将S2制备所得药芯粉末按照所需填充率加入到SUS430M不锈钢带中，依次经过轧制、拉拔、清洗、层绕后得到直径1.0的丝材。
对比例1：
参考实施例1，不同之处在于，没有添加球形石墨。
对比例2：
参考实施例1，不同之处在于，没有添加Ti、Si、Mn。
结果发现，成形会非常困难，基本得不到力学性能较好的试样。
实施例2
一种适用于热锻模具电弧熔丝增材制造用的丝材，采用SUS430M不锈钢带为外皮，钢带尺寸为0.5×12mm，药粉填充率为26.0％，丝材直径为1.2mm。药芯粉末的成分及质量百分含量如下：Ni：14.0％，Cr:1.0％,Nb:1.0％,W:4.0％,Mo:2.0％；Ti：1.0％，Si：0.5％；Mn：1.5％；球形石墨：1.0％，合金粉末的粒径范围为100-150μm。
实施例2的药芯丝材制备方法具体步骤如下：
S1：Cr、Nb、Ni、W、Mo粉及球形石墨采用行星球磨机进行混合，再通过射频等离子预熔混合，得到弥散分布复合碳化物的基体合金粉末；
S2：将S1制备所得弥散分布复合碳化物的基体合金粉末及钛粉、硅粉、锰粉加入到V型混粉机，混合30min后得到混合均匀的药芯粉末；
S3：将S2制备所得药芯粉末按照所需填充率加入到SUS430M不锈钢带中，依次经过轧制、拉拔、清洗、层绕后得到直径1.2的丝材。
实施例3
一种适用于热锻模具电弧熔丝增材制造用的丝材，采用SUS430M不锈钢带为外皮，钢带尺寸为0.5×12mm，药粉填充率为28.0％，丝材直径为1.6mm。药芯粉末的成分及质量百分含量如下：Ni：5.0％，Cr:3.0％,Nb:5.0％,W:5.0％,Mo:5.0％；Ti：1.0％，Si：0.5％；Mn：1.5％；球形石墨：1.0％，合金粉末的粒径范围为100-150μm。
实施例3的药芯丝材制备方法具体步骤如下：
S1：Cr、Nb、Ni、W、Mo粉及球形石墨采用行星球磨机进行混合，再通过射频等离子预熔混合，得到弥散分布复合碳化物的基体合金粉末；
S2：将S1制备所得弥散分布复合碳化物的基体合金粉末及钛粉、硅粉、锰粉加入到V型混粉机，混合30min后得到混合均匀的药芯粉末；
S3：将S2制备所得药芯粉末按照所需填充率加入到SUS430M不锈钢带中，依次经过轧制、拉拔、清洗、层绕后得到直径1.6的丝材。
实施例4
一种适用于热锻模具电弧熔丝增材制造用的丝材，采用SUS430M不锈钢带为外皮，钢带尺寸为0.5×12mm，药粉填充率为30.0％，丝材直径为2.0mm。药芯粉末的成分及质量百分含量如下：Ni：9.5％，Cr:1.0％,Nb:5.0％,W:5.0％,Mo:5.0％；Ti：1.0％，Si：0.5％；Mn：1.5％；球形石墨：1.5％，合金粉末的粒径范围为100-150μm。
实施例4的药芯丝材制备方法具体步骤如下：
S1：Cr、Nb、Ni、W、Mo粉及球形石墨采用行星球磨机进行混合，再通过射频等离子预熔混合，得到弥散分布复合碳化物的基体合金粉末；
S2：将S1制备所得弥散分布复合碳化物的基体合金粉末及钛粉、硅粉、锰粉加入到V型混粉机，混合30min后得到混合均匀的药芯粉末；
S3：将S2制备所得药芯粉末按照所需填充率加入到SUS430M不锈钢带中，依次经过轧制、拉拔、清洗、层绕后得到直径2.0的丝材。
实施例5
一种适用于热锻模具电弧熔丝增材制造用的丝材，采用SUS430M不锈钢带为外皮，钢带尺寸为0.5×12mm，药粉填充率为30.0％，丝材直径为2.0mm。药芯粉末的成分及质量百分含量如下：Ni：7.5％，Cr:3.0％,Nb:5.0％,W:5.0％,Mo:5.0％；Ti：1.0％，Si：0.5％；Mn：1.5％；球形石墨：1.5％，合金粉末的粒径范围为100-150μm。
实施例5的药芯丝材制备方法具体步骤如下：
S1：Cr、Nb、Ni、W、Mo粉及球形石墨采用行星球磨机将上述粉末进行混合，再通过射频等离子熔混合，得到弥散分布复合碳化物的基体合金粉末；
S2：将S1制备所得弥散分布复合碳化物的基体合金粉末及钛粉、硅粉、锰粉加入到V型混粉机，混合30min后得到混合均匀的药芯粉末；
S3：将S2制备所得药芯粉末按照所需填充率加入到SUS430M不锈钢带中，依次经过轧制、拉拔、清洗、层绕后得到直径2.0的丝材。
采用MIG电弧焊设备对本实施例1-5和对比例1制备的适用于热锻模具电弧熔丝增材制造用丝材进行增材制造，并对其性能进行测试，测试方法参考GB/T 39254-2020《增材制造金属制件机械性能评价通则》。分别在室温和600℃条件下，采用UMT-3摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，试验条件为：加载载荷10kg，磨损时间30min，磨损频率10HAZ，对磨材料为GCr15钢球(55HRC)。磨损实验前称量试样及钢球质量，计算磨损失重。结果如表1所示。
表1