镍基合金-低合金高强钢功能梯度材料的制造方法及装置

摘要

本发明提供了镍基合金‑低合金高强钢功能梯度材料的制造方法及装置，属于电弧增材制造技术领域。该装置包括独立设置的工作台、TIG焊机、送丝机构a、送丝机构b，还包括高纯氩气瓶，高纯氩气瓶通过管道连接有气体保护罩，气体保护罩安装在TIG焊机的TIG焊枪头上，TIG焊枪头上还夹装固定有电磁搅拌线圈，电磁搅拌线圈与励磁电源电连接。本发明在电弧增材技术的基础上，附加了电磁搅拌装置和气体保护装置，电磁搅拌线圈随焊枪移动，无工件尺寸限制；通过施加交变磁场，增加形核率，抑制粗大柱状枝晶的生长，起到细化晶粒的作用，从而提高材料的力学性能；气体保护装置能够在一定空间内降低增材过程中高温工件与空气的接触，减小工件的氧化。

说明书

技术领域

本发明属于电弧增材制造技术领域，特别针对TIG电弧增材制造功能梯度材料领域，具体涉及一种电磁搅拌TIG电弧增材制造镍基高温合金-低合金高强钢功能梯度材料的方法及装置。

背景技术

功能梯度材料是将两种或两种以上的材料复合，组织结构和材料成分呈梯度变化的一种新型复合材料。其材料性能跟随材料工件的位置变化而变化，因此能够应用于复杂工作环境的匹配和满足特定的服役需求。低合金高强钢具有高强度、抗疲劳和耐磨性强等特点，但由于其具有较高的铁磁性和较低的耐高温性能，难以满足在高温及磁场环境下的服役要求。而镍基高温合金具有良好的高温抗氧化性能以及能够满足在磁场环境下的应用。制备镍基高温合金-低合金高强钢功能梯度材料，目的是保证在特殊服役环境下镍基高温合金和低合金高强钢的过渡和连接，与从而满足核电工业、航空航天等领域的应用需求。电弧增材技术是一种新型材料制造技术，在制备功能梯度材料方面，具有工艺简单、高熔覆率、高效率、低成本、易于制备复杂结构零件等优点，能够在保证功能材料的成分梯度的基础上，进行大尺寸的零件制备，从而实现功能梯度材料的应用性和产业化，已经成为近年的热门研究方向。

目前，增材镍基高温合金-低合金高强钢功能梯度材料主要存在如下问题：第一，镍基高温合金与低合金高强钢粉末生产工艺复杂，成本高昂，因此通常以丝材的形式呈现，同时，通过粉末送料的方式限制了工件制备的效率，不能实现大尺寸工件的高效制备。第二，电弧增材过程中工件的散热方向垂直基板向下，有利于柱状枝晶的连续生长，并且由于每层的重熔导致形成粗大的组织结构，影响性能。因此制备增材镍基高温合金-低合金高强钢功能梯度材料时，应根据材料晶体组织形成特点，通过附加外场等方法，在熔池凝固过程中增加形核点，细化晶粒，避免工件组织的粗大化。

电磁搅拌技术广泛应用与焊接、铸造、熔覆等领域，能够有效的提高组织均质化、细化晶粒、减少组织缺陷。通过磁场产生的变化洛伦兹力作用于熔池，能够增加熔池中的形核点，减小材料的晶粒尺寸，抑制熔池中的元素偏析和脆性相析出从而提高材料的性能。

中国学者綦秀玲：磁场及焊后热处理对AZ91镁合金焊接接头组织和性能影响，通过在焊接基板底部放置电磁线圈，在焊接过程对焊缝金属施加交变磁场，加剧了熔池的流动作用，细化了AZ91镁合金中α-Mg相，提升了焊接接头的性能。但是其底部磁场位置，在增材制造过程中磁场大小会随增材层数的上升而减小，无法使得磁场均匀作用于每层熔池，同时固定的磁场限制了增材工件的尺寸，无法制备大尺寸工件。

专利CN111299578报道了一种电磁辅助直接激光沉积镍基高温合金-钛合金功能梯度材料的方法，利用激光粉末增材技术制备了镍基高温合金-钛合金功能梯度材料。但该方法使用粉末送料，工件的熔覆率小，无法实现大尺寸工件的高效制备，具有一定的局限性。

专利CN110293285报道了一种氧元素原位强化的梯度钛合金TIG电弧增材制造方法，利用TIG电弧增材的方式制备梯度化钛合金。但是忽略了电磁外场对增材工件的增益作用，无法抑制树枝晶的粗化。同时忽略了保护气对成型的高温工件氧化的抑制作用，具有一定的应用局限性。

发明内容

为了实现镍基高温合金-低合金高强钢功能梯度材料的制备，提高电弧增材镍基高温合金-低合金高强钢功能梯度材料凝固过程中的形核率，细化晶粒，解决组织粗大化导致性能降低的问题，本发明提供了一种电磁搅拌TIG电弧增材制造镍基高温合金-低合金高强钢功能梯度材料的方法及装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

镍基合金-低合金高强钢功能梯度材料的制造方法，包括以下具体步骤：

⑴将表面打磨平整的待加工镍基高温合金基板固定于工作台上；

⑵将气体保护罩安装于TIG焊枪头上，并连接高纯氩气瓶；

⑶将电磁搅拌线圈固定在TIG焊枪头上，工件制备过程中通过励磁电源调节电磁场参数；

⑷设置送丝机构a和送丝机构b的送丝角度及送丝速度，送丝机构a、送丝机构b均将焊丝送至工作台上放置的待加工镍基高温合金基板的上方；

⑸打开高纯氩气瓶，提供保护氩气，控制气体流量，通过控制TIG焊机参数，控制焊接速度及焊接电流；

⑹成型结束后，依次关闭励磁电源、TIG焊机、送丝机构a、送丝机构b和高纯氩气瓶。

进一步的，所述电磁搅拌线圈底端距离焊枪头底端5-10mm。

进一步的，所述电磁搅拌线圈工作时磁场强度设定为0-50mT，磁场频率设定为0-10Hz。

进一步的，所述步骤⑷中，控制送丝机构a和送丝机构b在焊枪起弧后1-2s开始送丝，防止电流通过焊丝通入送丝机构；工件制备过程中送丝机构b送出焊丝位于上层，且送丝速度大于送丝机构a的送丝速度，送丝机构a送出的焊丝处于下层。

作为优选，所述送丝机构a和送丝机构b的送丝速度以两送丝机构总送丝速度10％为变量改变两种焊丝送丝速度的比例，所述送丝机构b的送丝速度快于送丝机构a的送丝速度。

作为优选，所述送丝机构a的送丝角度为15°-30°，所述送丝机构b的送丝角度为35°-45°，且送丝机构a和送丝机构b的焊丝交点处于TIG焊枪头正下方。

进一步的，所述气体保护罩中的气流量控制为15-30L/min。

进一步的，所述TIG焊机采用的电流为130-145A，焊机速度为1-2m/min。

进一步的，送丝机构a送出的焊丝为低合金高强钢焊丝或镍基高温合金焊丝，送丝机构b送出的焊丝为镍基高温合金焊丝或低合金高强钢焊丝。

本发明还提供了一种镍基合金-低合金高强钢功能梯度材料的制造装置，包括独立设置的工作台、TIG焊机、送丝机构a、送丝机构b，还包括高纯氩气瓶，高纯氩气瓶通过管道连接有气体保护罩，气体保护罩安装在TIG焊机的TIG焊枪头上，TIG焊枪头上还夹装固定有电磁搅拌线圈，电磁搅拌线圈与励磁电源电连接，送丝机构a、送丝机构b均将焊丝送至工作台上放置的待加工合金基板的上方。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：在应用直接电弧增材技术的基础上，附加了电磁搅拌装置和气体保护装置，用于电磁搅拌的电磁线圈随焊枪移动，相比于在基板底部添加电磁场，无工件尺寸限制；通过施加交变磁场，方向变化的洛伦兹力作用于熔池，增加形核率，抑制粗大柱状枝晶的生长，起到细化晶粒的作用，从而提高材料的力学性能；气体保护装置能够在一定空间内降低增材过程中高温工件与空气的接触，减小工件的氧化。

附图说明

图1为本发明一实施例的电磁搅拌TIG电弧增材制造功能梯度材料的装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例的电磁搅拌TIG电弧增材镍基高温合金-低合金高强钢不同梯度区合金元素统计图；

图3为本发明一实施例的电磁搅拌TIG电弧增材镍基高温合金-低合金高强钢不同梯度区显微组织图，图(a)至图(k)分别为镍合金与低合金高强钢比例为0：10至10：0；

图4为本发明一实施例中未加电磁搅拌和气体保护的TIG电弧增材镍基高温合金显微组织图；

图中标记：1-送丝机构a，2-送丝机构b，3-TIG焊机，4-工作台，5-镍基高温合金基板，6-高纯氩气瓶，7-气体保护罩，8-励磁电源，9-电磁搅拌线圈，10-TIG焊枪头。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

请参阅附图1所示，本实施例提供了一种电磁搅拌TIG电弧增材制造功能梯度材料的方法，是利用实施例1的装置进行镍基高温合金-低合金高强钢功能梯度材料的加工，具体步骤为：

⑴将表面打磨平整的待加工镍基高温合金基板固定于工作台上；

⑵将气体保护罩安装于TIG焊枪头上，并连接高纯氩气瓶；

⑶将电磁搅拌线圈固定在TIG焊枪头上，电磁搅拌线圈9底端距离焊枪头底端8mm，工件制备过程中通过励磁电源调节电磁场参数；磁场大小在30mT，磁场频率在3Hz；

⑷设置送丝机构a和送丝机构b的送丝角度及送丝速度，送丝机构a、送丝机构b均将焊丝送至工作台上放置的待加工镍基高温合金基板的上方；

⑸打开高纯氩气瓶，提供保护氩气，控制气体流量为20L/min，通过控制TIG焊机参数，控制焊接速度及焊接电流；控制焊接速度为1.5m/min，焊接电流初始为135A，在制备至高温镍基合金占比小于低合金钢占比时，设置焊接电流为130A。

⑹成型结束后，依次关闭励磁电源、TIG焊机、送丝机构a、送丝机构b和高纯氩气瓶。

本实施例中，送丝机构a的送丝角度为20°,送丝机构b的送丝角度为40°，且送丝机构a和送丝机构b的焊丝交点处于TIG焊枪头正下方；焊丝采用镍基高温合金焊丝和低合金高强钢焊丝。

试验例

对本发明实施例1的方法制备的镍基高温合金-低合金高强钢功能梯度材料进行不同梯度区合金元素统计分析及不同梯度区显微组织检测。

从图2可以得出，本方法在合金元素成分分布方面实现了梯度化制备，送丝机构a送出的焊丝为低合金高强钢焊丝，送丝机构b送出的焊丝为镍基高温合金焊丝，送丝比例按0:10,1:9,2:8,3:7,4:6,5:5,6:4,7:3,8:2,9:1,10:0方式改变，且加工过程中保证送丝速度快的焊丝在上层；结果表明，在各层镍基高温合金和低合金高强钢的配比区域呈现出梯度化的合金元素含量分布；结合图3可以得出，本方法制备的镍基高温合金-低合金高强钢功能梯度材料在显微组织上呈现出从柱状晶向等轴晶的梯度分布，说明了本方法能够实现制备组织结构梯度化的功能材料。通过图3与图4的对比，能够反映本方法制备的梯度材料柱状晶区域的显微组织具有更细化的晶粒和更小的枝晶间距。

因此，综合以上实验结果，本发明提供的电磁搅拌TIG电弧增材制造镍基高温合金-低合金高强钢功能梯度材料的方法能够成功制备镍基高温合金-低合金高强钢功能梯度材料，并有效地细化组织结构，具有更好的应用前景。

实施例2

本实施例提供的镍基合金-低合金高强钢功能梯度材料的制造装置，包括独立设置的工作台、TIG焊机、送丝机构a、送丝机构b，还包括高纯氩气瓶，高纯氩气瓶通过管道连接有气体保护罩，气体保护罩安装在TIG焊机的TIG焊枪头上，TIG焊枪头上还夹装固定有电磁搅拌线圈，电磁搅拌线圈与励磁电源电连接，送丝机构a、送丝机构b均将焊丝送至工作台上放置的待加工合金基板的上方。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。