一種利用氮弧和氮化物3d打印高氮鋼制品的裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于快速成形技術領域，具體設及一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制 品的裝置及其方法，適用于高氮鋼材料的增材制造、焊接和零件修復。
【背景技術】
[0002] 高氮鋼中的間隙元素氮與其他合金元素(111、吐、1〇、￥、師和1'1等）協調作用，能改 善鋼的強度、初性、蠕變抗力、耐磨性能、耐腐蝕性能等。但是氮在大氣壓下氮溶解度非常 低，加入很困難，由于加入量少，其有利影響不太明顯，高氮鋼的普遍生產方式是加壓冶煉， 需要特殊的生產設備，產量受限且成本高。另外，高氮鋼的加工性能惡化，加工硬化情況嚴 重，對加工刀具的設計、質量W及工藝參數控制要求嚴格。兩方面因素結合使得高氮鋼的應 用受到限制。
[0003] 電弧3D打印技術，即電弧送絲增材制造技術，是利用電弧堆焊原理將金屬絲材烙 化，在計算機的控制下直接制造全密度Ξ維金屬零件的工藝方法。與鑄造技術和機械加工 方法等傳統方法相比，電弧送絲增材制造技術的工序簡化、材料利用率提高、生產成本降 低、機械加工難度低，同時可W控制零件中的宏觀缺陷W及成分偏析，后續加工工序簡化， 適用于新型產品快速研制W及批量生產。
[0004] 現有的電弧3D打印技術一般包括：同軸或旁軸送絲電弧3D打印和送粉電弧3D打 印，沒有絲粉同軸添加，且添粉時粉末不能旋轉。激光3D打印技術中有采用絲粉同步送進的 方式，但是沒有實現絲粉同軸送進，且焊縫成分的均勻性不好。
[0005] 中國專利（200710141482.2)公開了一種基于氣弧焊的烙覆裝置，其采用的是同軸 送粉方式，所獲得的烙覆層的稀釋率高，一般約5%~10%，其烙覆層面積大，用于3D打印工 藝時，則不能實現打印制品尺寸的精確控制。中國專利(201210250419.3)公開了一種高氮 鋼的雙層氣流保護TIG焊接方法，其采用了雙層氮氣保護，但是其增氮效果差，且不能送絲 添粉。中國專利(94240533.1)公開了一種氣體旋轉式油漆噴槍，其氣管的內表面僮有螺紋 旋線，使霧狀油漆形成定向作用，使其散射面變小，但實用新型專利實則是在管狀結構內壁 僮螺紋旋線，其對氣粉流的流向限制作用較差。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置，
[0007] 本發明一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的方法的技術方案為：
[000引一種采用氮弧和氮化物原位冶金實現鋼表面增氮的裝置，其主要包括：
[0009] 一烙化極氣體保護焊槍；
[0010] -氣粉同軸傳送裝置內設有與烙化極氣體保護焊槍同軸的螺旋氣粉罩，同軸螺旋 氣粉罩內開有與烙化極氣體保護焊槍緊固連接的螺紋;氣粉同軸傳送裝置內、螺旋氣粉罩 外設有與螺旋氣粉罩外壁相切的送粉送氣通道;送粉送氣通道分別開有送氣口與送粉口； 所述的螺旋氣粉罩的內壁開有螺旋氣粉槽；
[0011] 如上所述的螺旋氣粉槽在螺旋氣粉罩的，其結構可為變螺線-變螺距-變截面結 構，所述的螺旋氣粉槽為半圓槽，槽直徑為2mm~7mm，自頂而下梯度減小；螺旋升角在0°~ 60°區間自頂而下梯度減小，所述的螺旋氣粉罩采用耐熱材料SiC陶瓷制造。
[0012] 如上所述的送粉口和送氣口上分別裝有送粉調速器和氣體流量計。
[0013] 如上所述的螺旋氣粉罩的氣粉出口呈縮頸狀，且縮頸面的延長線指向電弧中屯、。
[0014] 如上所述的烙化極氣體保護焊槍噴嘴用耐熱材料SiC陶瓷制造，所述的烙化極氣 體保護焊槍，其外側上部加工的螺紋長度至少為其直徑的兩倍。
[0015] 如上所述的一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的方法，其方法具體步驟如 下：
[0016] 步驟1，通過目標高氮鋼制品的目標合金成分，確定鐵元素含量WFe%;選擇低碳鋼 焊絲作為送絲原料；
[0017] 根據目標高氮鋼制品的目標合金成分，確定所需的作為送粉原料的合金粉末中合 金元素 i的含量Wif %比，經修正關系式Wif修正％ a Wif % X (1+μL+ξ)修正后得到粉末中合金 元素 i含量的修正值Wif修正％ ;其中μL為燒損系數，μL = 0.2%~5%，ξ為散射飛瓣損失系數， ξ = 2 %~8 % ;送粉原料的合金粉末中的合金元素不為鐵；
[0018] 步驟2,根據目標高氮鋼中合金元素 i的含量Wi %與鐵元素含量的關系式
得到所有合金元素與鐵元素的成分比0:0，確定送入烙池的送粉原料 的質量與送絲原料的質量比0:0，設進入烙池中的原料粉末質量mm=VfX At,進入烙池的 送絲原料的質量
其中Vf為添粉速率，單位為g/min; Vs為送絲速率，單 位為m/min; d為焊絲直徑，單位為m; P為焊絲密度，單位為g/m3; Δ t為時間，單位為min;
[0019] 步驟3,根據公式
確定送粉速率Vf與送 絲速率Vs參數匹配關系
，得簡化公式Vf:化X Vs)= 曰:β;
[0020] 步驟4,選取送絲送率Vs為1.5m/min~12m/min;根據公式Vf:化XVs)=a:0，得出 送粉速率Vf;
[0021] 步驟5,啟動氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置，在氣粉同軸傳送裝置上調節 送粉速率為Vf、送氣速率為V氣1，調節烙化極氣體保護焊槍的送絲速率為Vs，保護氣速率為 ，進行焊接；
[0022] 步驟6,根據目標高氮鋼制品形狀尺寸確定3D打印路線，W焊接速率V進行堆焊，每 一層堆焊完時，將焊槍提高一個層厚，重復堆焊過程最終獲得高氮鋼制品。
[0023] 優選的，氣粉同軸傳送裝置上的送氣速率V氣1與焊槍保護氣速率V氣2滿足V氣1 3 V氣2 =15 ~40L/min。
[0024] 優選的，焊接速率V為3~16mm/s。
[0025] 本發明與現有技術相比具有如下顯著優點：
[0026] (1)采用氮化物合金粉末與焊絲同步同軸添粉送絲的方式，實現了在常壓下氣-粉-絲Ξ項同步同軸電弧3D打印高氮鋼；
[0027] (2)添加的氮化物合金粉末會在焊槍口形成旋轉氣粉流，有利于氮化物合金粉末 與焊絲端部的烙滴和烙池充分冶金烙煉，同時保證氮化物合金粉末準確送至烙池中，而減 少散射和飛瓣帶來的損失，所得的高氮鋼制品成分均勻；
[00%] (3)通過調節氮化物合金粉末的合金成分及添粉送絲的參數匹配，可W3D打印出 不同含氮量的高氮鋼制品；
[0029] (4)氮弧與傳送氮化物合金粉末的氮氣協調作用，有助于氮分壓的提高，有效控制 了烙池中已烙入氮的逸出，增氮效果提高幅度大；
[0030] (5)與直接用高氮鋼粉末3D打印高氮鋼方法相比，本發明所用的普通鋼焊絲加適 量的氮化物合金粉末3D打印出高氮鋼制品的方法，避免了將高氮鋼加工成粉末難的問題， 工藝簡化、成本降低。
【附圖說明】
[0031] 圖1為利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品裝置結構示意圖，
[0032] 圖2為同軸氣粉罩的縱向剖視圖；
[0033] 圖3為利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品裝置的A-A截面剖視圖。
[0034] 其中，1為送氣通道，2為送粉通道，3為螺旋氣粉罩，4為螺旋氣粉槽，5為烙化極氣 體保護焊槍。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖和具體實施例對本發明所述的一種利用氮弧和氮化物3D打印高氮 鋼制品的裝置及其方法作進一步描述。
[0036] -種利用氮弧和氮化物3D打印高氮鋼制品的裝置，該裝置包括一烙化極氣體保護 焊槍5;
[0037] -氣粉同軸傳送裝置，其內設有與烙化極氣體保護焊槍5同軸的螺旋氣粉罩3,螺 旋氣粉罩3內開有與烙化極氣體保護焊槍5緊固連接的螺紋；
[0038] 氣粉同軸傳送裝置內、螺旋氣粉罩3外設有與螺旋氣粉罩3外壁相切的送粉送氣通 道