[发明专利]一种耐磨钛合金零件及其电子束熔丝增材制造方法

说明书

本发明涉及一种耐磨钛合金零件及其电子束熔丝增材制造方法，涉及增材制造技术领域，能够实现零件本体、过渡区以及表面耐磨涂层的一体化制造，减少制造工序、缩短制造周期、降低成本；该方法包括：S1、将丝状的零件主体材料和耐磨涂层材料分别装入对应的送丝机构中；S2、建立一体化成型三维模型，并规划成形路径及参数建立工艺模型；S3、将零件主体材料送进真空环境中，通过电子束熔丝制备零件主体结构；S4、将零件主体材料和耐磨涂层材料同时送入真空环境中，通过电子束熔丝在主体结构表面制备过渡区；S5、将耐磨涂层材料送进真空环境中，通过电子束熔丝在过渡区表面制备耐磨涂层；S6、整个零件制备完成后，冷却并取出。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种耐磨钛合金零件及其电 子束熔丝增材制造方法。

背景技术

钛合金具有比强度高、耐腐蚀、生物相容性好等优点，被广泛应用于 航空航天、汽车、船舶和生物医药等领域，但由于其表面硬度较低、摩擦 磨损性能较差，限制了其在高载荷运动摩擦副等工况中的应用。许多学者 对如何提高钛合金的耐磨性能进行研究，目前主要通过后续的表面处理技 术来提高钛合金零件表层的耐磨性。

电子束增材制造技术是一种通过高能束热源将原材料熔化并快速凝 固，逐层沉积直接成形零件的先进制造方法。其中，电子束熔丝增材制造 作为一种定向能量沉积增材制造技术，具有功率大、能量利用率高、材料 利用率高、制造周期短等优势。电子束熔丝工艺的工作环境为真空室，在 提高零件成形质量的同时也限制了原材料的形式，不适用于粉末材料的送 进。

现有技术1公开了一种钛合金激光增材修复与表面渗氮复合处理工 艺。首先，对钛合金零件表面进行前处理，再对修复钛合金表面进行后处 理，恢复钛合金尺寸及精度，再将钛合金进行渗氮处理，最后进行热处理， 获得高质量的钛合金修复与表面改性试样。该发明先通过激光增材工艺修 复钛合金零件恢复尺寸，然后再通过表面渗氮处理对钛合金修复件进行表 面强化，开展的工序较多，周期较长，且表面耐磨层厚度难控制。

现有技术2公开了一种油田钻杆表面耐磨层及其制备方法。以包覆型WC-Co金属基陶瓷复合粉末作为熔覆材料，以钛合金为基体，将包覆型 WC-Co金属基陶瓷复合粉末作为熔覆材料置于送粉器内，利用同步送粉 方式在钛合金基体上进行搭接扫描熔覆，得到具有耐磨层的钛合金，具有 高能量密度的激光束使得基体表层与熔覆材料同时融化，并快速凝固形成 耐磨性优异的熔覆层。该发明需要先对钛合金基体进行表面处理后再通过 激光熔覆方法进行耐磨层的制备，制造周期较长，耐磨层与基体存在明显 界面。

现有技术3提供了一种基于激光增材制造的具有梯度耐磨涂层的模 具的制备方法。提供待加工的模具及成型粉末，并将成型粉末分别转移至 送粉器进行预加热、保温，所述成型粉末包括与所述模具材料一致或组成 接近的粉末A、强化粉末B及至少一种由粉末A与强化粉末B组成的混 合粉末C；制定加工程序，并依据加工程序将粉末A、混合粉末C、强化粉末B依次逐层熔化沉积在模具表面；将上述完成激光加工的模具进行 热处理后再机加工至目标尺寸，得到成品模具。采用该制备方法，通过混 合粉末C形成的过渡层减少多层激光增材加工过程中可能产生的结构缺 陷，能够制得耐磨性能好且不易剥落的耐磨涂层的模具，解决现有模具寿 命短，表面强化工艺复杂的难题。该发明需要预先将粉末按不同比例进行 多次混合，然后再将不同比例混合的粉末依次逐层熔化沉积在模具表面， 需要开展的工序较多。

现有技术4提供了一种钛及钛合金表面使用热喷涂制备高硬度复合 组织层的方法。在钛及钛合金表面用100～200目的不规则石英砂粒做喷砂 表面处理，高压风清理干净后，使用热喷涂法中的超音速等离子喷涂法， 用N2等作为保护气体，将200～400目的不规则纯钛粉末喷涂在处理后的 表面上。喷涂后经过表面处理得到关键特征钛表面，此钛表面得到强化并 呈现出粗糙度均匀的光滑表面。此表面由钛和钛的氮化物以及氧化物组成，外观呈不规则的明暗交替的麻纹状分布。经测试此表面的维氏硬度可达到 1000HV以上。该发明通过超音速等离子喷涂法制备钛合金表面高硬度层， 该方法需要先进行表面处理，再通过超音速等离子设备进行喷涂，工序较 多，设备及耗材成本较高。