[发明专利]一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置

说明书

本发明提供了一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置及其方法，实现了常压下采用氮弧送丝增材制造的方法进行设定层高氮钢的堆焊成形，同时利用氮气送粉向熔池中添加氮化物合金粉末。同轴螺旋气粉罩内壁镗有螺旋气粉槽，氮化物合金粉末在焊枪口形成旋转气粉流，减小了氮化物合金粉末流出枪口时散射造成的损失，同时保证了氮化物合金粉末与焊丝端部的熔滴充分冶金熔炼后进入熔池。通过控制3D打印的参数匹配，可获得不同氮含量的高氮钢打印层。采用氮化物合金粉末与焊丝同步同轴添粉送丝的方式，实现在常压下利用普通钢焊丝‑氮化物合金粉末‑氮弧复合技术3D打印高氮钢制品。

技术领域

本发明属于快速成形技术领域，具体涉及一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置及其方法，适用于高氮钢材料的增材制造、焊接和零件修复。

背景技术

高氮钢中的间隙元素氮与其他合金元素(Mn、Cr、Mo、V、Nb和Ti等)协调作用，能改善钢的强度、韧性、蠕变抗力、耐磨性能、耐腐蚀性能等。但是氮在大气压下氮溶解度非常低，加入很困难，由于加入量少，其有利影响不太明显，高氮钢的普遍生产方式是加压冶炼，需要特殊的生产设备，产量受限且成本高。另外，高氮钢的加工性能恶化，加工硬化情况严重，对加工刀具的设计、质量以及工艺参数控制要求严格。两方面因素结合使得高氮钢的应用受到限制。

电弧3D打印技术，即电弧送丝增材制造技术，是利用电弧堆焊原理将金属丝材熔化，在计算机的控制下直接制造全密度三维金属零件的工艺方法。与铸造技术和机械加工方法等传统方法相比，电弧送丝增材制造技术的工序简化、材料利用率提高、生产成本降低、机械加工难度低，同时可以控制零件中的宏观缺陷以及成分偏析，后续加工工序简化，适用于新型产品快速研制以及批量生产。

现有的电弧3D打印技术一般包括：同轴或旁轴送丝电弧3D打印和送粉电弧3D打印，没有丝粉同轴添加，且添粉时粉末不能旋转。激光3D打印技术中有采用丝粉同步送进的方式，但是没有实现丝粉同轴送进，且焊缝成分的均匀性不好。

中国专利(200710141482.2)公开了一种基于氩弧焊的熔覆装置，其采用的是同轴送粉方式，所获得的熔覆层的稀释率高，一般约5％～10％，其熔覆层面积大，用于3D打印工艺时，则不能实现打印制品尺寸的精确控制。中国专利(201210250419.3)公开了一种高氮钢的双层气流保护TIG焊接方法，其采用了双层氮气保护，但是其增氮效果差，且不能送丝添粉。中国专利(94240533.1)公开了一种气体旋转式油漆喷枪，其气管的内表面镗有螺纹旋线，使雾状油漆形成定向作用，使其散射面变小，但实用新型专利实则是在管状结构内壁镗螺纹旋线，其对气粉流的流向限制作用较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，

本发明一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的方法的技术方案为：

一种采用氮弧和氮化物原位冶金实现钢表面增氮的装置，其主要包括：

一熔化极气体保护焊枪；

一气粉同轴传送装置内设有与熔化极气体保护焊枪同轴的螺旋气粉罩，同轴螺旋气粉罩内开有与熔化极气体保护焊枪紧固连接的螺纹；气粉同轴传送装置内、螺旋气粉罩外设有与螺旋气粉罩外壁相切的送粉送气通道；送粉送气通道分别开有送气口与送粉口；所述的螺旋气粉罩的内壁开有螺旋气粉槽；

如上所述的螺旋气粉槽在螺旋气粉罩的，其结构可为变螺线-变螺距-变截面结构，所述的螺旋气粉槽为半圆槽，槽直径为2mm～7mm，自顶而下梯度减小；螺旋升角在0°～60°区间自顶而下梯度减小，所述的螺旋气粉罩采用耐热材料SiC陶瓷制造。

如上所述的送粉口和送气口上分别装有送粉调速器和气体流量计。

如上所述的螺旋气粉罩的气粉出口呈缩颈状，且缩颈面的延长线指向电弧中心。