本發(fā)明屬于激光快速成形
技術(shù)領(lǐng)域：
。特別涉及一種穿孔頂尖激光3d打印再制造方法。尤其涉及一種高強(qiáng)長(zhǎng)壽命穿孔頂尖激光3d打印再制造方法。
背景技術(shù)：
：作為工業(yè)4.0最受矚目的技術(shù)之一，3d打印在全球范圍內(nèi)的發(fā)展速度“突飛猛進(jìn)”。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)3d打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用更是空前關(guān)注，尤其是2016年初科技部在《中國(guó)制造2025》基礎(chǔ)上宣布啟動(dòng)實(shí)施增材制造和激光制造重點(diǎn)專項(xiàng)后，金屬激光3d打印技術(shù)和再制造技術(shù)在復(fù)雜冶金零部件的制造和再制造應(yīng)用上持續(xù)升溫，對(duì)于一些傳統(tǒng)制造方法難于制造和修復(fù)的零部件可進(jìn)行功能梯度設(shè)計(jì)，起到表面改性目的，顯著提高工件的使用壽命，降低生產(chǎn)成本，具有極大的市場(chǎng)前景。鋼管生產(chǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，世界各國(guó)都十分重視鋼管生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。斜軋穿孔是熱軋無(wú)縫鋼管生產(chǎn)中最重要的成形工序，它的任務(wù)是將實(shí)心的坯料穿成空心的毛管。而穿孔頂尖(見(jiàn)圖1)則是無(wú)縫鋼管生產(chǎn)中消耗量最大的關(guān)鍵工具之一。它的質(zhì)量好壞和壽命高低直接影響鋼管生產(chǎn)的效率和鋼管的質(zhì)量。由于穿孔頂尖的工作條件相當(dāng)惡劣(經(jīng)常受到高溫高壓、急冷急熱，并經(jīng)受高周次機(jī)械疲勞和熱疲勞)，極易造成頂尖鼻部塌陷、表面開(kāi)裂、尾部起堆等失效形式而損壞，使得它的使用壽命不長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了鋼管的生產(chǎn)效率和鋼管的質(zhì)量，是熱軋無(wú)縫鋼管生產(chǎn)中急需解決的問(wèn)題。據(jù)了解，一般材質(zhì)頂尖穿普通鋼管，壽命不超過(guò)300支，穿合金鋼管時(shí)，壽命不超過(guò)100支，有的只穿幾支。因此，為了提高穿孔頂尖的使用壽命，國(guó)內(nèi)外不少高校、研究院所、企業(yè)對(duì)穿孔頂尖進(jìn)行了研究。1、改進(jìn)穿孔頂尖形狀以及制備工藝，目前趨于成熟；2、研究頂尖新材質(zhì)，①選擇淬透性高、熱強(qiáng)性能好的4cr5mosiv鋼做穿孔頂尖，壽命比傳統(tǒng)材質(zhì)3cr2w8v提高一倍以上；②選擇20crni8作為穿孔頂尖的新材質(zhì)，頂尖消耗有明顯下降趨勢(shì)，且鋼管內(nèi)表面光亮；③選擇mo合金頂尖，雖然使用壽命可顯著提高，但成本高昂；3、頂尖熱處理、氧化工藝，頂尖氧化膜在穿孔時(shí)可以起到隔熱、潤(rùn)滑的作用，有利于壽命的提高；4、復(fù)合涂層制造，是目前研究的熱點(diǎn)。它是以模具鋼作為頂尖基體，在鼻部外表面堆焊一層抗氧化mo基或co基硬化合金層，使鼻部與鋼基體之間形成冶金結(jié)合，構(gòu)成復(fù)合頂尖，平均壽命可提高3-5倍，軋制每千噸鋼管耗頂頭損耗降至1.5t。但是，由于堆焊熔合區(qū)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)延伸性下降的脆性交界面，受沖擊載荷作用時(shí)可能產(chǎn)生堆焊層剝離現(xiàn)象。在高溫條件下工作時(shí)，可能會(huì)發(fā)生碳遷移現(xiàn)象，導(dǎo)致高溫強(qiáng)度和抗腐蝕能力降低。若基材與堆焊層熱膨脹系數(shù)差別較大時(shí)，在焊接、焊后熱處理、或使用過(guò)程中，可能發(fā)生裂紋。另外，由于堆焊工藝本身特點(diǎn)的要求，往往采用預(yù)熱、緩冷、多層焊工藝，反復(fù)熱循環(huán)將引起堆焊層化學(xué)成分和金相組織的變化，造成組織和成分的不均勻分布。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)長(zhǎng)壽命穿孔頂尖激光3d打印再制造方法，解決了復(fù)合涂層制造堆焊層容易剝離及組織和成分的不均勻的問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了熔覆層梯度功能設(shè)計(jì)，底層與基體浸潤(rùn)性好、結(jié)合強(qiáng)度高，表層硬度高、抗沖刷、耐磨損和耐腐蝕，綜合性能優(yōu)越，顯著提高了頂尖使用壽命。一種高強(qiáng)長(zhǎng)壽命穿孔頂尖激光3d打印再制造方法，具體步驟及參數(shù)如下：1、在頂尖尾部任意點(diǎn)選取起熔點(diǎn)，開(kāi)始激光3d打印熔覆第一層第一道圓環(huán)的熔覆，第一道圓環(huán)的外側(cè)要與頂尖尾部外側(cè)對(duì)齊；2、完成第一層第一道圓環(huán)的激光3d打印熔覆后，激光光斑沿第一道圓環(huán)內(nèi)側(cè)向頂尖鼻部一側(cè)移動(dòng)1.5～2.0mm，開(kāi)始第一層第二道圓環(huán)的激光熔覆，熔覆方向與熔覆第一層第一道圓環(huán)的熔覆方向一致；3、完成第一層第二道圓環(huán)激光3d打印熔覆后，重復(fù)步驟2，再完成若干道圓環(huán)熔覆直至頂尖鼻部，使得頂尖表面全覆蓋，過(guò)程中每道激光熔覆方向一致；由這些道圓環(huán)組成第一層熔覆層；之后進(jìn)行機(jī)加工使其表面光潔、光滑；4、將激光頭的高度升高1～2mm，在頂尖鼻部選取任意起熔點(diǎn)，開(kāi)始熔覆第二層第一道圓環(huán)的激光3d打印熔覆，熔覆方向與第一層熔覆層方向一致，且第一道圓環(huán)的外側(cè)要與頂尖鼻部外側(cè)對(duì)齊；5、完成第二層第一道圓環(huán)激光3d打印熔覆后，激光光斑沿第一道圓環(huán)內(nèi)側(cè)向頂尖尾部一側(cè)移動(dòng)1.5～2.0mm，開(kāi)始熔覆第二層第二道圓環(huán)的激光熔覆，熔覆方向與之前一致；6、完成熔覆第二層第二道圓環(huán)激光3d打印熔覆后，重復(fù)步驟5，再完成若干道圓環(huán)熔覆直至頂尖尾部使之全覆蓋上第一層熔覆層，保持每道激光熔覆方向一致；由這些道圓環(huán)組成第二層熔覆層；最終由兩層激光熔覆層組成頂尖的熔覆層，總計(jì)厚度為2～3mm；之后進(jìn)行機(jī)加工使其表面光潔、光滑，使得頂尖表面光潔度滿足使用條件。頂尖材質(zhì)為20cr2ni4，常溫強(qiáng)度高，hrc40左右，但耐高溫性能較差，容易出現(xiàn)變形、開(kāi)裂。激光3d打印熔覆層功能梯度設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖2)，采用兩種熔覆材料，底層熔覆材料選擇與頂尖材質(zhì)熱膨脹系數(shù)相近的ni基金屬粉末，與基體浸潤(rùn)性好，冶金結(jié)合良好；表層熔覆材料選擇高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕的co基金屬粉末，提高使用性能。ni基材料，其化學(xué)成分重量百分比為：ni：50～60％、cr：14～18％、mo：15～20％、w：3.0～6.0％、c＜0.5％、si＜1.0％、mn＜2.0％，余量為fe及不可避免雜質(zhì)；co基材料，其化學(xué)成分重量百分比為：co：50～60％、cr：28～32％、w：6.0～10.0％、ni：2.0～4.0％、c＜2.0％、si＜1.5％、mn＜1.0％、mo＜1.0％，余量為fe及不可避免雜質(zhì)。在頂尖基體表面上激光3d打印熔覆兩層厚度為2～3mm的ni/co基合金層，使其具有高的耐蝕耐磨性。步驟1～6所使用的激光3d打印熔覆參數(shù)一致；激光熔覆參數(shù)為：激光功率：3000～4000kw，掃描速度：8～12mm/s，光斑直徑：φ3～5mm，送粉量：20～30g/min，每層厚度為：1.0～1.5mm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：基體熱影響區(qū)極小，基體溫升不超過(guò)80℃，組織致密，晶粒細(xì)?。蝗鄹矊优c基體冶金結(jié)合良好，頂尖高溫性能優(yōu)異，800℃時(shí)強(qiáng)度達(dá)500mpa，使用壽命顯著延長(zhǎng)。附圖說(shuō)明圖1為頂尖結(jié)構(gòu)示意圖。其中，δ—鼻部直徑、φ1—沉孔直徑、b—鼻部厚度、φ—內(nèi)孔開(kāi)口直徑、α—輾軋錐角、c—絲口深度、a—鼻側(cè)壁厚度、m—內(nèi)絲底徑、d—沉孔長(zhǎng)度、dh—定徑帶直徑。圖2為熔覆層梯度功能設(shè)計(jì)示意圖，其中基材1、結(jié)合層2、面層3。圖3為熔覆層內(nèi)部組織形貌金相顯微圖。圖4為界面結(jié)合處熔覆層與基體組織電鏡掃描圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例1具體步驟及參數(shù)如下：1、在頂尖尾部任意點(diǎn)選取起熔點(diǎn)，開(kāi)始激光3d打印熔覆第一層第一道圓環(huán)的熔覆，第一道圓環(huán)的外側(cè)要與頂尖尾部外側(cè)對(duì)齊；2、完成第一層第一道圓環(huán)的激光3d打印熔覆后，激光光斑沿第一道圓環(huán)內(nèi)側(cè)向頂尖鼻部一側(cè)移動(dòng)1.8mm，開(kāi)始第一層第二道圓環(huán)的激光熔覆，熔覆方向與熔覆第一層第一道圓環(huán)的熔覆方向一致；3、完成第一層第二道圓環(huán)激光3d打印熔覆后，重復(fù)步驟2，再完成110道圓環(huán)熔覆直至頂尖鼻部，使得頂尖表面全覆蓋，過(guò)程中每道激光熔覆方向一致；由這些道圓環(huán)組成第一層熔覆層；之后進(jìn)行機(jī)加工使其表面光潔、光滑；4、將激光頭的高度升高1.2mm，在頂尖鼻部選取任意起熔點(diǎn)，開(kāi)始熔覆第二層第一道圓環(huán)的激光3d打印熔覆，熔覆方向與第一熔覆層方向一致，且第一道圓環(huán)的外側(cè)要與頂尖鼻部外側(cè)對(duì)齊；5、完成第二層第一道圓環(huán)激光3d打印熔覆后，激光光斑沿第一道圓環(huán)內(nèi)側(cè)向頂尖尾部一側(cè)移動(dòng)1.8mm，開(kāi)始熔覆第二層第二道圓環(huán)的激光熔覆，熔覆方向與之前一致；6、完成熔覆第二層第二道圓環(huán)激光3d打印熔覆后，重復(fù)步驟5，再完成110道圓環(huán)熔覆直至頂尖尾部全覆蓋上第一層熔覆層，保持每道激光熔覆方向一致；由這些道圓環(huán)組成第二層熔覆層；最終由兩層激光熔覆層組成頂尖的熔覆層，總計(jì)厚度為2.4mm；之后進(jìn)行機(jī)加工使其表面光潔、光滑，滿足使用條件。頂尖材質(zhì)為20cr2ni4，激光3d打印熔覆兩層，分別為ni基層和co基層，其化學(xué)成份按重量百分比為：第一層：ni基層，其化學(xué)成分重量百分比為：ni：56.0％、cr：16.0％、mo：18.0％、w：4.0％、c：0.12％、si：0.78％、mn：1.4％、fe：3.7％；第二層：co基層，其化學(xué)成分重量百分比為：co：54.5％、cr：30.0％、w：7.5％、ni：2.5％、c：1.8％、si：1.2％、mn：0.1％、mo：0.2％、fe：4.2％。步驟1～6所使用的激光3d打印熔覆參數(shù)一致；激光熔覆參數(shù)為：激光功率：3600kw，掃描速度：10mm/s，光斑直徑：φ4mm，送粉量：20g/min，每層厚度為：1.2mm。組織觀察，見(jiàn)圖3和圖4。熔覆層組織細(xì)小、均勻；熔覆層與基材組織冶金結(jié)合良好，熔覆層枝晶組織猶如“釘子”般釘扎在基體上，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。頂尖硬度檢測(cè)，見(jiàn)表1。表1面層洛氏硬度(常溫)數(shù)量12345678平均hrc434541424344444243頂尖高溫性能，見(jiàn)表2。表2面層高溫強(qiáng)度溫度/℃5008001000強(qiáng)度/mpa750500100當(dāng)前第1頁(yè)12