一种利用氮弧和氮化物3d打印高氮钢制品的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于快速成形技术领域，具体设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】
[0002] 高氮钢中的间隙元素氮与其他合金元素(111、吐、1〇、￥、师和1'1等）协调作用，能改 善钢的强度、初性、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W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。
[0003] 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烙 化，在计算机的控制下直接制造全密度Ξ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W控制零件中的宏观缺陷W及成分偏析，后续加工工序简化， 适用于新型产品快速研制W及批量生产。
[0004] 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。
[0005] 中国专利（200710141482.2)公开了一种基于氣弧焊的烙覆装置，其采用的是同轴 送粉方式，所获得的烙覆层的稀释率高，一般约5%~10%，其烙覆层面积大，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，其气管的内表面僮有螺纹 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 僮螺纹旋线，其对气粉流的流向限制作用较差。
【发明内容】
[0006] 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，
[0007] 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：
[000引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：
[0009] 一烙化极气体保护焊枪；
[0010] -气粉同轴传送装置内设有与烙化极气体保护焊枪同轴的螺旋气粉罩，同轴螺旋 气粉罩内开有与烙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；
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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屯、。
[0014] 如上所述的烙化极气体保护焊枪喷嘴用耐热材料SiC陶瓷制造，所述的烙化极气 体保护焊枪，其外侧上部加工的螺纹长度至少为其直径的两倍。
[0015] 如上所述的一种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的方法，其方法具体步骤如 下：
[0016] 步骤1，通过目标高氮钢制品的目标合金成分，确定铁元素含量WFe%;选择低碳钢 焊丝作为送丝原料；
[0017] 根据目标高氮钢制品的目标合金成分，确定所需的作为送粉原料的合金粉末中合 金元素 i的含量Wif %比，经修正关系式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为烧损系数，μL = 0.2%~5%，ξ为散射飞瓣损失系数， ξ = 2 %~8 % ;送粉原料的合金粉末中的合金元素不为铁；
[0018] 步骤2,根据目标高氮钢中合金元素 i的含量Wi %与铁元素含量的关系式
得到所有合金元素与铁元素的成分比0:0，确定送入烙池的送粉原料 的质量与送丝原料的质量比0:0，设进入烙池中的原料粉末质量mm=VfX At,进入烙池的 送丝原料的质量
其中Vf为添粉速率，单位为g/min; Vs为送丝速率，单 位为m/min; d为焊丝直径，单位为m; P为焊丝密度，单位为g/m3; Δ t为时间，单位为min;
[0019] 步骤3,根据公式
确定送粉速率Vf与送 丝速率Vs参数匹配关系
，得简化公式Vf:化X Vs)= 曰:β;
[0020] 步骤4,选取送丝送率Vs为1.5m/min~12m/min;根据公式Vf:化XVs)=a:0，得出 送粉速率Vf;
[0021] 步骤5,启动氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，在气粉同轴传送装置上调节 送粉速率为Vf、送气速率为V气1，调节烙化极气体保护焊枪的送丝速率为Vs，保护气速率为 ，进行焊接；
[0022] 步骤6,根据目标高氮钢制品形状尺寸确定3D打印路线，W焊接速率V进行堆焊，每 一层堆焊完时，将焊枪提高一个层厚，重复堆焊过程最终获得高氮钢制品。
[0023] 优选的，气粉同轴传送装置上的送气速率V气1与焊枪保护气速率V气2满足V气1 3 V气2 =15 ~40L/min。
[0024] 优选的，焊接速率V为3~16mm/s。
[0025] 本发明与现有技术相比具有如下显著优点：
[0026] (1)采用氮化物合金粉末与焊丝同步同轴添粉送丝的方式，实现了在常压下气-粉-丝Ξ项同步同轴电弧3D打印高氮钢；
[0027] (2)添加的氮化物合金粉末会在焊枪口形成旋转气粉流，有利于氮化物合金粉末 与焊丝端部的烙滴和烙池充分冶金烙炼，同时保证氮化物合金粉末准确送至烙池中，而减 少散射和飞瓣带来的损失，所得的高氮钢制品成分均匀；
[00%] (3)通过调节氮化物合金粉末的合金成分及添粉送丝的参数匹配，可W3D打印出 不同含氮量的高氮钢制品；
[0029] (4)氮弧与传送氮化物合金粉末的氮气协调作用，有助于氮分压的提高，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)与直接用高氮钢粉末3D打印高氮钢方法相比，本发明所用的普通钢焊丝加适 量的氮化物合金粉末3D打印出高氮钢制品的方法，避免了将高氮钢加工成粉末难的问题， 工艺简化、成本降低。
【附图说明】
[0031] 图1为利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品装置结构示意图，
[0032] 图2为同轴气粉罩的纵向剖视图；
[0033] 图3为利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品装置的A-A截面剖视图。
[0034] 其中，1为送气通道，2为送粉通道，3为螺旋气粉罩，4为螺旋气粉槽，5为烙化极气 体保护焊枪。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图和具体实施例对本发明所述的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作进一步描述。
[0036] -种利用氮弧和氮化物3D打印高氮钢制品的装置，该装置包括一烙化极气体保护 焊枪5;
[0037] -气粉同轴传送装置，其内设有与烙化极气体保护焊枪5同轴的螺旋气粉罩3,螺 旋气粉罩3内开有与烙化极气体保护焊枪5紧固连接的螺纹；
[0038] 气粉同轴传送装置内、螺旋气粉罩3外设有与螺旋气粉罩3外壁相切的送粉送气通 道