一种基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料的制备工艺制造技术

本发明专利技术提供一种基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料的制备工艺，包括以下步骤：将锡基巴氏合金锭在经高低温循环脆化处理后，从导流嘴向下流出，通过限制式喷嘴和紧耦合喷嘴构成的二次层流喷射系统，在利用喷嘴喷出高压气流将金属液体雾化破碎成液滴，液滴在自由落体和离心作用下分离冷却凝固，得到锡基巴氏合金粉末；将碳素钢热处理后空气冷却，再预热后浸入锡炉中进行涂层处理，取出，用粗砂纸打磨后，经超声波清洗，氮气吹干，得到预处理的基材；将预处理的基材在激光熔覆的同时输送锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，最后经表面及边缘铣削加工，形成基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料。

Fabrication Technology of Three-dimensional Printing Composite Based on Micron Tin-based Pasteur Alloy Powder

The invention provides a preparation process of a three-dimensional printing composite material based on micron-sized tin-based pasteurized alloy powder, which includes the following steps: the tin-based pasteurized alloy ingot is treated by high-low temperature cyclic embrittlement, and flows downward from the diversion nozzle, and a secondary laminar injection system composed of a restrictive nozzle and a tightly coupled nozzle is used to improve the performance of the composite material. The metal liquid is atomized and broken into droplets by high-pressure airflow from nozzle. The droplets are separated, cooled and solidified under free falling and centrifugal action to obtain tin-based pasteurized alloy powder. The carbon steel is cooled by air after heat treatment, then preheated and immersed in tin furnace for coating treatment. The coating is removed and polished with coarse sandpaper and then cleaned by ultrasonic wave. The pretreated substrate is dried by nitrogen gas, and the tin-based pasteurized alloy powder is transported simultaneously by laser cladding. The tin-based pasteurized alloy powder is clad on the surface of the steel substrate by multi-layer and multi-channel laser cladding. Finally, the three-dimensional printing composite material based on micron tin-based pasteurized alloy powder is formed by surface and edge milling.

【技术实现步骤摘要】
一种基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料的制备工艺
本专利技术属于巴氏合金涂层
，具体涉及一种基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料的制备工艺。
技术介绍
锡基巴氏合金具有优异的耐磨性能和耐腐蚀性能，是制造流体润滑滑动轴承瓦的主要材料，随着现代化机组向大型和高速化发展，对轴瓦材料的承载能力和可靠性提出了更高的要求，而承载能力除了与材料本身的组分配比有关外，还具有结构设计有很大的关系。金属三维打印技术是以金属粉末为原料，按照设计的三维模型，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末等特殊材料进行逐层堆积黏结，在3D打印设备上加工制造出实体产品，将金属三维打印技术运用于轴瓦材料中，为轴瓦材料的结构设计提供了更多的可能性，使轴瓦材料的性能向精细化精密化方向发展。金属三维打印技术对金属粉末的要求较高，不仅要求金属粉末的纯净度高、氧含量低、球形度好、粉末粒径细小且分布窄，具有良好的可塑性和流动性和循环利用性。目前常用的金属3D打印粉末的主要金属元素有铁、钛、镍、铝、铜、钴、铬、银和金等。中国专利CN107498059A公开的一种气雾法制备粒径细化钛基球形粉末的方法，将钛基原料与锡料装入熔炼坩埚中，然后置于真空感应熔炼气雾化设备的熔炼室中进行真空感应熔炼，完全融化后充入0-0.8bar氩气，将熔融液经加热的石墨导流管自由落至雾化室，在10-110bar的氩气压力下经真空感应熔炼气雾化处理后得到雾化粉末，收集得到钛基球形粉末。该方法制备的钛基球形粉末中加入含量2％锡降低熔炼后熔融液的粘度，钛基球形粉末中粒径小于45μm的粉末收率不小于28％，粉末内部孔隙减小，空心粉数量降低。中国专利CN104525945B公开的一种沉没辊轴套轴瓦的激光3D打印制造方法，先将金属基板加工平整，并用丙酮擦拭除油，然后将Fe基、Ni基或Co基中的一种或多种金属粉末与耐熔融Zn、Al腐蚀的W、Mo、碳化物或氮化物的20～150μm混合物粉末加入送粉器中，激光器功率1000～5000W；按照送粉量为5～50g/min，采用Ar气或N2气送粉，将粉末送入激光同轴熔覆头中；将轴套轴瓦图纸分割成多层同心圆环，层厚为0.2～5mm，将每层同心圆环分成多个圆环，宽度为1～6mm，经过同轴熔覆头聚焦后的激光束直径为1～10mm，设置熔覆头相对于工件的移动速度为100～1000mm/min；采用搭接熔覆，控制搭接率为20～60％，熔覆多个同心圆环，完成后，将熔覆头向上移动一层圆环层厚的距离；从基板上开始熔覆，然后重复熔覆的工作，直至完成整个轴套轴瓦的熔覆；最后去掉基板，即得到所述沉没辊轴套轴瓦。由上述现有技术可知，通过三维打印技术可以将不同性能的金属粉末通过激光熔覆的方式制备形成三维合金构建，但是锡基巴氏合金的熔点低，在制备和使用过程温度等工艺参数会直接影响锡式巴氏合金的微观形态和性能，继而影响材料的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料的制备工艺，首先对锡基巴氏合金锭进行脆化处理，经气雾处理得到粒径小于45μm的锡基巴氏合金粉末，然后在激光熔覆的同时输送锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在预处理的基材的表面，形成基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料。本专利技术制备的基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料的表面平整度好，锡式巴氏合金微观结构细腻，与基材结合力强。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：(1)将锡基巴氏合金锭在经高低温循环脆化处理，得到预处理的锡基巴氏合金锭；(2)将步骤(1)制备的预处理的锡基巴氏合金锭从导流嘴向下流出，通过限制式喷嘴和紧耦合喷嘴构成的二次层流喷射系统，在利用喷嘴喷出高压气流将金属液体雾化破碎成液滴，液滴在自由落体和离心作用下分离冷却凝固，得到锡基巴氏合金粉末；(3)将碳素钢材热处理后空气冷却，再预热后浸入锡炉中进行涂层处理，取出，用粗砂纸打磨后，经超声波清洗，氮气吹干，得到预处理的基材；(4)将步骤(3)制备的预处理的基材在激光熔覆的同时输送步骤(1)制备的锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，最后经表面及边缘铣削加工，形成基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料。作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，锡基巴氏合金锭中的组分的质量百分比为：Sn余量，Cu5.5-6.5，Sb10.0-12.0，Fe≤0.1，Zn≤0.01，Bi≤0.03，As≤0.1，Al≤0.01，Pb≤0.35，Cd≤0.35，其他元素≤0.55。作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，高低温循环脆化处理的工艺为：第一阶段为，保持锡基巴氏合金锭四周施加0.3-0.5MPa的拉力，在-20～-60℃的环境下保温0.5-1h，转移至60-80℃的环境下保温处理2-4h，第二阶段为，保持锡基巴氏合金锭四周施加0.1-0.3MPa的拉力，在-60～-100℃的环境下保温15-30min，转移至100-120℃的环境下保温处理1-3h。作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，雾化处理的工艺：在1000NM3/h的纯度为99.999％氮气的高压气流的作用下，先在真空度为4.2-5.6Pa,压力为2.0-3.1Mpa，温度为800-1000℃下处理5-10min，然后在真空度为3.5-4.0Pa,压力为3.4-5.5Mpa，温度为1050-1450℃下处理30-60min，最后在真空度为3.0-3.4Pa,压力为5.5-6Mpa，温度为1450-1600℃下处理45-90min。作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，锡基巴氏合金粉末的收率大于90％，粒径小于45μm的锡基巴氏合金粉末的含量大于等于50％，锡基巴氏合金粉末的颗粒球形度Ψ0≥0.95。作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，分离冷却凝固的转速为500-2000r/min，自由落体的时间为5-40min。作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，碳素钢材为组织为铁素体和珠光体的碳素钢材，所述碳素钢材的组成按重量百分比为：C0.17-0.24，Si0.17-0.37，Mn0.35-0.65，S≤0.25，P≤0.035，Cr≤0.25，Ni≤0.25，Cu≤0.25，其余为Fe，所述碳素钢材的抗拉强度≥410MPa，屈服强度≥245MPa，未热处理硬度≤156HB。作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，超声波清洗的溶剂为丙酮，超声波清洗的功率为50-200W，时间为5-10min。作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，预处理的基材表面形成厚度为18-20μm的铁锡涂层。作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，多层多道激光熔覆的工艺参数为：第一层工艺参数：激光功率为600-2800W，激光束扫描速率为18-22mm/s，送粉速率为15-22g/min，道间搭接率为30-50％，保护气流量0.3-0.5MPa，光斑尺寸为3-3.4mm，第二层及后续熔覆层工艺参数：激光功率为600-1200w，激光束扫描速率为18-22mm/s，送粉速率为15-22g/m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：(1)将锡基巴氏合金锭在经高低温循环脆化处理，得到预处理的锡基巴氏合金锭；(2)将步骤(1)制备的预处理的锡基巴氏合金锭从导流嘴向下流出，通过限制式喷嘴和紧耦合喷嘴构成的二次层流喷射系统，在利用喷嘴喷出高压气流将金属液体雾化破碎成液滴，液滴在自由落体和离心作用下分离冷却凝固，得到锡基巴氏合金粉末；(3)将碳素钢材热处理后空气冷却，再预热后浸入锡炉中进行涂层处理，取出，用粗砂纸打磨后，经超声波清洗，氮气吹干，得到预处理的基材；(4)将步骤(3)制备的预处理的基材在激光熔覆的同时输送步骤(1)制备的锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，最后经表面及边缘铣削加工，形成基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：(1)将锡基巴氏合金锭在经高低温循环脆化处理，得到预处理的锡基巴氏合金锭；(2)将步骤(1)制备的预处理的锡基巴氏合金锭从导流嘴向下流出，通过限制式喷嘴和紧耦合喷嘴构成的二次层流喷射系统，在利用喷嘴喷出高压气流将金属液体雾化破碎成液滴，液滴在自由落体和离心作用下分离冷却凝固，得到锡基巴氏合金粉末；(3)将碳素钢材热处理后空气冷却，再预热后浸入锡炉中进行涂层处理，取出，用粗砂纸打磨后，经超声波清洗，氮气吹干，得到预处理的基材；(4)将步骤(3)制备的预处理的基材在激光熔覆的同时输送步骤(1)制备的锡基巴氏合金粉末，经多层多道道激光熔覆在钢基材的表面，最后经表面及边缘铣削加工，形成基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料。2.根据权利要求1所述的一种基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料的制备工艺，其特征在于：所述步骤(1)中，锡基巴氏合金锭中的组分的质量百分比为：Sn余量，Cu5.5-6.5，Sb10.0-12.0，Fe≤0.1，Zn≤0.01，Bi≤0.03，As≤0.1，Al≤0.01，Pb≤0.35，Cd≤0.35，其他元素≤0.55。3.根据权利要求1所述的一种基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料的制备工艺，其特征在于：所述步骤(1)中，高低温循环脆化处理的工艺为：第一阶段为，保持锡基巴氏合金锭四周施加0.3-0.5MPa的拉力，在-20～-60℃的环境下保温0.5-1h，转移至60-80℃的环境下保温处理2-4h，第二阶段为，保持锡基巴氏合金锭四周施加0.1-0.3MPa的拉力，在-60～-100℃的环境下保温15-30min，转移至100-120℃的环境下保温处理1-3h。4.根据权利要求1所述的一种基于微米级锡基巴氏合金粉末的三维打印复合材料的制备工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，雾化处理的工艺：在1000NM3/h的纯度为99.999％氮气的高压气流的作用下，先在真空度为4.2-5.6Pa,压力为2.0-3.1Mpa，温度为800-1000℃下处理5-10min，然后在真空度为3.5-4.0Pa,压力为3.4-5.5Mpa，温度为1050-1450℃下处理30...

【专利技术属性】
技术研发人员：何建南，张远海，蔡鹤，陈孝尚，黄燕红，符建标，
申请(专利权)人：申科滑动轴承股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33