一種金屬基復(fù)合材料及其增材制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬基復(fù)合材料及其增材制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以碳化鎢為增強(qiáng)相的金屬基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨、耐腐蝕以及耐沖擊等優(yōu)異性能(如硬質(zhì)合金)，被廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，如被制備成鉆頭、葉輪或彎管。鉆頭是鉆井工程中用于破碎巖石、形成井筒的破碎工具，旋轉(zhuǎn)鉆頭常常被安裝在鉆柱的下端，在其工作時(shí)，鉆頭及鑲嵌其中的球齒等部件由于與硬質(zhì)層或巖肩等撞擊摩擦，導(dǎo)致鉆頭及球齒極易磨損、脫落，因此需要定時(shí)更換，而每次更換鉆頭時(shí)，需要從幾千英尺的地下，將鉆頭從鉆孔中取出，然后更換新的鉆頭之后再重新插入地下，需要花費(fèi)大量的人力、物力，因此期望鉆頭具有更好的耐磨及耐腐蝕性能。
[0003]潛油栗是石油開(kāi)采過(guò)程中的主要設(shè)備之一，是一種多級(jí)離心栗，由多級(jí)葉輪、導(dǎo)殼、栗軸、栗殼體和上下接頭組成。潛油栗在工作過(guò)程中由于葉輪長(zhǎng)期受到井液的沖擊，導(dǎo)致葉輪磨損的較為嚴(yán)重，而且鉆井液中可能含有固體雜質(zhì)會(huì)加劇對(duì)葉輪的沖擊磨損，從而改變?nèi)~輪和底殼的主要尺寸，導(dǎo)致潛油栗的使用壽命縮短或者無(wú)法工作。因此，需要提高葉輪的耐磨性、耐腐蝕性及沖擊韌性。
[0004]彎管是管道安裝中常用的一種連接用管件，用于管道拐彎處的連接，改變管道的方向。在石油、天然氣、選礦或化工等行業(yè)的實(shí)際作業(yè)中需要大量的管道作為輸送載體，因而就需要大量的彎管來(lái)改變流體的方向，彎管的磨損最為嚴(yán)重，因此，需要彎管具有良好的耐磨性、耐腐蝕性以及沖擊韌性。
[0005]因此，如何提高碳化鎢金增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的耐磨性、耐腐蝕性以及沖擊韌性成為本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)中的地質(zhì)鉆頭、葉輪和彎管通常以合金鋼為基體，鑲嵌硬質(zhì)合金截齒或者涂覆金剛石涂層，這種方法采用鑲嵌或者涂覆硬質(zhì)層的方法提高基體耐磨及耐腐蝕性能，但是受到硬質(zhì)層和基體結(jié)合強(qiáng)度的影響將會(huì)造成硬質(zhì)層的脫落從而降低產(chǎn)品的耐磨及耐腐蝕性能。采用粉末冶金的方法進(jìn)行整體造型可避免上述硬質(zhì)層的脫落問(wèn)題，粉末冶金是在合金粉末中加入成型劑后壓制(或注射)成粉坯，經(jīng)過(guò)脫膠、燒結(jié)而成。粉末冶金由于受到模具、粉末流動(dòng)性等制約很難實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜的零件成型，而且粉末冶金過(guò)程中容易形成缺陷，由于收縮不均勻造成零件的開(kāi)裂，從而降低產(chǎn)品的耐磨及耐腐蝕性能。
[0006]因此，現(xiàn)有技術(shù)需要一種耐磨性、耐腐蝕性以及沖擊韌性較好的碳化鎢增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種金屬基復(fù)合材料及其增材制造方法，本發(fā)明提供的方法制備得到的金屬基復(fù)合材料具有較好的耐磨性、耐腐蝕性以及沖擊韌性。
[0008]本發(fā)明提供了一種金屬基復(fù)合材料的增材制造方法，包括:
[0009]將原材料采用電子束選區(qū)熔化成型技術(shù)制備成金屬基復(fù)合材料;所述原材料包括:
[0010]45wt%?72wt5^tl 碳化媽粉體；
[0011 ] 28wt% ?55wt%的銀基粉體。
[0012]優(yōu)選的，所述碳化鎢粉體的粒度為80目?400目。
[0013]優(yōu)選的，所述鎳基粉體的組分為:
[0014]1.5界1:%?2.5￥1:%的13;
[0015]3wt% ?4wt% 的3;[;
[0016]余量為Ni。
[0017]優(yōu)選的，所述鎳基粉體的粒度為150目?350目。
[0018]優(yōu)選的，所述電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)過(guò)程中電子束功率為200W?3000W。
[0019]優(yōu)選的，所述電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)過(guò)程中電子束束斑寬度為0.1mm?0.2mm。
[0020]優(yōu)選的，所述電子束選區(qū)恪化成形技術(shù)過(guò)程中線掃描速度為5mm/s?30mm/s。
[0021]優(yōu)選的，所述電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)過(guò)程中的掃描間距為0.07mm?0.18mm。
[0022]本發(fā)明通過(guò)控制原材料的成分及用量，并采用電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)制備金屬基復(fù)合材料，本發(fā)明提供的方法能夠一次性近凈成形得到整體結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合材料，采用本發(fā)明提供的方法制備得到的金屬基復(fù)合材料具有較好的耐磨性、耐腐蝕性以及沖擊韌性。本發(fā)明提供的方法擺脫了粉末冶金技術(shù)對(duì)成型模具的依賴(lài)，直接在三維空間成型，可以制備任意形狀的零件，尤其在薄壁和復(fù)雜型腔零件的制備上相比于粉末冶金法具有較大的優(yōu)勢(shì)，適于制備鉆頭、葉輪及彎管等形狀復(fù)雜的金屬基復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明提供的方法制備得到的金屬基復(fù)合材料的硬度達(dá)到HRA78?87，壓縮強(qiáng)度>1700MPa，壓縮斷裂變形率>12%，抗彎強(qiáng)度為1200MPa?1400MPa，相對(duì)耐磨性為75?85，相對(duì)耐蝕性為25?32ο
[0023]本發(fā)明提供了一種金屬基復(fù)合材料，所述金屬基復(fù)合材料為上述技術(shù)方案所述的增材制造方法制備得到的金屬基復(fù)合材料。
[0024]優(yōu)選的，所述金屬基復(fù)合材料為鉆頭、葉輪或彎管。
[0025]本發(fā)明提供的金屬基復(fù)合材料為上述技術(shù)方案所述的增材制造方法制備得到的金屬基復(fù)合材料，具有整體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了鑲嵌硬質(zhì)合金或者硬面涂層脫落的問(wèn)題，這種金屬基復(fù)合材料具有較好的耐磨性、耐腐蝕性和沖擊韌性。
【附圖說(shuō)明】
[0026]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備得到的鉆頭的側(cè)視圖；
[0028]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備得到的鉆頭的主視圖；
[0029]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備得到的鉆頭的俯視圖；
[0030]圖4為本發(fā)明實(shí)施例2制備得到的葉輪的俯視圖；[0031 ]圖5為本發(fā)明實(shí)施例2制備得到的葉輪的主視圖；
[0032]圖6為本發(fā)明實(shí)施例3制備得到的彎管的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0034]本發(fā)明提供了一種金屬基復(fù)合材料的增材制造方法，包括:
[0035]將原材料采用電子束選區(qū)熔化成型技術(shù)制備成金屬基復(fù)合材料;所述原材料包括:
[0036]45*1:%?72*1:%的碳化媽粉體；
[0037]28wt% ?55wt%的銀基粉體。
[0038]在本發(fā)明中，所述原材料包括45wt%?72wt%的碳化鎢粉體。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述原材料包括5(^1:%?65￥1:%的碳化媽粉體;在其他的實(shí)施例中，所述原材料包括55wt%?60wt%的碳化鎢粉體。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述碳化鎢粉體的粒度為80目?400目；在其他的實(shí)施例中，所述碳化鎢粒度的粒度為150目?350目；在另外的實(shí)施例中，所述碳化鎢粒度的粒度為200目?300目。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述碳化鎢粉體為球形顆粒。
[0039]在本發(fā)明中，所述原材料包括28wt%?55wt%的鎳基粉體。在本發(fā)明的實(shí)施中，所述原材料包括35wt% ?50wt %的鎳基粉體；在其他的實(shí)施例中，所述原料包括40wt%?45wt%的鎳基粉體。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述鎳基粉體包括1.5wt%?2.5wt%的13，3wt%?4wt %的Si，余量為Ni ο在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述鎳基粉體包括1.8wt %?2.2wt %的13。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述鎳基粉體包括3.2wt%?3.8wt%的31;在另外的實(shí)施例中，所述鎳基粉體包括3.4wt %?3.6wt %的Si。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述鎳基粉體的粒度為80目?400目；在其他的實(shí)施例中，所述鎳基粉體的粒度為150目?350目；在另外的實(shí)施例中，所述鎳基粉體的粒度為200目?300目。
[0040]在本發(fā)明中，所述電子束選區(qū)恪化成形技術(shù)(EBSM)利用金屬粉末在電子束的轟擊下熔化的原理，先在鋪粉平面上鋪展一層粉末并壓實(shí);然后電子束在計(jì)算機(jī)的控制下按照截面輪廓的信息有選擇的熔化，層層堆積，直至整個(gè)零件全部熔化完成，最后去除多余的粉末便得到所需的三維產(chǎn)品；EBSM技術(shù)主要有送粉、鋪粉、熔化工藝步驟。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述EBSM使用的設(shè)備為ARCAM公司生產(chǎn)的電子束粉末快速成型系統(tǒng)A2X，包括真空室，所述真空室中設(shè)置有鋪送粉機(jī)構(gòu)、粉末回收箱和成型平臺(tái)；還包括電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括掃描控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)、真空控制系統(tǒng)和溫度檢測(cè)系統(tǒng)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述EBSM使用的設(shè)備成型區(qū)域?yàn)?00mmX200mmX 380mm。
[0041]本發(fā)明采用EBSM方法制備金屬基復(fù)合材料突破了粉末冶金制備工藝的制約和模具的限制，能夠制備得到形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品，避免了粉末冶金工藝由于粉坯密度分布不均勻?qū)е碌牧慵Y(jié)后開(kāi)裂的問(wèn)題，采用本發(fā)明提供的方法制備得到的金屬基復(fù)合材料的精度高，本發(fā)明提供的方法制備得到的金屬基復(fù)合材料的表面粗糙度高于Ra50。本發(fā)明采用EBSM方法不需要進(jìn)行摻膠、干燥、壓制、脫膠、燒結(jié)以及后續(xù)的精加工處理，縮短了制造周期，降低了了制造成本，提高了生產(chǎn)效率，原料利用率高。而且，本發(fā)明利用EBSM技術(shù)制備得到的金屬基復(fù)合材料的材質(zhì)均勻、微觀偏析較小，質(zhì)量較好。另外，本發(fā)明利用EBSM方法制備金屬基復(fù)合材料，可全程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度高，易于操作。
[0042]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述EBSM過(guò)程中電子束功率為200W?3000W;在其他的實(shí)施例中，所述EBSM過(guò)程中電子束功率為800W?2500W;在另外的實(shí)施例中，所述EBSM過(guò)程中電子束功率為1500W?2000W。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述EBSM過(guò)程中電子束束斑寬度為0.1mm?0.2mm;在其他的實(shí)施例中，所述EBSM過(guò)程中電子束束斑寬度為0.12mm?0.18mm;在另外的實(shí)施例中，所述EBSM過(guò)程中電子束束斑寬度為0.14mm?0.16mm。
[0043]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述EBSM過(guò)程中的線掃描速度為5mm/s?30mm/s;在其他的實(shí)施例中，所述EBSM過(guò)程中的線掃描速度為10mm/s?25mm/s;在另外的實(shí)施例中，所述EBSM過(guò)程中的線掃描速度為15mm/s?20mm/s。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述EBSM過(guò)程中的掃描間距為0.07mm?0.18mm;在其他的實(shí)施例中，所述EBSM過(guò)程中的掃描間距為0.1mm?0.15mm。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述EBSM過(guò)程中的分層厚度為0.04mm?0.12mm;在其他的實(shí)施例中，所述EBSM過(guò)程中的分層厚度為0.06mm?0.1mm。
[0044]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述EBSM過(guò)程中的真空度不低于6X 10—6mBar