CN105458256A - 一种金属基复合材料及其增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属基复合材料的增材制造方法，包括：将原材料采用电子束选区熔化成形技术制备成金属基复合材料；所述原材料包括：45wt％～72wt％的碳化钨粉体；28wt％～55wt％的镍基粉体。本发明通过控制原材料的成分及用量，并采用电子束选区熔化成形技术制备金属基复合材料，本发明提供的方法能够一次性近净成形得到整体结构的金属基复合材料，采用本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料具有较好的耐磨性、耐腐蚀性以及冲击韧性。实验结果表明，本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料的硬度达到HRA78～87，抗弯强度为1200MPa～1400MPa，相对耐磨性为75～85，相对耐蚀性为25～32。

Description

一种金属基复合材料及其增材制造方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种金属基复合材料及其增材制造方法。

背景技术

以碳化钨为增强相的金属基复合材料具有高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀以及耐冲击等优异性能(如硬质合金)，被广泛应用于各大领域，如被制备成钻头、叶轮或弯管。钻头是钻井工程中用于破碎岩石、形成井筒的破碎工具，旋转钻头常常被安装在钻柱的下端，在其工作时，钻头及镶嵌其中的球齿等部件由于与硬质层或岩屑等撞击摩擦，导致钻头及球齿极易磨损、脱落，因此需要定时更换，而每次更换钻头时，需要从几千英尺的地下，将钻头从钻孔中取出，然后更换新的钻头之后再重新插入地下，需要花费大量的人力、物力，因此期望钻头具有更好的耐磨及耐腐蚀性能。

潜油泵是石油开采过程中的主要设备之一，是一种多级离心泵，由多级叶轮、导壳、泵轴、泵壳体和上下接头组成。潜油泵在工作过程中由于叶轮长期受到井液的冲击，导致叶轮磨损的较为严重，而且钻井液中可能含有固体杂质会加剧对叶轮的冲击磨损，从而改变叶轮和底壳的主要尺寸，导致潜油泵的使用寿命缩短或者无法工作。因此，需要提高叶轮的耐磨性、耐腐蚀性及冲击韧性。

弯管是管道安装中常用的一种连接用管件，用于管道拐弯处的连接，改变管道的方向。在石油、天然气、选矿或化工等行业的实际作业中需要大量的管道作为输送载体，因而就需要大量的弯管来改变流体的方向，弯管的磨损最为严重，因此，需要弯管具有良好的耐磨性、耐腐蚀性以及冲击韧性。

因此，如何提高碳化钨金增强相金属基复合材料的耐磨性、耐腐蚀性以及冲击韧性成为本领域的研究热点，现有技术中的地质钻头、叶轮和弯管通常以合金钢为基体，镶嵌硬质合金截齿或者涂覆金刚石涂层，这种方法采用镶嵌或者涂覆硬质层的方法提高基体耐磨及耐腐蚀性能，但是受到硬质层和基体结合强度的影响将会造成硬质层的脱落从而降低产品的耐磨及耐腐蚀性能。采用粉末冶金的方法进行整体造型可避免上述硬质层的脱落问题，粉末冶金是在合金粉末中加入成型剂后压制(或注射)成粉坯，经过脱胶、烧结而成。粉末冶金由于受到模具、粉末流动性等制约很难实现形状复杂的零件成型，而且粉末冶金过程中容易形成缺陷，由于收缩不均匀造成零件的开裂，从而降低产品的耐磨及耐腐蚀性能。

因此，现有技术需要一种耐磨性、耐腐蚀性以及冲击韧性较好的碳化钨增强相金属基复合材料。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金属基复合材料及其增材制造方法，本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料具有较好的耐磨性、耐腐蚀性以及冲击韧性。

本发明提供了一种金属基复合材料的增材制造方法，包括：

将原材料采用电子束选区熔化成型技术制备成金属基复合材料；所述原材料包括：

45wt％～72wt％的碳化钨粉体；

28wt％～55wt％的镍基粉体。

优选的，所述碳化钨粉体的粒度为80目～400目。

优选的，所述镍基粉体的组分为：

1.5wt％～2.5wt％的B；

3wt％～4wt％的Si；

余量为Ni。

优选的，所述镍基粉体的粒度为150目～350目。

优选的，所述电子束选区熔化成形技术过程中电子束功率为200W～3000W。

优选的，所述电子束选区熔化成形技术过程中电子束束斑宽度为0.1mm～0.2mm。

优选的，所述电子束选区熔化成形技术过程中线扫描速度为5mm/s～30mm/s。

优选的，所述电子束选区熔化成形技术过程中的扫描间距为0.07mm～0.18mm。

本发明通过控制原材料的成分及用量，并采用电子束选区熔化成形技术制备金属基复合材料，本发明提供的方法能够一次性近净成形得到整体结构的金属基复合材料，采用本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料具有较好的耐磨性、耐腐蚀性以及冲击韧性。本发明提供的方法摆脱了粉末冶金技术对成型模具的依赖，直接在三维空间成型，可以制备任意形状的零件，尤其在薄壁和复杂型腔零件的制备上相比于粉末冶金法具有较大的优势，适于制备钻头、叶轮及弯管等形状复杂的金属基复合材料。实验结果表明，本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料的硬度达到HRA78～87，压缩强度＞1700MPa，压缩断裂变形率＞12％，抗弯强度为1200MPa～1400MPa，相对耐磨性为75～85，相对耐蚀性为25～32。

本发明提供了一种金属基复合材料，所述金属基复合材料为上述技术方案所述的增材制造方法制备得到的金属基复合材料。

优选的，所述金属基复合材料为钻头、叶轮或弯管。

本发明提供的金属基复合材料为上述技术方案所述的增材制造方法制备得到的金属基复合材料，具有整体结构，结构简单，避免了镶嵌硬质合金或者硬面涂层脱落的问题，这种金属基复合材料具有较好的耐磨性、耐腐蚀性和冲击韧性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1制备得到的钻头的侧视图；

图2为本发明实施例1制备得到的钻头的主视图；

图3为本发明实施例1制备得到的钻头的俯视图；

图4为本发明实施例2制备得到的叶轮的俯视图；

图5为本发明实施例2制备得到的叶轮的主视图；

图6为本发明实施例3制备得到的弯管的结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种金属基复合材料的增材制造方法，包括：

将原材料采用电子束选区熔化成型技术制备成金属基复合材料；所述原材料包括：

45wt％～72wt％的碳化钨粉体；

28wt％～55wt％的镍基粉体。

在本发明中，所述原材料包括45wt％～72wt％的碳化钨粉体。在本发明的实施例中，所述原材料包括50wt％～65wt％的碳化钨粉体；在其他的实施例中，所述原材料包括55wt％～60wt％的碳化钨粉体。在本发明的实施例中，所述碳化钨粉体的粒度为80目～400目；在其他的实施例中，所述碳化钨粒度的粒度为150目～350目；在另外的实施例中，所述碳化钨粒度的粒度为200目～300目。在本发明的实施例中，所述碳化钨粉体为球形颗粒。

在本发明中，所述原材料包括28wt％～55wt％的镍基粉体。在本发明的实施中，所述原材料包括35wt％～50wt％的镍基粉体；在其他的实施例中，所述原料包括40wt％～45wt％的镍基粉体。在本发明的实施例中，所述镍基粉体包括1.5wt％～2.5wt％的B，3wt％～4wt％的Si，余量为Ni。在本发明的实施例中，所述镍基粉体包括1.8wt％～2.2wt％的B。在本发明的实施例中，所述镍基粉体包括3.2wt％～3.8wt％的Si；在另外的实施例中，所述镍基粉体包括3.4wt％～3.6wt％的Si。在本发明的实施例中，所述镍基粉体的粒度为80目～400目；在其他的实施例中，所述镍基粉体的粒度为150目～350目；在另外的实施例中，所述镍基粉体的粒度为200目～300目。

在本发明中，所述电子束选区熔化成形技术(EBSM)利用金属粉末在电子束的轰击下熔化的原理，先在铺粉平面上铺展一层粉末并压实；然后电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息有选择的熔化，层层堆积，直至整个零件全部熔化完成，最后去除多余的粉末便得到所需的三维产品；EBSM技术主要有送粉、铺粉、熔化工艺步骤。在本发明的实施例中，所述EBSM使用的设备为ARCAM公司生产的电子束粉末快速成型系统A2X，包括真空室，所述真空室中设置有铺送粉机构、粉末回收箱和成型平台；还包括电子枪系统、真空系统、电源系统和控制系统，所述控制系统包括扫描控制系统、运动控制系统、电源控制系统、真空控制系统和温度检测系统。在本发明的实施例中，所述EBSM使用的设备成型区域为200mm×200mm×380mm。

本发明采用EBSM方法制备金属基复合材料突破了粉末冶金制备工艺的制约和模具的限制，能够制备得到形状结构复杂的制品，避免了粉末冶金工艺由于粉坯密度分布不均匀导致的零件烧结后开裂的问题，采用本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料的精度高，本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料的表面粗糙度高于Ra50。本发明采用EBSM方法不需要进行掺胶、干燥、压制、脱胶、烧结以及后续的精加工处理，缩短了制造周期，降低了了制造成本，提高了生产效率，原料利用率高。而且，本发明利用EBSM技术制备得到的金属基复合材料的材质均匀、微观偏析较小，质量较好。另外，本发明利用EBSM方法制备金属基复合材料，可全程实现计算机控制，自动化程度高，易于操作。

在本发明的实施例中，所述EBSM过程中电子束功率为200W～3000W；在其他的实施例中，所述EBSM过程中电子束功率为800W～2500W；在另外的实施例中，所述EBSM过程中电子束功率为1500W～2000W。在本发明的实施例中，所述EBSM过程中电子束束斑宽度为0.1mm～0.2mm；在其他的实施例中，所述EBSM过程中电子束束斑宽度为0.12mm～0.18mm；在另外的实施例中，所述EBSM过程中电子束束斑宽度为0.14mm～0.16mm。

在本发明的实施例中，所述EBSM过程中的线扫描速度为5mm/s～30mm/s；在其他的实施例中，所述EBSM过程中的线扫描速度为10mm/s～25mm/s；在另外的实施例中，所述EBSM过程中的线扫描速度为15mm/s～20mm/s。在本发明的实施例中，所述EBSM过程中的扫描间距为0.07mm～0.18mm；在其他的实施例中，所述EBSM过程中的扫描间距为0.1mm～0.15mm。在本发明的实施例中，所述EBSM过程中的分层厚度为0.04mm～0.12mm；在其他的实施例中，所述EBSM过程中的分层厚度为0.06mm～0.1mm。

在本发明的实施例中，所述EBSM过程中的真空度不低于6×10^-6mBar。在本发明的实施例中，所述EBSM过程中的粉池预热温度为650℃～850℃；在其他的实施例中，所述EBSM过程中的粉池预热温度为700℃～800℃；在另外的实施例中，所述EBSM过程中的粉池预热温度为740℃～760℃。

在本发明的实施例中，所述金属基复合材料的增材制造方法具体包括以下步骤：

1)、将上述原材料混合，得到混合物；

2)、对EBSM设备进行抽真空处理；

3)、在EBSM设备中对所述混合物进行铺粉操作；

4)、对EBSM设备进行电子束预热；

5)、控制电子束选取熔化选区进行烧结；

6)、EBSM设备工作台下降一个厚层；

7)、重复上述步骤3)～步骤6)操作，得到设定形状的金属基复合材料。

本发明提供了一种金属基复合材料，所述金属基复合材料由上述技术方案所述的增材制造方法制备得到。在本发明中，所述金属基复合材料的制备方法与上述技术方案所述金属基复合材料的增材制造方法一致，在此不再赘述。在本发明的实施例中，所述金属基复合材料可以为钻头、叶轮、弯管或弯头。在本发明的实施例中，所述钻头为地质钻头。

采用洛氏硬度计测试本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料的硬度，测试结果为，本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料的硬度可达到HRA76～87。

按照GB/T7314-2005《金属材料室温压缩试验方法》，测试本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料的压缩强度和压缩断裂变形率，测试结果为，本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料的压缩强度＞1700MPa，压缩断裂变形率＞12％。

按照GB/T6569-86《工程陶瓷弯曲强度试验方法》，测试本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料的抗弯强度，测试结果为，本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料的抗弯强度为1200MPa～1400MPa。

将本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料制备成尺寸为10mm×10mm×10mm的长方体试样，在MM2000型滑动磨损实验机上进行常温干滑动磨损实验，对磨环材料为淬火+低温回火处理后的42CrMo(硬度为HRC53，作为标样)，法向载荷为20Kgf，对磨环转速为400r/min，磨损时间为60min，总滑动距离为3800m，以相对耐磨性作为材料耐磨性的指标：

相对耐磨性＝标样磨损失重量÷试样磨损失重量；

测试结果为，本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料的相对耐磨性为75～85(淬火+低温回火42CrMo钢的相对耐磨性为1)。

采用20℃恒温浸泡腐蚀测试方法，在0.5mol/L盐酸水溶液中测试本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料的耐腐蚀性，以316L不锈钢为对比试样(标样)，测试168小时浸泡后的腐蚀失重量，以相对耐蚀性作为材料耐腐蚀性的指标：

相对耐蚀性＝标样腐蚀失重量÷试样腐蚀失重量；

测试结果为，本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料的相对耐蚀性为25～32(316L不锈钢为1)。

本发明以下实施例所用到的原料均为市售商品，所用的WC粉体为九江金鹭硬质合金有限公司提供的中颗粒球形WC粉末；所用的镍基粉体为奥瑞康公司提供的产品，其中包括1.8wt％的B，3.5wt％的Si，余量为Ni；所用的EBSM设备为ARCAM公司提供的电子束粉末快速成型系统A2X。

实施例1

通过CAD软件获得待制备钻头的3D数据，并将此数据输送至EBSM设备中；

将粒度为80目的WC粉体、粒度为150目的镍基粉体按照质量比为65:35的比例进行混合，将得到的混合物装入EBSM设备中；

向EBSM设备中通入氮气作为保护气体，按照上述3D数据进行铺粉，然后采用电子束扫描进行选区烧结，所述电子束扫描过程中的电子束功率为1000W～1200W，束斑宽度为0.16mm，线扫描速度为25mm/s～30mm/s，分层的厚度为0.1mm，扫描的间距为0.1mm；制备得到钻头。

本发明实施例1制备得到的钻头如图1、图2和图3所示，图1为本发明实施例1制备得到的钻头的侧视图，图2为本发明实施例1制备得到的钻头的主视图，图3为本发明实施例1制备得到的钻头的俯视图，由图1、图2和图3可知，本发明实施例1制备得到的钻头的高度为82.37mm，直径为148.84mm。

按照上述技术方案所述的方法，测试本发明实施例1制备得到的钻头的硬度、压缩强度、压缩断裂形变率、抗弯强度、相对耐磨性和相对耐蚀性，测试结果为，本发明实施例1制备得到的钻头的硬度为HRA78，压缩强度为1774MPa，压缩断裂变形率为14.3％，抗弯强度为1302MPa，相对耐磨性为78.5，相对耐蚀性为28.4。

实施例2

通过CAD软件获得待制备叶轮的3D数据，并将此数据输送至EBSM设备中；

将粒度为80目的WC粉体、粒度为150目的镍基粉体按照质量比为70:30的比例进行混合，将得到的混合物装入EBSM设备中；

向EBSM设备中通入氮气作为保护气体，按照上述3D数据进行铺粉，然后采用电子束扫描进行选区烧结，所述电子束扫描过程中的电子束功率为2000W～2200W，束斑宽度为0.20mm，线扫描速度为15mm/s～20mm/s，分层的厚度为0.12mm，扫描的间距为0.15mm；制备得到叶轮。

本发明实施例2制备得到的叶轮如图4和图5所示，图4为本发明实施例2制备得到的叶轮的俯视图，图5为本发明实施例2制备得到的叶轮的主视图。

按照上述技术方案所述的方法，测试本发明实施例2制备得到的叶轮的硬度、压缩强度、压缩断裂形变率、抗弯强度、相对耐磨性和相对耐蚀性，测试结果为，本发明实施例2制备得到的叶轮的硬度为HRA85.5，压缩强度为1833MPa，压缩断裂变形率为15.1％，抗弯强度为1267MPa，相对耐磨性为82.7，相对耐蚀性为30.7。

实施例3

通过CAD软件获得待制备弯管的3D数据，并将此数据输送至EBSM设备中；

将粒度为80目的WC粉体、粒度为150目的镍基粉体按照质量比为72:28的比例进行混合，将得到的混合物装入EBSM设备中；

向EBSM设备中通入氮气作为保护气体，按照上述3D数据进行铺粉，然后采用电子束扫描进行选区烧结，所述电子束扫描过程中的电子束功率为1500W～1800W，束斑宽度为0.18mm，线扫描速度为15mm/s～20mm/s，分层的厚度为0.1mm，扫描的间距为0.15mm；制备得到弯管。

本发明实施例3制备得到的弯管如图6所示，图6为本发明实施例3制备得到的弯管的结构示意图。

按照上述技术方案所述的方法，测试本发明实施例3制备得到的叶轮的硬度、压缩强度、压缩断裂形变率、抗弯强度、相对耐磨性和相对耐蚀性，测试结果为，本发明实施例3制备得到的弯管的硬度为HRA82.5，压缩强度为1873MPa，压缩断裂变形率为14.1％，抗弯强度为1291MPa，相对耐磨性为77.4，相对耐蚀性为28.2。

由以上实施例可知，本发明提供了一种金属基复合材料的增材制造方法，包括：将原材料采用电子束选区熔化成形技术制备成金属基复合材料；所述原材料包括：45wt％～72wt％的碳化钨粉体；28wt％～55wt％的镍基粉体。本发明通过控制原材料的成分及用量，并采用电子束选区熔化成形技术制备金属基复合材料，本发明提供的方法能够一次性近净成形得到整体结构的金属基复合材料，采用本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料具有较好的耐磨性、耐腐蚀性以及冲击韧性。本发明提供的方法摆脱了粉末冶金技术对成型模具的依赖，直接在三维空间成型，可以制备任意形状的零件，尤其在薄壁和复杂型腔零件的制备上相比于粉末冶金法具有较大的优势，适于制备钻头、叶轮及弯管等形状复杂的金属基复合材料。

Claims (10)

1.一种金属基复合材料的增材制造方法，包括：

将原材料采用电子束选区熔化成形技术制备成金属基复合材料；所述原材料包括：

45wt％～72wt％的碳化钨粉体；

28wt％～55wt％的镍基粉体。

2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述碳化钨粉体的粒度为80目～400目。

3.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述镍基粉体的组分为：

1.5wt％～2.5wt％的B；

3wt％～4wt％的Si；

余量为Ni。

4.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述镍基粉体的粒度为150目～350目。

5.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述电子束选区熔化成形技术过程中电子束功率为200W～3000W。

6.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述电子束选区熔化成形技术过程中电子束束斑宽度为0.1mm～0.2mm。

7.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述电子束选区熔化成形技术过程中线扫描速度为5mm/s～30mm/s。

8.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述电子束选区熔化成形技术过程中的扫描间距为0.07mm～0.18mm。

9.一种金属基复合材料，所述金属基复合材料为权利要求1～8中任意一项所述的增材制造方法制备得到的金属基复合材料。

10.根据权利要求9所述的金属基复合材料，其特征在于，所述金属基复合材料为钻头、叶轮或弯管。