一种利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法

1.本发明涉及金属梯度材料快速制备技术领域，尤其涉及一种用电渣热熔化金属成分变化药芯丝材制备铁基金属梯度材料的方法。


背景技术：

2.随着科技的快速发展，工程设备功能日益强大，对构建设备所需的金属材料也提出了更高的综合要求。在很多应用场合，要求工件不同部位具有不同的性能，比如工件一侧材料具有较高的比强度，满足结构承载要求，而工件另一侧材料具有良好的功能性，比如具有较高的耐腐蚀性能。这种情况下，单一金属或者合金往往难以满足使用要求，需要结合两种或两种以上材料共同使用来满足性能要求。在实际使用中，常常采用焊接或热轧的方法将两种金属材料连接起来。但是异种金属材料的连接性往往较差，界面处容易出现缺陷，连接强度难以满足使用要求。针对这种情况，人们希望同一件材料的两侧具有不同的性质或功能，同时不同性能的两侧结合得完美，从而不至于在苛刻的使用条件下因组织性能不匹配而发生破坏。基于此种需求，上世纪80年代，日本科学家平井敏雄首先提出了梯度功能材料(functionally gradient materials,fgm)的新设想和新概念，并展开研究。这种材料设计概念的基本思想是：根据具体要求，选择使用两种具有不同性能的材料，通过连续地改变两种材料的组成和结构，使其内部界面消失，从而得到功能相应于组成和结构的变化而渐变的非均质材料，以减小和克服结合部位的性能不匹配因素。
3.梯度功能材料的制备方法主要有自蔓延高温合成法(shs)、离心铸造法、沉积法、增材制造法等。自蔓延高温合成法能耗低、工艺简单，产品质量较好，在内衬陶瓷复合管和金属表面梯度陶瓷材料的制备方面应用较多；离心铸造法主要用于颗粒增强复合材料，通过改变转速、颗粒大小和密度，使得增强介质呈梯度分布，并控制外层颗粒体积百分比，达到有选择性地强化，该方法工艺相对简单，对设备要求不高，铸件致密度高；沉积法包括物理气相沉积法、化学气相沉积法和共沉积法，这类方法可制备成分连续变化的薄层梯度材料；随着增材制造技术的快速发展，目前激光、电弧、电子束增材制造等方法制备梯度材料吸引了更多的关注和研究，金属异质材料增材制造技术可以制造具有复杂结构以及细微材料布局的梯度材料零件，而且制造过比传统制造手段简单，但效率相对较低且设备复杂昂贵。
4.综合来看，目前常用金属功能梯度材料制备方法各有特点，适合的应用场景各不相同，但普遍存在操作复杂，工艺难度大，成本高，无法高效制备大尺寸金属梯度材料等问题。本发明针对上述状况，借鉴药芯丝材、熔嘴电渣焊和电渣重熔冶金的工艺特点，提出一种利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法。
5.药芯焊丝：金属粉芯型药芯焊丝同时具有实芯焊丝和药芯焊丝的优点，焊接效率高，飞溅小和烟尘小，焊缝质量高。随着技术的进步，生产效率的提高，这种新型药芯焊丝的成本将持续下降，在生产现场的应用也会越来越有优势。正是由于药芯焊丝的成分可控易
于制备，为本发明提供了很好的技术条件，成分连续变化的药芯焊丝为制备金属梯度材料提供了良好的原料保障，同时还提高了成品的质量。
6.熔嘴电渣焊：是一种利用电流通过导电的液态熔渣所产生的电阻热使金属(填充金属和母材)熔化，凝固后形成金属原子间牢固连接的熔焊方法，电渣焊的热源来自渣池电阻热，渣池最高温度达2000℃左右，渣池内产生剧烈的涡流，使温度分布比较均匀，从而使工件边缘熔化。在制造业中，电渣焊过程用于厚板拼接，炼钢厂高炉的垂直焊接，大型铸件、锻件的焊接，熔嘴电渣焊是一种利用电流通过导电的液体熔渣所产生的电阻热作为热源使金属熔化的熔焊方法，宜在垂直位置焊接，主要用于建筑钢结构隔板的焊接，法兰的焊接，是一种较为成熟的先进工艺。熔嘴电渣焊设备由电源、送丝机构、熔嘴夹持结构及机架等组成，其电极由固定在接头间隙中的熔嘴和由送丝机构不断向熔池中送进的焊丝构成。熔嘴焊丝能够深入到焊缝中心，工件切割直边不开坡口直接组对，可一次焊接成形。熔嘴电渣焊作为一种简易高效的工艺手段为本发明提供了较好的技术条件。
7.电渣重熔：是一种利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。电渣重熔是用以提纯金属的一种方法，其主要目的是提纯金属并获得洁净组织均匀致密的钢锭。经电渣重熔的钢，纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、洁净均匀致密。电渣钢的铸态机械性能可达到或超过同钢种锻件的指标。电渣钢锭的质量取决于合理的电渣重熔工艺和保证电渣工艺的设备条件。电渣重熔技术是本发明中的重要技术，它为我们得到纯净、组织均匀致密的金属材料提供了很好的技术保障。


技术实现要素：

8.基于现有金属功能梯度材料制备技术的不足，借鉴药芯丝材、熔嘴电渣焊和电渣重熔冶金的工艺特点，本发明所解决的技术问题在于提出一种利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法。药芯丝材可以方便地调整药芯的化学成分，通过连续改变药芯的成分配比，可以制得成分连续变化的药芯丝材，将药芯丝材通过电渣渣池加热熔化形成一定体积的金属熔池，金属熔池在一定形状的水冷结晶器中不断凝固，最终可以得到成分连续变化的大尺寸金属梯度材料。由于金属熔池具有一定的体积，在熔池中液态金属充分流动，可以进一步保证梯度材料在微观局部的成分均匀性，从而避免异种金属界面的产生。
9.所述制备方法的整个工艺流程图如图1所示，从工艺流程图可以看出，在进行电渣热熔药芯丝材制备试样主要有3步：制备成分连续变化的药芯丝材、装配电渣热熔装置、电渣热熔药芯丝材成形过程。
10.具体制备方法如下：
11.步骤1)制备成分连续变化的药芯丝材:采用“钢带法”制备药芯丝材。根据微分思想，结合熔池质量的计算，研究确定配制药粉的单元重量，每个单元中药粉的成分均匀一致，相邻单元药粉成分按照设计呈梯度变化。钢带冷弯成u形管后，按照顺序依次连续加入相邻单元药粉，随后闭合成o形管，再经多次拉拔，从而在整体上获得成分连续变化的药芯丝材6。
12.步骤2)装配电渣热熔装置：电渣热熔装置包括电源1、送丝机构2、参数控制面板3、熔嘴4和水冷结晶器5；水冷结晶器5底部为引入板51，电源1一端与引入板51相连，另一端与
熔嘴4的上端相连，熔嘴4的下端垂直插入引入板51上方；电源为电渣过程提供能量；送丝机构和参数控制面板集成在焊接小车上；
13.步骤3)电渣热熔药芯丝材成形过程：
14.开始阶段，首先将药芯丝材6末端送至水冷结晶器5底部的引入板51上方，并在引入板51上铺入少量焊剂；接通电源1，药芯丝材6与引入板51之间产生电弧并熔化焊剂，不断加入焊剂，形成稳定渣池7后电弧熄灭，电渣过程开始进行；渣池7位于金属熔池8上方，药芯丝材6和熔嘴4在渣池7中不断熔化并进入下方的金属熔池8；金属熔池8中液态金属不断凝固，渣池7和金属熔池8则不断上升直至电渣过程结束；去除水冷结晶器5，清理掉金属表面渣皮，即可得到与水冷结晶器空腔形状一致的较大尺寸金属梯度材料，即成形金属54。
15.作为上述技术方案的优选，本发明提供的一种利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法，进一步包括下列技术特征的部分或全部：
16.作为上述技术方案的改进，在所述步骤1)中，由于在电渣熔化药芯丝材时熔池中液态金属的搅动，药芯丝材中相邻单元交接处的药粉成分突变得以消除。
17.作为上述技术方案的改进，在所述步骤2)中，熔嘴4上端夹持在送丝机构2送丝轮的下方并与电源1相连，熔嘴4另一端深入到水冷结晶器5内部液态渣池的上方。
18.作为上述技术方案的改进，在所述步骤2)中，熔嘴4上端夹持在送丝机构2送丝轮的下方并通过导电杆9与电源1相连。
19.作为上述技术方案的改进，在所述步骤2)中，水冷结晶器的形状可根据产品的尺寸和形状需求进行设计，如圆柱体或立方体等形状。
20.作为上述技术方案的改进，在所述步骤2)中，所述水冷结晶器5为内部含流动冷却水53的水冷铜块52制作而成。
21.作为上述技术方案的改进，在所述步骤3)中，加入的焊剂刚好形成渣池，覆盖并熄灭电弧。。
22.作为上述技术方案的改进，所制得的异种金属梯度材料可以根据其组织性能特点和使用需求，进行轧制、锻打等进一步的加工。
23.作为上述技术方案的改进，本发明提供一种铁基金属梯度材料的制备方法，基于传统的、高精度、可大规模生产的电渣重熔、电渣焊等加工工艺，利用相关原理，制备出碳钢-不锈钢、合金成分不同的不锈钢等铁基金属梯度材料，为实现材料不同部位具有不同的性能提供了一种新的实施途径。
24.本发明搭造了电渣热熔化药芯丝材制备金属梯度材料设备平台。药芯丝材成分可控、易于制备；熔嘴电渣焊操作简便，适合竖直方向深长焊缝的成形；电渣重熔可精炼金属，产品尺寸和组织可控；本发明实验平台整合以上三种加工方法的优点和特色，可以实现较简单设备和工艺条件下高质量金属梯度材料的快速、简单、高效制备，大大节约了工艺成本，体现了较高的实用价值和创新意义。
25.与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
26.1)较高的生产效率：电渣重熔铸造可以快速地加热金属，水冷结晶器能快速的冷却熔融金属，从而使得整个生产过程更加高效，药芯丝材焊丝相比于其他焊丝本身质量更好也可以提高生产效率。
27.2)纯度较高、质量稳定，梯度过渡均匀：液态渣池的电渣冶金作用可以进一步净化
金属，还能够隔绝空气，防止氧化或其他污染物进入金属。同时，由于金属熔池具有一定的体积，在熔池中液态金属充分流动，可以进一步保证梯度材料在微观局部的成分均匀性，从而避免异种金属界面的产生。
28.3)成分可调、适用范围广：药芯焊丝制备过程中，粉体的成分可调，通过改变不同合金元素的成分即可制成成分变化的药芯丝材，应用范围广；同时，电渣重熔非常适合于处理各种种类的金属，十分利于制备金属梯度材料。
29.4)操作简易：相比其他制备功能梯度材料的方法，本发明利用的熔嘴电渣焊，可以免去不断调整导电杆高度的操作，使得电渣过程的操作简单可靠。
30.总而言之，本发明提供了一种简单、高效和灵活的制备金属梯度材料的方法，可以用于生产各种不同类型的金属制品，有效的解决了功能梯度材料制备工艺复杂、加工成本高、制备效率低等实际生产问题。
31.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
33.图1是本发明所述利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法的工艺流程图；
34.图2是本发明所述利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法的装置示意图；
35.图3是本发明所述利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法的水冷结晶器内成形过程示意图；
36.图4是本发明所述利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法的圆柱状水冷结晶器俯视图。
37.图中：1-电源，2-送丝机构，3-参数控制面板，4-熔嘴，5-水冷结晶器，51-引入板，52-水冷铜块，53-冷却水，54-成形金属，6-药芯丝材，7-渣池，8-金属熔池，9-导电杆。
具体实施方式
38.下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
39.实施例1
40.一种碳钢-不锈钢成分可调梯度材料的制备方法，包括以下步骤：
41.1)成品形状为长方体(底部长40mm，宽30mm，高80mm)，确定成品高度方向成分变化区域0-40mm为碳钢区域、40mm-80mm不锈钢区域，制备碳钢-不锈钢药芯焊丝(焊丝直径φ3.2mm)，选配药芯丝材粉体，碳钢部分药芯丝材成分：0.21％c、0.33％mn、0.018％si、0.015％p，不锈钢部分药芯丝材成分：0.072％c、0.94％mn、0.038％si、0.022％p、12.59％cr、4.63％ni、0.62％mo、0.24％cu，在钢带上标注清晰各区域成分，将不同区域的粉体混合
均匀后装配入对应区域的钢带中，开始轧拔、拉丝、层绕，碳钢-不锈钢药芯焊丝制备完成；
42.2)组装长方体水冷结晶器(内冷却空腔底面长40mm、宽30mm、高90mm，外底面长100mm、宽90mm、高90mm，冷却水循环区域厚度20mm)，检查入水口、出水口密封性；
43.3)检查电源、机头、熔嘴及送丝机构各项连接是否正常；
44.4)将药芯焊丝加入到送丝机构中；
45.5)熔嘴一端夹持在焊机导电杆下方并与电源相连，熔嘴另一端深入到水冷结晶器底部的上方；
46.6)打开电源，在参数控制面板中调整焊接参数设置焊接电流和送丝速度，开始送丝，直至焊丝伸出熔嘴3mm处停止送丝；
47.7)打开水冷结晶器开关，进水口、出水口同时打开，引入流动冷却水；
48.8)开始电渣熔化，将少量焊剂铺入引入板上，焊剂层厚度约10～15mm，引弧后加入少量焊剂至形成液态渣池并熄灭电弧，随着电渣过程的进行，渣池液面高度不断上升，熔嘴不断熔化进入渣池，当熔嘴在80mm处熔化时关闭电源，最终形成碳钢-不锈钢梯度材料；
49.9)待金属材料在结晶器中凝固成形后，关闭结晶器电源，拆卸水冷结晶器；
50.10)清理金属表面渣皮，得到与结晶器空腔形状一致的碳钢-不锈钢梯度材料。
51.实施例2
52.一种铁素体不锈钢-马氏体不锈钢成分可调梯度材料的制备方法，包括以下步骤：
53.1)成品形状为圆柱状(底部直径φ40mm，高100mm)，确定成品高度方向成分变化区域0-50mm为铁素体不锈钢区域、50mm-100mm马氏体不锈钢区域，制备铁素体不锈钢-马氏体不锈钢药芯焊丝(焊丝直径φ4mm)，计算出铁素体不锈钢部分药芯焊丝长5m、马氏体不锈钢部分药芯焊丝长6m(考虑到由于送丝机构推送限制，需多出1m长度便于送丝机构夹持，保证持续送丝)，选配药芯丝材粉体，铁素体不锈钢段药芯丝材成分：0.050％c、1.55％mn、0.020％si、0.022％p、24.51％cr、12.82％ni、0.16％mo、0.15％cu，马氏体不锈钢段药芯焊丝成分：0.060％c、0.97％mn、0.045％si、0.018％p、11.61％cr、4.75％ni、0.58％mo、0.25％cu，在钢带上标注清晰各区域成分，将不同区域的粉体混合均匀后装配入对应区域的钢带中，开始轧拔、拉丝、层绕，铁素体不锈钢-马氏体不锈钢药芯焊丝制备完成；
54.2)组装圆柱状水冷结晶器(外圆直径内圆空腔直径高度为110mm，冷却水循环区域厚度20mm)，检查入水口、出水口密封性；
55.3)检查电源、机头、熔嘴及送丝机构各项连接是否正常；
56.4)将药芯焊丝加入到送丝机构中；
57.5)熔嘴一端夹持在焊机导电杆下方并与电源的正极相连，熔嘴另一端深入到水冷结晶器底部的上方；
58.6)打开电源，在参数控制面板中调整焊接参数设置焊接电流和送丝速度，开始送丝，直至焊丝伸出熔嘴3mm处停止送丝；
59.7)打开水冷结晶器开关，进水口、出水口同时打开，引入流动冷却水；
60.8)开始电渣熔化，将少量焊剂铺入引入板上，焊剂层厚度约10～15mm，引弧后加入少量焊剂至形成液态渣池并熄灭电弧，随着电渣过程的进行，渣池液面高度不断上升，熔嘴不断熔化进入渣池，当熔嘴在100mm处熔化时关闭电源，最终形成铁素体不锈钢-马氏体不锈钢梯度材料；
61.9)待金属材料在结晶器中凝固成形后，关闭结晶器电源，拆卸水冷结晶器；
62.10)清理金属表面渣皮，得到与结晶器空腔形状一致的铁素体不锈钢-马氏体不锈钢梯度材料。
63.本发明针对在化工行业中应用较为广泛的较大尺寸铁基金属梯度材料快速制备方法的缺乏，根据药芯丝材、熔嘴电渣焊和电渣重熔冶金的工艺特点，提出利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法，采用该方法能够有效制备碳钢-不锈钢、合金成分不同的不锈钢等铁基金属梯度材料，并且还可以相应调整药芯丝材成分配比满足不同产品的性能需求。
64.本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
65.以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1)制备成分连续变化的药芯丝材:采用“钢带法”制备药芯丝材。根据微分思想，结合熔池质量的计算，研究确定配制药粉的单元重量，每个单元中药粉的成分均匀一致，相邻单元药粉成分按照设计呈梯度变化。钢带冷弯成u形管后，按照顺序依次连续加入相邻单元药粉，随后闭合成o形管，再经多次拉拔，从而在整体上获得成分连续变化的药芯丝材(6)。步骤2)装配电渣热熔装置：电渣热熔装置包括电源(1)、送丝机构(2)、参数控制面板(3)、熔嘴(4)和水冷结晶器(5)；水冷结晶器(5)底部为引入板(51)，电源(1)一端与引入板(51)相连，另一端与熔嘴(4)的上端相连，熔嘴(4)的下端垂直插入引入板(51)上方；电源为电渣过程提供能量；送丝机构和参数控制面板集成在焊接小车上；步骤3)电渣热熔药芯丝材成形过程：开始阶段，首先将药芯丝材(6)末端送至水冷结晶器(5)底部的引入板(51)上方，并在引入板(51)上铺入少量焊剂；接通电源(1)，药芯丝材(6)与引入板(51)之间产生电弧并熔化焊剂，不断加入焊剂，形成稳定渣池(7)后电弧熄灭，电渣过程开始进行；渣池(7)位于金属熔池(8)上方，药芯丝材(6)和熔嘴(4)在渣池(7)中不断熔化并进入下方的金属熔池(8)；金属熔池(8)中液态金属不断凝固，渣池(7)和金属熔池(8)则不断上升直至电渣过程结束；去除水冷结晶器(5)，清理掉金属表面渣皮，即可得到与水冷结晶器空腔形状一致的较大尺寸金属梯度材料。2.如权利要求1所述的一种利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法，其特征在于，在所述步骤1)中，由于在电渣熔化药芯丝材时熔池中液态金属的搅动，药芯丝材中相邻单元交接处的药粉成分突变得以消除。3.如权利要求1所述的一种利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法，其特征在于，在所述步骤2)中，熔嘴(4)上端夹持在送丝机构(2)送丝轮的下方并与电源(1)相连，熔嘴(4)另一端深入到水冷结晶器(5)内部液态渣池的上方。4.如权利要求1所述的一种利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法，其特征在于，在所述步骤2)中，熔嘴(4)上端夹持在送丝机构(2)送丝轮的下方并通过导电杆(9)与电源(1)相连。5.如权利要求1所述的一种利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法，其特征在于，在所述步骤2)中，水冷结晶器的形状可根据产品的尺寸和形状需求进行设计，包括圆柱体或立方体。6.如权利要求1所述的一种利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所述水冷结晶器(5)为内部含流动冷却水(53)的水冷铜块(52)制作而成。7.如权利要求1所述的一种利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法，其特征在于，在所述步骤3)中，加入的焊剂刚好形成渣池，覆盖并熄灭电弧。8.如权利要求1所述的一种利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法，其特征在于，所制得的异种金属梯度材料可以根据其组织性能特点和使用需求，进行进一步的加工，包括轧制和/或锻打。

技术总结
本发明公开了一种利用电渣热熔化成分变化药芯丝材快速制备大尺寸异种金属梯度材料的方法，该方法包括3个步骤：成分连续变化药芯丝材的制备、电渣热熔装置装配、电渣热熔药芯丝材成形过程。在电渣过程中药芯丝材和熔嘴在渣池中不断熔化并进入下方的金属熔池；金属熔池中液态金属不断凝固，渣池和金属熔池则不断上升直至电渣过程结束；去除水冷结晶器后得到大尺寸异种金属梯度材料。本发明提供了一种简单、高效和灵活的制备金属梯度材料的方法，可以用于生产各种不同类型的金属制品，有效的解决了功能梯度材料制备工艺复杂、加工成本高、制备效率低等实际生产问题。制备效率低等实际生产问题。制备效率低等实际生产问题。


技术研发人员：王皓 胡会娥 李易
受保护的技术使用者：中国人民解放军海军工程大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/10/19