借助于DED修复剥绒机肋条的方法

借助于ded修复剥绒机肋条的方法
技术领域
1.本发明涉及一种修复剥绒机肋条的方法，该方法借助于ded技术，其中，ded为direct energy deposition的缩略语，即直接能量沉积。


背景技术：

2.ded技术是3d打印技术的一个方向，该ded技术专门应用于3d打印金属和合金，因此整体上可被描述为ded 3d打印技术，简称为ded技术。由于是专用技术，ded技术可以被用来制造例如合金件。由于ded技术可以逐层沉积，换言之，可以控制所成型件的尺寸精度，可以归入精密加工，尽管加工速度相对较低，难以进行批量制造，但可以根据建模，用来修复工件，换言之，ded技术尽管因其效率比较低而在批量制造方面存在不足，但对于单件制造和修复方面有其优势。
3.另外，ded 3d打印设备已经是比较成熟的设备，且所配多轴臂（当前以4轴或5轴为主流），能够实现比较复杂的3d模型的建造或目标零部件的修复。
4.对于例如剥绒机肋条，对其修复主要是对其表面磨损的修复。由于其磨损是较长时间的使用后所形成，而不是突发的表面刻蚀，因此，磨损后的表面形状相对规则。
5.相适应的，使用ded技术常规的修复方式是先通过切削工艺使待修复的零件具有规则的表面，然后通过ded技术在所述表面增材制造合金层从而使零件尺寸符合原初的尺寸。这样，损坏的部件可以被修复并重新投入使用，不仅减少了更换零部件成本，而且修复后的零件因增材的合金性能通常好于零件本身的材料性能，而具有更优异的耐磨性。
6.关于剥绒机肋条的失效形式，除了因噎车造成的塑性变形（极少出现）外，其主要失效形式是表面磨损，随着磨损量的增大，导致剥绒性能下降。主要原因是剥绒机锯片和肋条的交点被定义为工作点，在工作点处剥绒机肋条受到的压力和摩擦力最大。由于每台或者每种型号的剥绒机都有不同，并且受棉层厚度波动的影响，摩擦磨损较为剧烈的位置反映在肋条上的工作点不是一个点，而是一个区域。但如前所述，借助于ded技术对零件进行的修复，首先对零件进行切削加工，以获得规则的修补范围，但所持的原则上尽量少的切除零件原有的基体部分，以减少切削加工的量，属于简单的填补型修复。该种考虑的目的之一还在于，剥绒机肋条通常基于拉制工艺成型，形成基于拉伸的组织结构，因而现有的ded修复工艺普遍只允许切削掉极少量的基体，属于表面清理性或者为了获得规则表面的切削；然而，对于ded技术而言，为了保证所建造的合金层具有更佳的机械性能，往往需要使所建造层具有合理的层数和层厚，因此，其产品性能更多的能够在单件建模上体现，而在修补技术上较少的得到体现。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种剥绒机肋条修复后耐磨性更好的借助于ded修复剥绒机肋条的方法。
8.在本发明的实施例中，提供了一种借助于ded修复剥绒机肋条的方法，所述方法包
括以下步骤：切削，在待修复剥绒机肋条的磨损区域切出相应于刺钉辊轴向的通槽；扫描，ded 3d打印技扫描所述通槽并建模，形成模型；第一沉积步骤，调用所述模型，在所述通槽处以第一金属粉末为原料粉沉积，形成连接层；第二沉积步骤，调用所述模型，在所述连接层上以第二金属粉末为原料粉沉积，形成过渡层；第三沉积步骤，调用所述模型，在所述过渡层上以第三金属粉末为原料粉沉积，形成耐磨层；其中，第一金属材料的塑性高于剥绒机肋条基体材料；第二金属材料的塑性和耐磨性高于第一金属材料；第三金属材料的硬度和耐磨性高于第二金属材料；ded为direct energy deposition的缩略语，即直接能量沉积。
9.可选地，所述通槽的槽深为9~11mm。
10.可选地，耐磨层沉积完毕后，对沉积成形部分进行打磨，以使剥绒机肋条工作面连续且平整。
11.可选地，所述连接层的厚度为3
±
0.5mm；过渡层的厚度为3
±
0.5mm；耐磨层的厚度为4
±
0.5mm。
12.可选地，连接层、过渡层、耐磨层在沉积时，相邻层间的打印方向相互垂直。
13.可选地，连接层、过渡层、耐磨层所对应的送粉速率逐渐增大。
14.可选地，所述第一金属粉末以组分质量百分比记为：fe 24.8%，co 26.1%，cr 23.0%，ni 26.1%；第二金属粉末以组分质量百分比记为：fe 17.5%，co 16.4%，cr 18.6%，ni 18.5%，w 30.0%；第三金属粉末以组分质量百分比记为：fe 13.7%，co 14.4%，cr 12.7%，ni 14.3%，w 44.9%。
15.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第一~第三金属粉末的粒度大于等于200目；且相应的金属粉末各组分应分散均匀。
16.可选地，实现相应金属粉末各组分分散均匀 的方式是：将称量好的各组分粉末投入球墨罐，并使用材料为gcr15的研磨球进行研磨，研磨球与粉末的质量比为3:1，球磨机转速为200r/min，混合时间不少于5个小时。
17.可选地，第一~第三金属粉末应充分干燥，球磨完毕的金属粉末放入120℃的干燥箱中进行干燥，干燥时间不少于4小时；将金属粉末投入ded 3d打印机，密封粉料罐，送粉时使用干燥的氩气送粉。
18.在本发明的实施例中，直接在待修复的剥绒机肋条的磨损区域开槽，而非是请理性的磨削，所开槽的深度足以满足三个功能层的沉积，通过三个不同功能层的沉积，使修复所形成的修复层有一定的韧性，且面层，也就是第三层具有更好的耐磨性，使修复后的剥绒机肋条使用性能更佳。同时，由于ded所提供的是冶金连接，修复所形成的修复层与基体间，也就是与剥绒机肋条间的结合强度比较高，整体机械性能不低于新的剥绒机肋条。
附图说明
19.图1为一实施例中开槽后的待修复肋条的结构示意图。
20.图2为一实施例中建造修复体的工艺过程示意图，右边部分示出了各层间建造的顺序和当前层的打印成型顺序。
21.图3为一实施例中第一种金属粉末的电子显微镜照片。
22.图4为一实施例中所制备耐磨层的电子显微镜照片。
23.图5为一实施例中所制备修复体截面不同部分的硬度曲线。
24.图6为一实施例中基体与耐磨层的摩擦系数曲线。
25.图7为一实施例中集体与耐磨层磨损率对比图。
26.图中：1.基体，2.通槽，3.修复体，31.连接层，32.过渡层，33.耐磨层，4.保护气，5.金属粉末。
实施方式
27.在本发明的实施例中做两方面的考虑，即修复用料为已知用料的条件下，只考虑修复技术条件的突破，即以开槽的方式处理基体1，也就是待修复的剥绒机肋条。开槽后在集体1上形成通槽2，按照常规的理解，开槽后剥绒机肋条的开槽处的基体组织被破坏，且会形成应力集中。但发明人认为，修复基于ded修复技术，最终修复部分与基体1间会形成冶金连接，并且所使用的修复材料的机械性能整体上好于基体1，因此修复后的剥绒机肋条的机械性能不仅没有损失，至少在修复处还有所提高。
28.并且机械性能中的耐磨性和硬度是两个重要的性能指标，尤其是对于剥绒机肋条而言，耐磨性能的重要程度要优于其他性能。
29.以上为第一方面的描述，然后是第二方面，即当前修复一般只是用一种材料进行修复，目前应用于剥绒机肋条修复的ded工艺性材料普遍硬度高、耐磨性好，但因与基体1间的力学性能差别相对较大，导致修复后的部分，即图2中所示的修复体3容易产生裂纹或者易于从基体1上脱落。
30.在本发明的实施例中，以开通槽2的方式，形成一个相对较深的通槽2，然后使用三种材料在力学性能上逐渐过渡的方式，使修复体3与基体1间的结合强度比较高，且修复部分本身不容易产生裂纹。
31.图1中示出了待修复肋条的一般结构，图中肋条的大致呈s状所处的平面与剥绒机上刺钉辊的轴向相垂直，因此，图1中所示的通槽2也以此为参数，通槽2在刺钉辊的轴向贯通待修复的剥绒机肋条。
32.在本发明的实施例中采用三个层进行修复，因此，所述通槽2的槽深应足以满足三个层的沉积。
33.关于剥绒机肋条的修复，相对于传统的单层修复体3，在本发明的实施例，修复所产生的修复体3为三层结构，因此，区别于传统修复方式的单层材料，在本发明的实施例中需要备用三种材料。
34.相对应地，对应于图2中所示的连接层31的连接层金属粉末，对应于过渡层32的过渡层金属粉末，以及对应于耐磨层33的耐磨层金属粉末，显而易见的是，所说的金属粉末5的粒度属于3d打印级别的粒度，在此不再赘述，本领域的技术人员对此应有清楚的理解。
35.如前所述，三种金属粉末5（对应三种金属）应在力学性能上有所考虑，以期使得修复体3与基体1间结合强度比较高，不容易产生离层而脱落，也不不容易产生开裂。因此，作为基本要求，第一金属材料的塑性高于剥绒机肋条基体材料；第二金属材料的塑性和耐磨性高于第一金属材料；第三金属材料的硬度和耐磨性高于第二金属材料。
36.相应地，连接层31的金属材质为第一金属，过渡层32的金属材质为第二金属，耐磨层33的金属材质为第三金属。
37.下面以三种金属粉末5的具体示例进行说明，对于其性能的评价也以具体示例的金属粉末5为例进行评价，不做重复性说明。
38.第一种合金粉末的元素质量分数配比为：fe：24.8%，co：26.1%，cr:23.0%，ni：26.1%。所形成的合金层，即第一合金层，与待修复的剥绒机肋条材料(灰铸铁)力学性能差距不大且具有较好的塑性，由于机械性能差别不大，不容易因机械性能变化剧烈而易于脱落，可以达到良好的结合。
39.图3为第一种金属粉末的电子显微镜照片，力度相对均匀，粒径分布范围不大，可以用作3d打印的原料粉。
40.第二种合金粉末为过渡层粉末，其元素质量分数配比为：fe：17.5%，co：16.4%，cr：18.6%，ni：18.5%，w：30.0%。所生成合金层处于中间层，即过渡层32，具有相对于连接层31更好的塑性和耐磨性。
41.第二种合金粉末本身也可以用于耐磨层33的原料粉。
42.第三种合金粉末为耐磨层粉末，其元素质量分数配比为：fe：13.7%，co：14.4%，cr：12.7%，ni：14.3%，w：44.9%。该合金层即耐磨层33，具有相对于过渡层32更高的硬度和耐磨性，可以应对零件高强度的磨损环境。
43.选择三层结构是因为三层可以起到很好的过渡效果，只沉积单种耐磨层粉末（其元素质量分数配比为：fe：13.7%，co：14.4%，cr：12.7%，ni：14.3%，w：44.9%）修复后的剥绒机肋条（ded 3d打印的工艺参数为：激光功率为1600w，送粉率为0.6l/min、打印速率为300mm/min、离焦量15mm；搭接率为30％，厚度与凹槽深度相对应10mm
±
1mm），由于与灰铸铁的力学性能差异过大，沉积的涂层出现裂纹和脱落现象。而通过本方法沉积三层结构得到了沉积良好的涂层，没有出现裂纹和脱落现象。因此设置三层结构是有必要的，至于选择增加更多的层数会增加更多的工艺过程，但力学性能差异不大。
44.ded 3d打印对原料粉的混合均匀度有更高的要求，因此，对于配好三层的合金粉末5，在一些实施例中将相应的金属粉末5放入球磨机中混合5h，使合金粉末充分混合均匀。使用材料为gcr15的研磨球，研磨球与粉末比例为3:1，球磨机转速为200r/min。
45.为了确保给粉顺畅均匀，在将金属粉末5混合均匀后，从球墨罐中将金属粉末5取出放入120℃的干燥箱中干燥4小时，以去除水分，从而保证其干燥性。
46.关于待修复的剥绒机肋条，可以先对肋条受损区域根据零件的计算机辅助设计(cad)文件进行重建，然后开槽。也可以根据磨损的区域大小根据经验开槽。前者可以确保开槽区域的相对精准性，后者效率比较高。
47.图1中，通槽2的槽深优选地采用10mm
±
1mm，而通槽2的宽度为5cm
±
1cm，其中的宽度对应于图1中的左右方向，也是剥绒机肋条的条向。5cm基本上可以覆盖全部的磨损区域，不宜开的过宽，以节省材料。
48.关于槽深的考虑，主要是因磨损失效的剥绒机肋条表面的磨损深度可能会参差不齐，且肋条内部可能已经出现了微裂纹，为了避免灰铸铁内部存在的微裂纹对于ded的影响，选择切下10mm左右深度。此外，10mm左右深度已经可以满足三层粉末的工艺要求，再深也就没有必要，会增加金属粉末的浪费。
49.进一步地，对开槽后的剥绒机肋条进行3d扫描，形成建模，对于ded 3d打印而言，可以直接调用扫描所生成的模型进行加工，此为该类工艺设备的一般原理，不属于本发明改进的内容，对此本领域的技术人员也应有清楚地理解。
50.相应地，先沉积第一层，调用所述模型，以连接层金属粉末为原料粉进行连接层31的建造。选择激光功率为1200w，送粉率为0.4l/min、打印速率为300mm/min、离焦量15mm；搭接率为50％，连接层31的厚度控制在3
±
0.5mm；然后沉积第二层，调用所述模型，以过渡层金属粉末为原料粉进行过渡层32的建造。在沉积时，与连接层31的沉积角度转换90
°
，交叉沉积可以得到更加平滑的表面。选择激光功率为1400w，送粉率为0.5l/min、打印速率为300mm/min、离焦量15mm；搭接率为50％，过渡层32的厚度控制在3
±
0.5mm；最后沉积第三层，调用所述模型，以耐磨层金属粉末为原料粉建造耐磨层3,。同样的与上一层，也就是过渡层32的沉积角度转换90
°
进行沉积。选择激光功率为1600w，送粉率为0.6l/min、打印速率为300mm/min、离焦量15mm；搭接率为30％，耐磨层33的厚度控制在4
±
0.5mm；在这里三层厚度的选择，耐磨层33是修复中最重要的工作层，所以所选厚度最大。同时，过渡层32在总体结构中也有着重要的作用，过渡层的设计减少了热应力的集中，充分的过渡层32厚度会使整体得到更加稳定的微观结构。最后，连接层31不仅起到了连接材料与过渡的作用，且具有较好的塑性。适当的连接层31的厚度保证了与灰铸铁之间有着良好的冶金结合，也可以更好的吸收耐磨层传下来的应力集中以及塑性变形。
51.经过正交实验设计进行大量实验后，三层不同的层厚，在连接层31和过渡层32的厚度均控制在3
±
0.5mm，耐磨层33层厚控制在4
±
0.5mm时，修复后的肋条有着最优异的摩擦学性能。
52.三层沉积厚度加一起大概10mm
±
1mm，与通槽2的深度所对应，最后对沉积结束后的表面进行加工打磨，使加工区域与剥绒机肋条表面平整、连续。
53.进而，使用维氏硬度计（402mvd）对修复后的剥绒机肋条建造出修复体3的部位截取，然后对截面硬度进行了测量，负载为500g，持续时间15s。如附图5所示，截面硬度呈阶梯式提升，耐磨层33的硬度是肋条灰铸铁的4.8倍。
54.将修复所用的耐磨层材料与肋条灰铸铁材料放在rtec-mft-50往复摩擦磨损试验机中测试耐磨性，摩擦磨损试验参数为往复频率：2hz、施加载荷：50n、温度：室温、行程：8mm、时间：30min。实验结果如图6、图7所示。耐磨层的摩擦系数远远低于肋条灰铸铁材料，磨损率仅为灰铸铁材料的16.7%，修复后的肋条具有着很优异的耐磨性。
55.通过以上实施例的描述可知，本发明主要通过材料、工艺方法两方面，对剥绒机肋条在实际工况下的服役性能进行考量。利用ded技术，将三种不同性质的粉末通过ded 3d打印设备在肋条工作区域进行冶金结合，且成型后的合金与预期性能相差可忽略不计。其中，对耐磨层33、过渡层32和连接层31的材料设计，使得修复后的剥绒机肋条具有较高的强度。
连接层31的设计与剥绒机肋条基体形成了良好的结合，且具有较好的塑性，可以吸收耐磨层33传下来的应力集中以及塑性变形。过渡层32的设计减少了热应力的集中，性能好，不容易产生裂纹和脱落。
56.耐磨层33有着大量难溶金属w，w具有高强度和硬度，也会和其他元素生成第二相，大大增加了耐磨层33的耐磨性,附图4是耐磨层33表面的微观组织图。此外，对于三层的沉积工艺参数进了优化，在保证其力学性能的前提下，结合三种金属粉末5的热物性的差异进行的沉积实验参数的设定，使其能够在沉积一种粉末的同时，另一种沉积层在微观上与其呈现良好的冶金结合，且不会因激光束能量过高而发生大面积的塌陷，从而最大程度上发挥耐磨层的力学性能。最后，上述的三种金属粉末皆为市场上常用金属粉末，经济性能良好。

技术特征：
1.一种借助于ded修复剥绒机肋条的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：切削，在待修复剥绒机肋条的磨损区域切出相应于刺钉辊轴向的通槽；扫描，ded 3d打印技扫描所述通槽并建模，形成模型；第一沉积步骤，调用所述模型，在所述通槽处以第一金属粉末为原料粉沉积，形成连接层；第二沉积步骤，调用所述模型，在所述连接层上以第二金属粉末为原料粉沉积，形成过渡层；第三沉积步骤，调用所述模型，在所述过渡层上以第三金属粉末为原料粉沉积，形成耐磨层；其中，第一金属材料的塑性高于剥绒机肋条基体材料；第二金属材料的塑性和耐磨性高于第一金属材料；第三金属材料的硬度和耐磨性高于第二金属材料；ded为direct energy deposition的缩略语，即直接能量沉积。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通槽的槽深为9~11mm。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，耐磨层沉积完毕后，对沉积成形部分进行打磨，以使剥绒机肋条工作面连续且平整。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述连接层的厚度为3
±
0.5mm；过渡层的厚度为3
±
0.5mm；耐磨层的厚度为4
±
0.5mm。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，连接层、过渡层、耐磨层在沉积时，相邻层间的打印方向相互垂直。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，连接层、过渡层、耐磨层所对应的送粉速率逐渐增大。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一金属粉末以组分质量百分比记为：fe 24.8%，co 26.1%，cr 23.0%，ni 26.1%；第二金属粉末以组分质量百分比记为：fe 17.5%，co 16.4%，cr 18.6%，ni 18.5%，w 30.0%；第三金属粉末以组分质量百分比记为：fe 13.7%，co 14.4%，cr 12.7%，ni 14.3%，w 44.9%。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第一~第三金属粉末的粒度大于等于200目；且相应的金属粉末各组分应分散均匀。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，实现相应金属粉末各组分分散均匀 的方式是：将称量好的各组分粉末投入球墨罐，并使用材料为gcr15的研磨球进行研磨，研磨球与粉末的质量比为3:1，球磨机转速为200r/min，混合时间不少于5个小时。10.根据权利要求7~9任一所述的方法，其特征在于，第一~第三金属粉末应充分干燥，球磨完毕的金属粉末放入120℃的干燥箱中进行干燥，干燥时间不少于4小时；将金属粉末投入ded 3d打印机，密封粉料罐，送粉时使用干燥的氩气送粉。

技术总结
本发明公开了一种借助于DED修复剥绒机肋条的方法，所述方法包括以下步骤：切削，在待修复剥绒机肋条的磨损区域切出相应于刺钉辊轴向的通槽；扫描，DED 3D打印技扫描所述通槽并建模，形成模型；第一沉积步骤，调用所述模型，在所述通槽处以第一金属粉末为原料粉沉积，形成连接层；第二沉积步骤，调用所述模型，在所述连接层上以第二金属粉末为原料粉沉积，形成过渡层；第三沉积步骤，调用所述模型，在所述过渡层上以第三金属粉末为原料粉沉积，形成耐磨层；其中，第一金属材料的塑性高于剥绒机肋条基体材料；第二金属材料的塑性和耐磨性高于第一金属材料；第三金属材料的硬度和耐磨性高于第二金属材料；基于本发明剥绒机肋条修复后耐磨性更好。磨性更好。磨性更好。


技术研发人员：段旭楠 王守仁 王高琦 肖振 焦一帆 张振宇 赵鹏 杨海宁
受保护的技术使用者：济南大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/31