CN105586477A - 一种提高3d打印马氏体不锈钢结构件硬度的方法 - Google Patents

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陶文明
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Abstract

本发明公开了一种提高3D打印马氏体不锈钢结构件硬度的方法，其通过对3D打印马氏体不锈钢结构件进行“低温回火+超深冷处理+低温回火”的热处理，来降低或消除残余奥氏体，并在马氏体基体中析出具有增强作用的纳米级碳化物；本发明提出的方法解决了3D打印马氏体不锈钢结构件中存在的硬度分布不均匀现象，并进一步提高了其硬度，对于改善3D打印马氏体不锈钢结构件的力学性能，促进其工程应用具有积极作用。

Description

一种提高3D打印马氏体不锈钢结构件硬度的方法
技术领域
本发明涉及一种提高3D打印（增材制造）马氏体不锈钢结构件硬度的方法，属于3D打印技术领域。
背景技术
3D打印依据数字模型，通过连续的物理层叠加，逐层增加材料的方式来制造三维实体物件，是当前世界制造业发展的新趋势，将推动航空航天、军事、汽车、医疗和消费电子产品等核心产业的革新。特别是在样品设计、研制阶段，以及复杂形状结构件的小批量生产、定制等领域，3D打印的优势可以得到充分发挥。
由于3D打印是一种近净成形技术，无法通过变形加工来调整其结构和力学性能，因而采用表面处理和/或热处理成为对3D打印结构件进行结构和性能调控的少数可选手段。比如，中国专利CN201410315813.X公开了一种增材制造金属件表面多重激光抛光及强化方法，利用毫秒脉冲激光和纳秒脉冲激光多次扫描处理增材制造金属零件表面，实现增材制造金属零件表面的抛光；多重激光扫描抛光过程中，对增材制造金属件进行保温处理，可以使增材制造金属件表面应力分布均匀；对激光抛光的增材制造金属件表面进行激光扫描强化，可以改变增材制造金属件表面应力状态，由拉应力转化为压应力，提高增材制造金属件抗疲劳性能，满足金属零件的使用性能。中国专利CN201510508138.7公开了一种TC4钛合金激光选区熔化增材制造及热处理方法，对TC4钛合金成形构件采用双重退火工艺进行热处理：先将TC4钛合金构件置于温度为780～820℃的真空热处理炉中，保温1.5～2h后空冷至室温；然后重新置于温度为530～550℃的真空热处理中，保温2～3h后再空冷至室温。经上述工艺处理后的TC4钛合金构件强度在超过1000MPa的同时延伸率达到不小于10％。
不锈钢是金属3D打印的重要原材料之一。其中，马氏体不锈钢具备高强度和耐蚀性，可用于制造涡轮叶片，医疗器械、测量用具、弹簧、模具等。目前，已有一些马氏体不锈钢成功应用于3D打印行业，然而，这些采用3D打印技术制造的马氏体不锈钢结构件存在硬度分布不均匀，硬度有待进一步提高的问题。
发明内容
本发明目的是要提供一种提高3D打印马氏体不锈钢结构件硬度的方法。
实现本发明目的的技术方案是为通过降低和消除3D打印马氏体不锈钢结构件中的残余奥氏体，并在马氏体基体中析出纳米级的碳化物，实现提高其硬度的目的。
本发明是这样实现的：一种提高3D打印马氏体不锈钢结构件硬度的方法，其特征在于：其通过对3D打印马氏体不锈钢结构件进行“低温回火+超深冷处理+低温回火”的热处理，来降低或消除残余奥氏体，并在马氏体基体中析出具有增强作用的纳米级碳化物。
具体步骤如下：
第一步：将3D打印的马氏体不锈钢结构件在100-250℃之间进行低温回火，以消除构件的内应力，同时，内应力的消除也有利于残余奥氏体向马氏体的转变。
第二步：利用液氮作为冷却介质，将低温回火处理后的3D打印不锈钢结构件冷却至-196℃进行超深冷处理，并保持0-2小时，然后升温至室温；
第三步：将超深冷处理后的3D打印不锈钢结构件在100-250℃之间进行低温回火，以消除超深冷处理在构件中引起的内应力。
第四步：对上述处理后的3D打印马氏体不锈钢结构件中的残余奥氏体含量进行实验测定，如残余奥氏体含量仍较高，可重复进行上述超深冷处理步骤，直至残余奥氏体的含量或硬度达到要求。
本发明所依据的原理是马氏体不锈钢的马氏体转变终止温度一般都低于零度，因而淬火至室温时，马氏体转变尚未完成，同时，先转变的马氏体对奥氏体转变为马氏体的过程有阻碍作用，上述原因导致马氏体不锈钢中保留了部分残余奥氏体，由于奥氏体的硬度低于马氏体，因而会引起3D打印马氏体不锈钢结构件的硬度分布不均匀，及硬度较低的现象。本发明通过去应力低温回火和超深冷处理，可使残余奥氏体继续转变为马氏体，并析出具有增强作用的纳米尺寸的碳化物，对马氏体基体起到了增强作用，使得3D打印马氏体不锈钢具有接近单相马氏体的相结构，消除了硬度分布不均匀，并提高了其硬度。
目前提高3D打印结构件硬度的方法主要有表面喷丸、激光表面处理等，这些手段仅能改善结构件的表面硬度。与之相比，本发明所采取的手段降低了3D打印马氏体结构件整体的残余奥氏体含量，并在马氏体基体上析出了具有增强作用的纳米级碳化物，使得结构件从表面到内部的整体硬度都得以增大。
本发明一种提高3D打印马氏体不锈钢结构件硬度的方法的优点是：可使3D打印马氏体不锈钢具有接近单相马氏体的相结构，消除了硬度分布不均匀，并提高了其硬度，对促进3D打印马氏体结构件的工程应用具有促进作用。
具体实施方式
实施例1
提高1Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢3D打印结构件的硬度。
（1）以1Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢粉末为原材料，粉末平均粒径为30微米，球形形貌；采用选区激光熔化3D打印工艺制造尺寸为1cm×1cm×1cm的结构件试样，激光功率400W、扫描速率0.01m/s。
（2）将3D打印的1Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢结构件试样在150℃进行低温回火1h，之后利用液氮作为冷却介质，以5℃/min的降温速率冷却至-196℃，并在该温度保温1h；然后以5℃/min的升温速率升温至室温；最后将试样在150℃进行低温回火1h。
（3）将处理后的试样进行相结构表征和硬度测试，发现残余奥氏体含量降低至5%以下，硬度值为39HRC，比处理前提高约15%，且硬度分布均匀。
实施例2
提高3Cr13马氏体不锈钢3D打印结构件的硬度。
（1）以3Cr13马氏体不锈钢粉末为原材料，粉末平均粒径为30微米，球形形貌；采用选区激光熔化3D打印工艺制造尺寸为1cm×1cm×1cm的结构件试样，激光功率400W、扫描速率0.01m/s。
（2）将3D打印的3Cr13马氏体不锈钢结构件试样在200℃进行低温回火1h，之后利用液氮作为冷却介质，以5℃/min的降温速率冷却至-196℃，并在该温度保温1h；然后以5℃/min的升温速率升温至室温；最后将试样在200℃进行低温回火1h。
（3）将处理后的试样进行相结构表征和硬度测试，发现残余奥氏体含量降低至3%以下，硬度值为56HRC，比处理前提高约10%，且硬度分布均匀。

Claims (2)

1.一种提高3D打印马氏体不锈钢结构件硬度的方法，其特征在于：其通过对3D打印马氏体不锈钢结构件进行“低温回火+超深冷处理+低温回火”的热处理，来降低或消除残余奥氏体，并在马氏体基体中析出具有增强作用的纳米级碳化物。
2.根据权利要求1所述的一种提高3D打印马氏体不锈钢结构件硬度的方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步：将3D打印的马氏体不锈钢结构件在100-250℃之间进行低温回火，以消除构件的内应力，同时，内应力的消除也有利于残余奥氏体向马氏体的转变；
第二步：利用液氮作为冷却介质，将低温回火处理后的3D打印不锈钢结构件冷却至-196℃进行超深冷处理，并保持0-2小时，然后升温至室温；
第三步：将超深冷处理后的3D打印不锈钢结构件在100-250℃之间进行低温回火，以消除超深冷处理在构件中引起的内应力；
第四步：对上述处理后的3D打印马氏体不锈钢结构件中的残余奥氏体含量进行实验测定，如残余奥氏体含量仍较高，可重复进行上述超深冷处理步骤，直至残余奥氏体的含量或硬度达到要求。
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