CN107365951A

CN107365951A - 一种Fe基非晶合金零件及其制备方法

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Publication number: CN107365951A
Application number: CN201710652902.7A
Authority: CN
Inventors: 马英杰; 李广生; 孙峰; 盘宝珠
Original assignee: Laser Technology Development (beijing) Co Ltd
Current assignee: Xinjinghe Laser Technology Co ltd
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2017-11-21
Anticipated expiration: 2037-08-02
Also published as: CN107365951B

Abstract

本发明公开了一种Fe基非晶合金零件，该零件由Fe基非晶粉末采用3D打印技术制备，该Fe基非晶粉末包括：39～45％Fe、20～26％Cr、29％Mo、4％C和2％B。还公开了该Fe基非晶合金零件的制备方法，包括：(1)制备Fe基非晶粉末：A、按照所述成分重量百分比称取相应原材料：Fe、Cr、Mo、C和FeB；B、将原材料Fe、Cr、FeB以及40～60％重量的C加入已预热的坩埚熔炉内，对熔炉升温熔炼；C、待加入的原材料全部熔清后，加入剩余重量的C及Mo，对熔炉继续升温熔炼；D、待原材料全部熔清后，雾化、干燥、筛分；(2)利用所制得的非晶粉末采用3D技术制备。本发明能制备出大尺寸复杂形状的非晶合金零件，突破了现有方法中临界尺寸的限制，扩展了非晶合金零件的应用范围。

Description

一种Fe基非晶合金零件及其制备方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种Fe基非晶合金零件及其制备方法。

背景技术

非晶态合金，也称为金属玻璃(Metallic glasses)，是原子排列为长程无序短程有序的合金。与传统的晶体合金相比，非晶态合金没有长程有序的结构，其原子排列不具有晶态合金的周期性。同时，由于非晶合金“遗传”了液态原子的结构排列特征，因此不具有空位、位错、滑移等晶体合金中存在的组织和缺陷特征。非晶合金的特殊结构使其具备特殊的力学性能、磁学性能、电性能和耐蚀性能等物理和化学性质。优异的性能使非晶态合金具有广泛的应用前景，有望应用于航空航天、精密机械、信息、化工、能源、军事、医疗、体育器械等诸多领域。

非晶态合金由于其特殊性，成形上受到尺寸的限制，成形尺寸从几微米到几毫米。只能成形小尺寸零件严重限制了非晶合金的发展，目前制备非晶合金主要有以下方法：

铜模铸造法铜模铸造法工艺过程比较简单，易于操作，对外界条件依赖性较低，是现今最常见的块体非晶合金制备技术，但是受到金属模具冷却速度的限制，获得的非晶合金尺寸也有限。

熔体旋淬法该技术是采用高速旋转的金属圆辊将合金流铺展成为液膜并通过圆辊的冷却作用快速凝固。制备连续条带的方法可以大致分为内圆法、外圆法和双锟法。该方法制备出的非晶合金是在平面内具有给定曲率的一种产品，制备这种产品的关键是要延长样品与基体之间的距离。

水淬法选择合适成分的合金放于石英管中，在真空(或保护气氛)中将母合金加热熔化，然后进行水淬。这种方法可以达到较高的冷却速度，有利于大块非晶合金的形成，所得的非晶合余棒材表面光亮，有金属光泽。此方法操作简单，但有一定的局限性，对于那些与石英管壁有强烈反应的合金熔体不宜采用此方法，如Mg-Cu-Y非晶合金就不能用水淬法制备。另外，熔体冷却效率不如铜模高。

高压铸造法将母合金熔化后,在一定的压力和速度下将合金熔体压入金属模型内腔。高压使熔体与铜模紧密接触，增大了两者界面处的热流，从而提高了熔体的冷却速度；可减少凝固过程中因熔体收缩造成的缩孔之类的铸造缺陷；即使熔体的黏度很高，也能直接从液态制成复杂的形状。但这种工艺技术难度大，技术较为复杂。

定向凝固铸造法定向凝固是一种可以连续获得大体积非晶合金的方法，该方法要控制定向凝固速率V和固-液界面前沿液相温度梯度G，定向凝固所能达到的理论冷却速度可以通过两个参数乘积估算，即R＝GV，可见温度梯度G越大，定向凝固速率V越快，冷却速率则越大，可以制备的非晶的截面尺寸也越大，这种方法适于制作截面积不大但比较长的样品。

气体雾化气体雾化过程是把从喷嘴喷出的高速气流的动能用于粉碎过程。金属流体以自由落体的方式由溶液槽中流出后受到切线方向或与喷嘴呈α角的气流的撞击，并被雾化。除空气以外，还可以采用氮气、氩气和氦气作为雾化气体。喷嘴可以是环型、狭缝型或复合型。粉碎所需的能量主要由气流供给。熔化的合金液浇入漏包中经过喷嘴雾化并在雾化室中进一步破碎、凝固，最后在收集室中收集。

目前，通过设计非晶合金的成分，已经制备出锆基、钛基、铁基、铜基、钴基、镍基等临界冷却速率较低的几种非晶合金。例如，铜模铸造法制得的Zr_{6 5}A_l7.5Ni₁₀Cu_17.5块体非晶合金，临界冷却速率只有1.5K/s，其临界尺寸达到13mm；Ti₅₀Cu₂₀Ni₂₅Co₅非晶合金的临界尺寸为16mm。总的来讲，目前通过水淬法和铜模铸造法成形的非晶合金材料一般为棒状或者块状，其最大直径尺寸仍然较小，一般不超过10余毫米。同时，由于非晶合金材料具有的高硬度、高耐磨性与易脆性，使其很难利用机加工技术获得复杂的零件。

3D打印技术可以实现快速加热、快速冷却，并且能够制备各种复杂零部件。本发明就是在此基础上，要创设一种新的Fe基非晶合金零件及其制备方法，使其能制备出成形复杂形状的Fe基非晶合金零件，扩大其应用范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种Fe基非晶合金零件，使其可根据需要成形各种复杂形状，扩大其应用范围，从而克服现有的Fe基非晶合金零件存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种Fe基非晶合金零件，所述Fe基非晶合金零件由Fe基非晶粉末采用3D打印技术制备，所述Fe基非晶粉末包括如下重量百分比的化学成分：39～45％Fe、20～26％Cr、29％Mo、4％C和2％B。

具体的，所述Fe基非晶粉末包括如下重量百分比的化学成分：39％Fe、26％Cr、29％Mo、4％C和2％B。

所述Fe基非晶粉末包括如下重量百分比的化学成分：45％Fe、20％Cr、29％Mo、4％C和2％B。

所述Fe基非晶粉末为粒径15～53μm的球形。

本发明还提供一种上述Fe基非晶合金零件的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)制备所述Fe基非晶粉末：

A、按照所述Fe基非晶粉末化学成分重量百分比称取相应重量的原材料：Fe、Cr、Mo、C和FeB，其中FeB中含B的重量百分比为18.5％，含Fe的重量百分比为81.5％；

B、将步骤A称取的原材料Fe、Cr、FeB以及40～60％重量的C加入已预热的坩埚熔炉内，对熔炉进行升温熔炼；

C、待加入的原材料全部熔清后，加入剩余重量的C以及Mo，对熔炉继续升温熔炼；

D、待原材料全部熔清后，雾化、干燥、筛分，即得所述Fe基非晶粉末；

(2)利用所制得的所述Fe基非晶粉末，采用3D打印技术制备所述Fe基非晶合金零件。

进一步改进，所述步骤B中坩埚熔炉的预热步骤为：预热功率30KW，预热时间30min；其中对熔炉进行升温熔炼步骤中熔炉功率提高至65～75KWKW；所述步骤C中对熔炉继续升温熔炼步骤中熔炉功率提高至85～90KW。

进一步改进，所述步骤D中雾化步骤为：熔炉温度保持1200℃，雾化压力为60MPa，水流量为93L/min，采用漏眼为Φ15mm的金属导流管，雾化时间为3min；筛分步骤为：筛取15～53μm的非晶粉末；干燥步骤为：真空条件下，100℃，干燥6h。

进一步改进，所述步骤(2)中3D打印技术的具体步骤为：首先利用三维软件生成所需形状的零件数模，再添加支撑、分层和填充，其中，填充方式为分区扫描，具体的3D打印技术条件为：激光功率230W～255W，激光扫描速率1250mm/s～1450mm/s，分层厚度40μm，分区宽度5～8mm，光斑搭接率为25％～40％。

本发明还提供一种Fe基非晶合金零件的制备方法，所述Fe基非晶合金零件由Fe基非晶粉末采用3D打印技术制备，所述方法包括如下步骤：

(1)制备所述Fe基非晶粉末：

A、按照所需制备的Fe基非晶粉末的化学成分重量百分比称取相应的原材料：Fe、Cr、Mo、C和FeB；

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

本发明制备方法制备得到的Fe基非晶合金零件由球形度好、粒径为15～53μm的Fe基非晶粉末采用3D打印技术制备，该方法能形成任意复杂形状的Fe基非晶合金零件，且该方法制备的零件非晶相含量超过60％，其拉伸强度为晶态同成分的材料的1.5倍，其硬度为晶态同成分的材料的2倍，其抗摩擦磨损能力比晶态同成分的材料高出了20％。

本发明通过3D打印方法可以制备出大尺寸复杂形状的非晶合金零件，相比于铜模鋳造法得到的Fe₃₅Cr₂₅Mo₁₅C₁₅B₁₀零件，3D打印方法突破了其临界尺寸的限制，能够在保留非晶合金优异性能的基础上，制备出各种复杂形状的零部件，以满足工业上的应用，该方法大大扩展了Fe基非晶合金零件的应用范围。

附图说明

上述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，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明两种实施例材料的XRD曲线；

图2是本发明两种实施例材料的DCS曲线；

图3是本发明化学成分为Fe₄₀Cr₂₀Mo₁₅C₁₅B₁₀的材料的扫描电镜照片；

图4是本发明化学成分为Fe₃₅Cr₂₅Mo₁₅C₁₅B₁₀的材料的扫描电镜照片。

图5是本发明Fe基非晶合金零件的一个实施例结构示意图。

具体实施方式

本发明Fe基非晶合金零件，由Fe基非晶粉末采用3D打印技术制备，其Fe基非晶粉末的化学成分为Fe_60-xCr_xMo₁₅C₁₅B₁₀，其中下标数字代表原子百分比，x取20～25之间(包括20和25)的整数，将各化学元素换算为重量百分比后，各化学成分的重量百分含量为：39～45％Fe、20～26％Cr、29％Mo、4％C和2％B。

具体的，当x取20时，该Fe基非晶粉末的化学成分为Fe₄₀Cr₂₀Mo₁₅C₁₅B₁₀，其重量百分比为：45％Fe、20％Cr、29％Mo、4％C和2％B。

当x取25时，该Fe基非晶粉末的化学成分为Fe₃₅Cr₂₅Mo₁₅C₁₅B₁₀，其重量百分比为：39％Fe、26％Cr、29％Mo、4％C和2％B。

该Fe基非晶粉末的制备方法采用水雾化，设备采用LD-WA/50型超高压水雾化制粉设备，其具体包括如下步骤：

(1)按照上述待制备非晶粉末具体的化学成分重量百分比称取相应重量的原材料：Fe、Cr、Mo、C和FeB，其中FeB中含B的重量百分比为18.5％，含Fe的重量百分比为81.5％；

(2)将步骤(1)称取的原材料Fe、Cr、FeB以及40～60％重量的C，较优为50％的C，加入已预热的坩埚熔炉内，对熔炉进行升温熔炼，熔炉功率提高至65-75KW；

其中，坩埚熔炉的预热步骤为：预热功率30KW，预热时间30min。

(3)待加入的原材料全部熔清后，加入剩余重量的C以及Mo，对熔炉继续升温熔炼，熔炉功率提高至85-90KW，此时测试温度，应在1500℃～1600℃；

(4)待原材料全部熔清后，再次测温温度，应在1600℃～1650℃，开始雾化、干燥、筛分筛取15～53μm的非晶粉末，即得Fe基非晶合金零件。

其中雾化步骤为：熔炉温度保持1200℃，雾化压力为60MPa，水流量为93L/min，采用漏眼为Φ15mm的金属导流管，雾化时间为3min。

该方法制备的Fe基非晶粉末拥有优异的抗氧化性能，其利用率能达83％以上。

具体实施例1为：

(1)称取相应重量的原材料：Fe35.04kg、Cr20.76kg、Mo28.74kg、C3.59kg和FeB11.87kg；

(2)将称取的原材料Fe、Cr、FeB以及1.80kg的C，加入已预热的坩埚熔炉内，对熔炉进行升温熔炼，熔炉功率提高至70KW；

(3)待加入的原材料全部熔清后，加入剩余重量的C以及Mo，对熔炉继续升温熔炼，熔炉功率提高至85KW，此时测试温度为1560℃；

(4)待原材料全部熔清后，再次测试温度为1630℃，根据上述雾化步骤进行雾化、干燥、筛分，即得化学成分为Fe₄₀Cr₂₀Mo₁₅C₁₅B₁₀的Fe基非晶粉末。

该制备方法的具体实施例2为：

(1)称取相应重量的原材料：Fe29.61kg、Cr26.05kg、Mo28.86kg、C3.61kg和FeB11.87kg；

(2)将称取的原材料Fe、Cr、FeB以及1.45kg的C，加入已预热的坩埚熔炉内，对熔炉进行升温熔炼，熔炉功率提高至70KW；

(3)待加入的原材料全部熔清后，加入剩余重量的C以及Mo，对熔炉继续升温熔炼，熔炉功率提高至85KW，此时测试温度为1590℃；

(4)待原材料全部熔清后，再次测试温度为1650℃，根据上述雾化步骤进行雾化、干燥、筛分，即得化学成分为Fe₃₅Cr₂₅Mo₁₅C₁₅B₁₀的Fe基非晶粉末。

选取上述两个实施例制备得到的化学成分为Fe₄₀Cr₂₀Mo₁₅C₁₅B₁₀和化学成分为Fe₃₅Cr₂₅Mo₁₅C₁₅B₁₀的两种Fe基非晶粉末，将其分别绘制X射线衍射(XRD)曲线、DCS曲线，以及扫描电镜照片，对该制备方法制备得到的Fe基非晶粉末进行检验。

结果如附图1至附图4，从该图1中可看出，两条曲线均显示只有一个漫散射峰，表面该化学成分为Fe₄₀Cr₂₀Mo₁₅C₁₅B₁₀和化学成分为Fe₃₅Cr₂₅Mo₁₅C₁₅B₁₀的两种Fe基非晶粉末均为非晶相结构。

从该图2中可看出，两条曲线都能看到非晶合金材料中特有的T_g和T_x，进一步证明该两种材料均为非晶态结构。

附图3为化学成分为Fe₄₀Cr₂₀Mo₁₅C₁₅B₁₀的材料扫描得到的电镜照片，附图4为化学成分为Fe₃₅Cr₂₅Mo₁₅C₁₅B₁₀的材料扫描得到的电镜照片，从该图3和图4可以看出该两种粉末的球形度，粒度都非常好，适合3D打印用。

本发明Fe基非晶合金零件由上述制备得到的Fe基非晶粉末采用3D打印技术进行制备。

本发明具体的3D打印步骤为：首先利用三维软件生成所需形状的零件数模，模型如附图5所示，为某一机械零部件；再利用软件进行添加支撑、分层和填充，其中，填充方式为分区扫描；最后零件成型，具体3D打印技术条件为：激光功率230～255W，激光扫描速率1250mm/s～1450mm/s，分层厚度40μm，分区宽度5～8mm，光斑搭接率为25％～40％。本实施例最优3D打印技术条件为：激光功率235W，激光扫描速率1450mm/s，分层厚度为40μm，分区宽度为7mm，光斑的搭接率为35％。

该Fe基非晶合金零件制备方法制得的零件非晶相含量超过60％，其拉伸强度为晶态同成分的材料的1.5倍，其硬度为晶态同成分的材料的2倍，其抗摩擦磨损能力比晶态同成分的材料高出了20％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种Fe基非晶合金零件，其特征在于，所述Fe基非晶合金零件由Fe基非晶粉末采用3D打印技术制备，所述Fe基非晶粉末包括如下重量百分比的化学成分：39～45％Fe、20～26％Cr、29％Mo、4％C和2％B。

2.根据权利要求1所述的Fe基非晶合金零件，其特征在于，所述Fe基非晶粉末包括如下重量百分比的化学成分：39％Fe、26％Cr、29％Mo、4％C和2％B。

3.根据权利要求1所述的Fe基非晶合金零件，其特征在于，所述Fe基非晶粉末包括如下重量百分比的化学成分：45％Fe、20％Cr、29％Mo、4％C和2％B。

4.根据权利要求1至3任一项所述的Fe基非晶合金零件，其特征在于，所述Fe基非晶粉末为粒径15～53μm的球形。

5.一种权利要求1至4任一项所述的Fe基非晶合金零件的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)制备所述Fe基非晶粉末：

6.根据权利要求5所述的Fe基非晶合金零件的制备方法，其特征在于，所述步骤B中对熔炉进行升温熔炼步骤中熔炉功率提高至65～75KW；所述步骤C中对熔炉继续升温熔炼步骤中熔炉功率提高至85～90KW。

7.根据权利要求5所述的Fe基非晶合金零件的制备方法，其特征在于，所述步骤D中雾化步骤为：熔炉温度保持1200℃，雾化压力为60MPa，水流量为93L/min，采用漏眼为Φ15mm的金属导流管，雾化时间为3min；筛分步骤为：筛取15～53μm的非晶粉末；干燥步骤为：真空条件下，100℃，干燥6h。

8.根据权利要求5所述的Fe基非晶合金零件的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中3D打印技术的具体步骤为：首先利用三维软件生成所需形状的零件数模，再添加支撑、分层和填充，其中，填充方式为分区扫描，具体的3D打印条件为：激光功率230W～255W，激光扫描速率1250mm/s～1450mm/s，分层厚度40μm，分区宽度5～8mm，光斑搭接率为25％～40％。

9.一种Fe基非晶合金零件的制备方法，其特征在于，所述Fe基非晶合金零件由Fe基非晶粉末采用3D打印技术制备，所述方法包括如下步骤：

(1)制备所述Fe基非晶粉末：

(2)利用所制得的Fe基非晶粉末，采用3D打印技术制备所述Fe基非晶合金零件。

10.根据权利要求9所述的Fe基非晶合金零件的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中3D打印技术的具体步骤为：首先利用三维软件生成所需形状的零件数模，再添加支撑、分层和填充，其中，填充方式为分区扫描，具体的3D打印条件为：激光功率230～255W，激光扫描速率1250mm/s～1450mm/s，分层厚度40μm，分区宽度5～8mm，光斑搭接率为25％～40％。