CN108213412A - 一种用于3d打印的不锈钢粉料及3d打印不锈钢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于3D打印的不锈钢粉料及3D打印不锈钢的方法，不锈钢粉料的粒度为20‑100μm，室温下粉末流动性处于19.00s‑23.00s之间，通过激光选区熔化对上述不锈钢粉料进行成型；本发明提升了3D打印的不锈钢粉料原料颗粒度，3D打印过程进料主要依靠原料的重力，因此针对不锈钢粉料打印过程，有效控制颗粒度大小和流动性，有利于控制铺料过程原料的紧密度，本发明的不锈钢粉料通过激光选区熔化进行成型后，所得产品能够满足性能要求。

Description

一种用于3D打印的不锈钢粉料及3D打印不锈钢的方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种用于3D打印的不锈钢粉料及3D打印不锈钢的方法。
背景技术
随着制造业竞争加剧，产品的开发速度日益成为竞争的主要环节。为满足日益变化的用户需求，使制造技术具有较强的灵活性，要求零件小批量生产，而不增加产品的成本，必须注重产品的开发速度和制造技术柔性。计算机、CAD/CAM、数控、材料和激光等技术的发展，也在技术层面上为新的制造技术的产生奠定了基础。金属增材制造(MetalAdditive Manufacturing,MAM)是近20年来制造技术的一项重大突破。该技术是一种涉及多门学科的新型综合制造技术，被认为是近20年来制造领域的一次重大突破，其对制造业的影响力可与二十世纪五、六十年代的数控机床相比。
激光选区熔化(Selective laser melting，SLM)技术借助计算机辅助设计(Computer Aided Design)与制造，其工艺过程如图1所示：首先将三维CAD模型进行切片离散及扫描路径规划，得到可控制激光束扫描的切片轮廓信息；其次计算机逐层调入切片轮廓信息，通过扫描振镜，控制激光束选择性地熔化金属粉末，未被激光照射区域的粉末仍呈松散状。一层加工完成后，粉料缸上升，成形缸降低切片层厚的高度，铺粉刷将粉末从粉料缸刮到成形平台上，激光将新铺的粉末熔化，与上一层融为一体。重复上述过程，直至成形过程完成，得到与三维实体模型相同的三维金属零件，无需工装模具，不受零件结构的多样性限制，是现今世界上发展速度很快、技术领先的金属增材制造(Metal AdditiveManufacturing，MAM)技术之一。与传统制造金属零件通过减去材料的加工方法相比，MAM技术反其道而行，基于增材制造(Additive Manufacturing，AM)的理念，从计算机辅助设计的三维零件模型出发，通过切片软件对模型分层，将复杂的三维制造转化为一系列二维平面的叠加制造。
目前3D打印不锈钢技术主要原料的颗粒度在20-60um之间，其中主要以40-50um颗粒度的原料为主，生产3D打印小颗粒的原料成本高、工艺复杂、颗粒度不均匀等缺陷，在满足3D打印工艺技术的条件下，提升原料颗粒度，对于研究3D打印机技术意义重大。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于3D打印的不锈钢粉料及3D打印不锈钢的方法，本发明能够在满足工艺和性能条件的基础上提升3D打印的不锈钢粉料原料颗粒度，并保证打印出的产品满足性能要求。
本发明所采用的技术方案如下：
一种用于3D打印的不锈钢粉料，所述不锈钢粉料用于激光选区熔化成型，不锈钢粉料的粒度为20-100μm，室温下粉末流动性处于19.00s-23.00s之间。
不锈钢粉料中，以质量百分数计，粒度为60-100μm的不锈钢粉料所占比例不超过20％，其余为粒度为20-60μm不锈钢粉料。
不锈钢粉料中，以质量百分数计，粒度为60-100μm的不锈钢粉料所占比例不超过10％，其余为粒度为20-60μm的不锈钢粉料。
不锈钢粉料为316L不锈钢粉末，316L不锈钢粉末中，以质量百分数计，C含量为0.03％，Si含量为1.0％，Mn含量为2.0％，P含量为0.045％，S含量为0.03％，Cr含量为16.5-18.5％，Ni含量为10.0-13.0％，Mo含量为2.0-2.5％，其余为Fe。
不锈钢粉料的物相组织为单相奥氏体。
一种3D打印不锈钢的方法，通过激光选区熔化对上述不锈钢粉料进行成型。
通过激光选区熔化对不锈钢粉料进行成型时，扫描层厚为15-30μm，扫描功率为60-100W，扫描速率为0.5-1.5m/s。
通过激光选区熔化对不锈钢粉料进行成型后，得到制备好的试样，再对试样进行固溶处理，固溶处理过程为：将制备好的试样在箱式气氛电炉中以5-10℃/min升至1050℃，然后保温2-3小时，再取出空冷至室温。
本发明具有如下有益效果：
本发明的用于3D打印的不锈钢粉料的粒度为20-100μm，室温下粉末流动性处于19.00s-23.00s之间，本发明提升了3D打印的不锈钢粉料原料颗粒度，3D打印过程进料主要依靠原料的重力，因此针对不锈钢粉料打印过程，有效控制颗粒度大小和流动性，有利于控制铺料过程原料的紧密度，本发明的不锈钢粉料通过激光选区熔化进行成型后，所得产品能够满足性能要求。
进一步的，通过控制粒度为60-100μm的不锈钢粉料占粉料总质量的比例不超过20％，粒度为20-60μm的不锈钢粉料的颗粒度分布是抛物线分布，并以40-50μm颗粒的原料为主，一方面为3D激光打印提供多种颗粒度的原料，另一方面，大颗粒的原料在打印过程可提升成品力学性能粒度。
进一步的，不锈钢粉料中，以质量百分数计，粒度为60-100μm的不锈钢粉料所占比例不超过10％，通过激光选区熔化加工出来的产品抗拉强度和屈服强度要求在抗拉强度σb≥480MPa；条件屈服强度σ0.2≥177MPa，满足GB1220-2016要求。
本发明的3D打印不锈钢的方法通过激光选区熔化对本发明的不锈钢粉末进行成型，扫描层厚度根据3D打印自控技术，保证每次在重压下铺料的厚度，有效保证原料的密实度，加热温度主要通过扫描功率控制，根据不同的不锈钢钢种的熔点可有效调整扫描功率；光斑直径是控制激光扫描的区域范围，范围过小会促使局部温度过高易于氧化，过大会造成后期凝固式样表面粗糙；扫描速率控制整个打印过程的速率和周期，速率过小延长打印周期，混度高易于氧化，速度过大，导致颗粒疏松，影响材料性能，因此通过激光选区熔化能够对本发明的不锈钢粉末进行成型，并打印出满足性能要求的产品。
附图说明
图1激光选区熔化工艺过程图；
图2为本发明3D打印时不锈钢原粉；
图3为本发明3D打印时不锈钢回收粉；
图4为本发明实施例1不锈钢3D打印材料金相组织图；
图5为本发明实施例2不锈钢3D打印材料金相组织图；
图6为本发明实施例3不锈钢3D打印材料金相组织图；
图7为本发明实施例4不锈钢3D打印材料金相组织图；
图8为本发明实施例5不锈钢3D打印材料金相组织图。
图中，1-扫描振镜，2-扩束镜，3-光束隔离器，4-光纤激光器，5-计算机控制系统，6-粉尘净化器，7-成型室，8-光束，9-铺粉层，10-试件，11-F-θ镜，12-保护气。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。
本发明3D打印不锈钢的步骤如下：
1.采用粒度分布在20-100μm的316L不锈钢粉末，以质量百分数计，粉末中的元素含量(wt％)见表1，室温下粉末流动性处于19.00s-23.00s之间，其主要物相组织为奥氏体(如图2)。
表1
2.本发明预先利用CreO软件设计打印模型，将打印模型导入设备后把不锈钢粉末放入粉料缸，固定好打印基座，通入N2保护，重新聚焦激光光斑位置，确立打印初始位置，刮刀将粉料缸粉末平铺在基座上，通过扫描振镜1调节激光打印试样，打印完一层后基座下降一个层厚，粉料缸上升一个层厚，刮刀继续铺粉，之后重复上述操作直至试样整体打印完毕。
该设备主要由光纤激光器4、扫描振镜1、光路系统、成形系统、铺粉系统、气体循环系统和控制系统等组成。其扫描层厚设置为15-30μm，激光系统是60-100W(cw)光纤激光，扫描速率控制在0.5-1.5m/s，光斑直径范围控制在60-80μm，工作环境处于室温情况下。
3.目前3D打印技术产品由于颗粒度以及工艺参数的限制，造成性能不能满足市场要求，通过热处理有效改善金相组织，提升3D打印材料力学性能。因此，需要对3D打印产品进行固溶处理，固溶处理时，将制备好的试样以5℃/min随室温升至1050℃，在箱式气氛电炉保温两小时后取出空冷以改善试样的塑性、韧性，消除试样内部残余应力，其中，试样尺寸为Φ10×60mm。
4.对打印的试样进行力学性能检测。
实施例1
本实施例利用激光选区熔化技术制备试样时所采用的不锈钢粉末中，以质量百分数计，粒度为40μm-60μm的占80％，粒度为20μm-40μm的占20％，不锈钢粉末流动性为20s。激光选区熔化的工艺参数为：扫描功率100W，扫描速度为1.0m/s，扫描层厚20μm，光斑直径为60μm。通过该参数制备出Φ10×60mm试样，将试样以5℃/min随室温升至1050℃进行固溶处理，在箱式气氛电炉保温两小时后取出空冷，使碳化物溶解在基体内，得到过饱和固溶体，从而获得单相奥氏体组织，以改善试样的塑性和韧性，消除试样内部残余应力。力学测试测得试样抗拉强度为510.22MPa，屈服强度为199.88MPa。本实施例制备的试样的金相组织图如图4所示，试样中孔洞均匀分布，试样中的柱状晶按一定方向排列生长。
实施例2
本实施例利用激光选区熔化技术制备试样时所采用的不锈钢粉末中，以质量百分数计，粒度为40μm-60μm的占55％，粒度为60μm-100μm的占5％，粒度为20μm-40μm的占40％，不锈钢粉末流动性为20.00s。激光选区熔化的工艺参数为：扫描功率为100W，扫描速度为0.5m/s，扫描层厚25um，光斑直径为70μm。通过该参数制备出Φ10×60mm试样，将试样以5℃/min随室温升至1050℃进行固溶处理，在箱式气氛电炉保温两小时后取出空冷，使碳化物溶解在基体内，得到过饱和固溶体，从而获得单相奥氏体组织，以改善试样的塑性和韧性，消除试样内部残余应力。力学测试测得试样抗拉强度为511.42MPa，屈服强度为209.56MPa。本实施例制备的试样的金相组织图如图5所示，试样表面孔洞较少，试样的晶体为柱状晶并沿一定方向生长。
实施例3
本实施例利用激光选区熔化技术制备试样时所采用的不锈钢粉末中，以质量百分数计，粒度为20μm-60μm的占92％，粒度为60μm-100μm的占8％，不锈钢粉末流动性为23s。激光选区熔化的工艺参数为：扫描功率为100W，扫描速度为1.5m/s，扫描层厚25μm，光斑直径为80μm。通过该参数制备出Φ10×60mm试样，将试样以5℃/min随室温升至1050℃进行固溶处理，在箱式气氛电炉保温两小时后取出空冷，使碳化物溶解在基体内，得到过饱和固溶体，从而获得单相奥氏体组织，以改善试样的塑性和韧性，消除试样内部残余应力。力学测试测得试样抗拉强度为516.89MPa，屈服强度为204.78MPa。本实施例制备的试样的金相组织图如图6所示，试样中存在个别不规则孔洞，并未出现存在融合不良现象，整体组织均匀，不影响不锈钢力学性能。
实施例4
本实施例利用激光选区熔化技术制备试样时所采用的不锈钢粉末中，以质量百分数计，粒度为20-60μm的占90％，粒度为60μm-100μm的占10％，不锈钢粉末流动性为19s。激光选区熔化的工艺参数为：扫描功率为100W，扫描速度为1.5m/s，扫描层厚30μm，光斑直径为80μm。通过该参数制备出Φ10×60mm试样，将试样以8℃/min随室温升至1050℃进行固溶处理，在箱式气氛电炉保温2.5小时后取出空冷，使碳化物溶解在基体内，得到过饱和固溶体，从而获得单相奥氏体组织，以改善试样的塑性和韧性，消除试样内部残余应力。力学测试测得试样抗拉强度为515.68MPa，屈服强度为202.04MPa。本实施例制备的试样的金相组织图如图7所示，试样中出现许多细小孔洞，但并未出现融合不良现象，无球状孔缺陷。
实施例5
本实施例利用激光选区熔化技术制备试样时所采用的不锈钢粉末中，粒度为20-60μm的占80％，粒度为60μm-100μm的占20％，不锈钢粉末流动性为20s。激光选区熔化的工艺参数为：扫描功率为100W，扫描速度为1.5m/s，扫描层厚20um，光斑直径为80μm。通过该参数制备出Φ10×60mm试样，将试样以10℃/min随室温升至1050℃进行固溶处理，在箱式气氛电炉保温3小时后取出空冷，使碳化物溶解在基体内，得到过饱和固溶体，从而获得单相奥氏体组织，以改善试样的塑性和韧性，消除试样内部残余应力。力学测试测得试样的抗拉强度为479.32MPa，屈服强度为135.04MPa。本实施例制备的试样的金相组织图如图8所示，试样中柱状晶组织并按照一定方向生长，孔缺陷较实施例3较多。
各实施例的汇总表如表2，
表2
根据上述实施例，以GB1220-2016要求316L不锈钢种抗拉强度和屈服强度要求在抗拉强度σb≥480MPa；条件屈服强度σ0.2≥177MPa。由以上可知，其中60-100μm的颗粒度原料加入量占总质量百分比不能超过10％。其中实施例2、实施例3和实施例4的配比和参数最优，这3个实施例中316L不锈钢的力学性能高于实施例1原料。

Claims (7)

1.一种用于3D打印的不锈钢粉料，其特征在于，不锈钢粉料用于激光选区熔化成型，不锈钢粉料的粒度为20-100μm，室温下粉末流动性处于19.00s-23.00s之间；
不锈钢粉料中，以质量百分数计，粒度为60-100μm的不锈钢粉料所占比例不超过20％，其余为粒度为20-60μm的不锈钢粉料。
2.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的不锈钢粉料，其特征在于，不锈钢粉料中，以质量百分数计，粒度为60-100μm的不锈钢粉料所占比例不超过10％，其余为粒度为20-60μm的不锈钢粉料。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于3D打印的不锈钢粉料，其特征在于，不锈钢粉料为316L不锈钢粉末，316L不锈钢粉末中，以质量百分数计，C含量为0.03％，Si含量为1.0％，Mn含量为2.0％，P含量为0.045％，S含量为0.03％，Cr含量为16.5-18.5％，Ni含量为10.0-13.0％，Mo含量为2.0-2.5％，其余为Fe。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于3D打印的不锈钢粉料，其特征在于，不锈钢粉料的物相组织为单相奥氏体。
5.一种3D打印不锈钢的方法，其特征在于，通过激光选区熔化对权利要求1-4任意一项所述的不锈钢粉料进行成型。
6.根据权利要求5所述的一种3D打印不锈钢的方法，其特征在于，通过激光选区熔化对不锈钢粉料进行成型时，扫描层厚为15-30μm，扫描功率为60-100W，扫描速率为0.5-1.5m/s，光斑直径为60-80μm。
7.根据权利要求5所述的一种3D打印不锈钢的方法，其特征在于，通过激光选区熔化对不锈钢粉料进行成型后，得到制备好的试样，再对试样进行固溶处理，固溶处理过程为：将制备好的试样在炉中以5-10℃/min升至1050℃，然后保温2-3小时，再空冷至室温。
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