CN108274000A - 一种激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法 - Google Patents

一种激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108274000A
CN108274000A CN201810215558.XA CN201810215558A CN108274000A CN 108274000 A CN108274000 A CN 108274000A CN 201810215558 A CN201810215558 A CN 201810215558A CN 108274000 A CN108274000 A CN 108274000A
Authority
CN
China
Prior art keywords
alloy steel
laser
low
powder
crniv
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810215558.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN108274000B (zh
Inventor
张松
李卓玄
张春华
刘舜尧
唐旭
王强
吴臣亮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenyang University of Technology
Original Assignee
Shenyang University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenyang University of Technology filed Critical Shenyang University of Technology
Priority to CN201810215558.XA priority Critical patent/CN108274000B/zh
Publication of CN108274000A publication Critical patent/CN108274000A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108274000B publication Critical patent/CN108274000B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/32—Process control of the atmosphere, e.g. composition or pressure in a building chamber
    • B22F10/322—Process control of the atmosphere, e.g. composition or pressure in a building chamber of the gas flow, e.g. rate or direction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B22F10/366—Scanning parameters, e.g. hatch distance or scanning strategy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/46—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with vanadium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/54—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with boron
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/38—Process control to achieve specific product aspects, e.g. surface smoothness, density, porosity or hollow structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/41—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明属于激光3D打印技术领域，涉及一种激光增材制造CrNiV系列低合金钢的制造工艺方法，将低合金钢粉体原料经过真空熔炼、气雾化和筛分工序，制得球形粉料；所得粉料在烘箱中80‑120℃烘干3小时以上；通过激光器辐照后在低合金钢基板表面熔化沉积；调控激光束辐照能量密度，控形控性，在气体保护下采用光纤激光器进行激光辐照处理，连续扫描完一层后在扫描方向与前一层扫描方向成135°的条件下，进行下一层激光辐照处理，进行多层激光辐照处理后，获得具有缺陷少、力学性能优异的激光增材制造低合金钢构件；制得的低合金钢构件在可控气氛保护箱内冷却至室温。本方法能够制备出无裂纹、气孔等缺陷、具有优异综合性能的合金钢构件。

Description

一种激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法
技术领域
本发明属于激光3D打印技术领域，特别涉及一种低合金钢激光增材制造的工艺方法。
背景技术
核电厂应急柴油发电机作为全厂应急安全电源与核安全直接相关，目的是为了在核电站的厂用工作电源和辅助电源都发生故障时，确保机组安全停堆和防止关键设备损坏，从而在保护燃料元件不受损坏和保证核安全方面发挥非常重要的作用。而核电应急柴油发电机凸轮轴作为其核心部件，凸轮轴的质量及性能对核电厂的安全起着至关重要的作用。目前核电应急柴油发电机凸轮轴通常采用锻造法生产。该方法是将12CrNi2合金钢锻造成棒材，随后进行机械加工将棒材加工成台阶轴状，最后采用镦锻方式专用模具进行成形，继续采用表面热处理等方式提高工件表面的耐磨、疲劳等性能。传统的制造工艺不能对柴油发电机应急轴整体进行成形，而是每次只能加工一个曲拐，工艺复杂、制造周期较长、切削量较大。因此，研究短流程的先进制造技术具有重要的科学与实际应用价值。
增材制造(Additive Manufacture,AM)技术通过对零件三维CAD模型进行分层切片降维处理，按预先生成的路径将材料逐层累加而制造实体零件。不同于传统的材料去除(切削加工)技术，它是一种“自下而上”的材料累加的制造方法。相比于传统制造技术，增材制造技术能大幅缩短生产周期、降低生产成本，在一些复杂功能零件、复杂结构零件、难加工易变形零件等制造方面优势更明显。增材制造技术能够提高产品设计灵活性，促进产品开发思维的转变，引发工业生产模式变革。
在激光增材制造低合金钢轴类部件时，沉积材料的多元合金元素会发生物理化学冶金反应产生气体，沉积材料中就会出现气孔缺陷。因此控制激光增材制造工艺参数制备出无裂纹、气孔缺陷并达到性能要求的零件极为重要。故优化低合金钢激光增材制造的工艺参数，使其适合产业化生产具有重要的战略意义。激光增材制造用低合金钢具有低成本、高硬度等优点，可以替代传统的12CrNi2低合金钢锻件。
发明内容
发明目的
针对采用锻造方法制造核电应急柴油机凸轮轴生产工艺复杂、周期长、加工成本高的问题，本发明提供一种激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法。本发明采用激光增材制造技术，利用光纤激光器进行合金钢的激光增材制造低，优化激光增材制造低合金钢过程中的工艺参数，制备出无裂纹、气孔等缺陷、具有优异机械性能的合金钢构件。
技术方案
一种激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法，其特征在于：制造方法步骤如下：
1)将CrNiV系列低合金钢原料经过真空熔炼、气雾化和筛分工序，制得球形粉料；
2)将步骤1所得粉料在烘箱中80-120℃烘干3小时以上；
3)低合金钢基板表面用60#-500#砂纸打磨、清洗干燥后备用，将步骤2烘干后所得粉料采用同轴送粉的方式通过激光束辐照在低合金钢基板表面熔化沉积；
4)在氩气保护下采用光纤激光器进行激光熔化沉积，连续扫描完一层后在扫描方向与前一层扫描方向成135°的条件下，进行下一层激光辐照处理，进行多层激光辐照处理后，获得具有缺陷少、力学性能优异和成形性佳的激光增材制造低合金钢构件；
5)激光增材制造后，制得的低合金钢构件在可控气氛保护箱内冷却至室温，防止工件表面温度过高导致的氧化。
所述步骤1中制得的球形粉料，其开心球率≤2％，氧含量≤250ppm。
所述步骤1中制得的球形粉料能够重复使用3次以上，粉料流动性≤16s/50g。
所述步骤1中球形粉料的松装密度≥4.35g/cm3。
所述步骤4中激光器功率为2000-2200W，送粉率为11-15g/min，光斑直径为3.5-4.5mm，激光辐照能量密度为32.8-60.2J/mm2，搭接率为45-55％，保护气氩气流量为300-400L/h。
所述步骤4中激光器扫描的方法为光纤激光器连续扫描一层回到XY平面原点坐标处，然后进行下一层扫描，每层Z轴移动距离0.6mm；经过多层打印形成3维立体的低合金钢材料。
所述CrNiV系列低合金钢粉体的基本组成重量百分比为C：0.05-0.40，Cr：1.40-1.60，Ni：1.80-2.10，B：0.50-1.00，Si：1.00-1.20，Mo：0.50-0.60，Mn：0.10-0.50，V：0.50-0.60，其余为Fe。
所述低合金钢粉体的粒径为53～140微米。
优点及效果
本方法可以一体化制备核电应急柴油发电机曲轴，流程短、后续加工余量小、材料利用率高，解决了传统铸锻法生产核电应急柴油发电机曲轴工艺流程复杂、周期较长、切削量较大的问题。本发明不仅能提高合金钢材料的力学性能，还能节省锻压模具等生产成本。
本发明从生产工艺特点的角度出发，针对锻造生产核电应急柴油发电机曲轴存在周期长、工艺复杂等问题，利用激光增材制造技术制备低合金钢曲轴为目标，选择专有高性能低合金钢粉料，通过调整优化激光工艺参数制备得到低合金钢构件。本发明方法工艺简单、周期短，制备出的低合金钢材料无裂纹、气孔等缺陷，强韧性良好。
附图说明
图1为实施例1、2、3和4中激光熔化沉积低合金钢工件X射线衍射谱图；
图2为实施例1所列成分粉料激光熔化沉积制备的低合金钢SEM组织形貌；
图3为实施例2所列成分粉料激光熔化沉积制备的低合金钢SEM组织形貌；
图4为实施例3所列成分粉料激光熔化沉积制备的低合金钢SEM组织形貌；
图5为实施例4所列成分粉料激光熔化沉积制备的低合金钢SEM组织形貌。
具体实施方式
本发明的具体实施方式提供了激光增材制造低合金钢构件的方法，利用光纤激光器在合金钢基板表面同轴送粉，高能束激光辐照下合金粉料材料迅速熔化并沉积在基板表面，在快速冷凝条件下，在基板表面形成低合金钢材料。
激光增材制造CrNiV系列低合金钢的方法，制造方法步骤如下：
1)将CrNiV系列低合金钢成分的原料经过真空熔炼、气雾化和筛分工序，制得球形粉料；其开心球率≤2％，氧含量≤250ppm；制得的球形粉料能够重复使用3次以上，流动性≤16s/50g；松装密度≥4.35g/cm3。
2)将步骤1所得粉料在烘箱中80-120℃烘干3小时以上。
3)低合金钢基板表面用60#-500#砂纸打磨、清洗干燥后备用，将步骤2烘干后所得粉料采用同轴送粉的方式通过激光束辐照后在低合金钢基板表面熔化沉积；
4)在气体保护下采用激光器进行激光辐照处理，连续扫描完一层后在扫描方向与前一层扫描方向成135°的条件下，进行下一层激光辐照处理，激光器功率为2000-2200W，送粉率为11-15g/min，光斑直径为3.5-4.5mm，激光辐照能量密度为32.8-60.2J/mm2，搭接率为45-55％，保护气氩气流量为300-400L/h，进行多层激光辐照处理后，获得具有缺陷少、力学性能优异、成形性佳的激光增材制造低合金钢构件；激光器扫描的方法为光纤激光器连续扫描一层回到XY平面原点坐标处，然后进行下一层扫描，每层Z轴移动距离0.6mm；经过多层打印形成3维立体的低合金钢材料。
5)激光增材制造后，制得的低合金钢构件在可控气氛保护箱内冷却至室温，防止工件表面温度过高导致的氧化。
上述CrNiV系列成分粉料的基本组成重量百分比(wt％)为C：0.05-0.40，Cr：1.40-1.60，Ni：1.80-2.10，B：0.50-1.00，Si：1.00-1.20，Mo：0.50-0.60，Mn：0.10-0.50，V：0.50-0.60，其余为Fe，低合金钢粉料的粒径为53～140微米。
以下结合实施例和附图详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
低合金钢粉料的基本组成重量百分比(wt％)为C：0.05，Cr：1.40，Ni：1.80，B：0.50，Si：1.00，Mo：0.50，Mn：0.10，V：0.50，其余为Fe。粉料的粒径为53～140微米。
激光增材制造CrNiV合金钢的制造方法步骤如下：
1)将实施例1所列低合金钢原料经过真空熔炼、气雾化和筛分工序，制得球形粉料；其开心球率≤2％，氧含量≤250ppm；制得的球形粉料能够重复使用3次以上，流动性≤16s/50g；松装密度≥4.35g/cm3。
2)将步骤1所得粉料在烘箱中80℃烘干3小时以上。
3)低合金钢基板表面用60#-500#砂纸打磨、清洗干燥后备用，将步骤2烘干后所得粉料采用同轴送粉的方式通过激光束辐照后在低合金钢基板表面熔化沉积。
4)在气体保护下采用激光器进行激光辐照处理，连续扫描完一层后在扫描方向与前一层扫描方向成135°的条件下，进行下一层激光辐照处理，激光器功率为2000W，送粉率为11g/min，光斑直径为3.5mm，激光辐照能量密度为32.8J/mm2，搭接率为45％，保护气氩气流量为400L/h，进行多层激光辐照处理后，获得具有缺陷少、力学性能优异、成形性佳的激光增材制造低合金钢构件；激光束扫描的方法为光纤激光器连续扫描一层回到XY平面原点坐标处，然后进行下一层扫描，每层Z轴移动距离0.6mm；经过多层打印形成3维立体的低合金钢材料。
5)激光增材制造后，制得的低合金钢构件在可控气氛保护箱内冷却至室温，防止工件表面温度过高导致的氧化。
实施例2
低合金钢粉体的基本组成重量百分比(wt％)为C：0.10，Cr：1.50，Ni：1.90，B：0.60，Si：1.10，Mo：0.55，Mn：0.20，V：0.50，其余为Fe。粉料的粒径为53～140微米。
激光增材制造低合金钢的制造方法步骤如下：
1)实施例2所列低合金钢原料经过真空熔炼、气雾化和筛分工序，制得球形粉料；其开心球率≤2％，氧含量≤250ppm；制得的球形粉料能够重复使用3次以上，流动性≤16s/50g；松装密度≥4.35g/cm3。
2)将步骤1所得粉料在烘箱中100℃烘干3小时以上。
3)低合金钢基板表面用60#-500#砂纸打磨、清洗干燥后备用，将步骤2烘干后所得粉料采用同轴送粉的方式通过激光束辐照在低合金钢基板表面熔化沉积。
4)在气体保护下采用激光器进行激光辐照处理，连续扫描完一层后在扫描方向与前一层扫描方向成135°的条件下，进行下一层激光辐照处理，激光器功率为2200W，送粉率为12.5g/min，光斑直径为4mm，激光辐照能量密度为41.5J/mm2，搭接率为48％，保护气氩气流量为370L/h，进行多层激光辐照处理后，获得具有缺陷少、力学性能优异、成形性佳的激光增材制造低合金钢构件；激光器扫描的方法为光纤激光器连续扫描一层回到XY平面原点坐标处，然后进行下一层扫描，每层Z轴移动距离0.6mm；经过多层打印形成3维立体的低合金钢材料。
5)激光增材制造后，制得的低合金钢构件在可控气氛保护箱内冷却至室温，防止工件表面温度过高导致的氧化。
实施例3
低合金钢粉体的基本组成重量百分比(wt％)为C：0.18，Cr：1.60，Ni：2.00，B：0.80，Si：1.20，Mo：0.55，Mn：0.40，V：0.60，其余为Fe。粉料的粒径为53～140微米。
激光增材制造低合金钢的制造方法步骤如下：
1)将实施例3所列低合金钢原料经过真空熔炼、气雾化和筛分工序，制得球形粉料；其开心球率≤2％，氧含量≤250ppm；制得的球形粉料能够重复使用3次以上，流动性≤16s/50g；松装密度≥4.35g/cm3。
2)将步骤1所得粉料在烘箱中110℃烘干3小时以上。
3)低合金钢基板表面用60#-500#砂纸打磨、清洗干燥后备用，将步骤2烘干后所得粉料采用同轴送粉的方式通过激光束辐照在低合金钢基板表面熔化沉积。
4)在气体保护下采用激光器进行激光辐照处理，连续扫描完一层后在扫描方向与前一层扫描方向成135°的条件下，进行下一层激光辐照处理，激光器功率为2100W，送粉率为14g/min，光斑直径为4.5mm，激光辐照能量密度为53.2J/mm2，搭接率为52％，保护气氩气流量为330L/h，进行多层激光辐照处理后，获得具有缺陷少、力学性能优异、成形性佳的激光增材制造低合金钢构件；激光束扫描的方法为光纤激光器连续扫描一层回到XY平面原点坐标处，然后进行下一层扫描，每层Z轴移动距离0.6mm；经过多层打印形成3维立体的低合金钢材料。
5)激光增材制造后，制得的低合金钢构件在可控气氛保护箱内冷却至室温，防止工件表面温度过高导致的氧化。
实施例4
低合金钢粉体的基本组成重量百分比(wt％)为C：0.40，Cr：1.60，Ni：2.10，B：1.00，Si：1.20，Mo：0.60，Mn：0.50，V：0.60，其余为Fe。粉料的粒径为53～140微米。
激光增材制造低合金钢的制造方法步骤如下：
1)将实施例4所列低合金钢原料经过真空熔炼、气雾化和筛分工序，制得球形粉料；其开心球率≤2％，氧含量≤250ppm；制得的球形粉料能够重复使用3次以上，流动性≤16s/50g；松装密度≥4.35g/cm3。
2)将步骤1所得粉料在烘箱中120℃烘干3小时以上。
3)低合金钢基板表面用60#-500#砂纸打磨、清洗干燥后备用，将步骤2烘干后所得粉料采用同轴送粉的方式通过激光束辐照后在低合金钢基板表面熔化沉积。
4)在气体保护下采用激光器进行激光辐照处理，连续扫描完一层后在扫描方向与前一层扫描方向成135°的条件下，进行下一层激光辐照处理，激光器功率为2150W，送粉率为15g/min，光斑直径为4.5mm，激光辐照能量密度为60.2J/mm2，搭接率为55％，保护气氩气流量为300L/h，进行多层激光辐照处理后，获得具有缺陷少、力学性能优异、成形性佳的激光增材制造低合金钢构件；激光束扫描的方法为光纤激光器连续扫描一层回到XY平面原点坐标处，然后进行下一层扫描，每层Z轴移动距离0.6mm；经过多层打印形成3维立体的低合金钢材料。
5)激光增材制造后，制得的低合金钢构件在可控气氛保护箱内冷却至室温，防止工件表面温度过高导致的氧化。
图1为实施例1、2、3和4中激光熔化沉积低合金钢工件X射线衍射结果，可以看出所有工件由马氏体构成。
图2为实施例1所列成分粉料激光熔化沉积制备低合金钢的SEM组织形貌；图3为实施例2所列成分粉料激光熔化沉积制备低合金钢的SEM组织形貌；图4为实施例3所列成分粉料激光熔化沉积制备低合金钢的SEM组织形貌；图5为实施例4所列成分粉料激光熔化沉积制备低合金钢的SEM组织形貌。
4组低合金钢材料的凝固组织均为板条马氏体。许多平行的板条构成一个板条束，板条马氏体由不同位向的板条束组成。随着激光辐照能量密度的降低，马氏体组织明显增多且发生了细化。马氏体转变临界冷却速度还与粉料合金元素有关，原始粉料中的Cr，C等元素可以提高钢的淬透性，从而促进马氏体转变。在熔池的快速冷却作用下，马氏体转变得以顺利进行。激光增材制造材料的晶粒尺寸远小于传统方法制造的材料，均匀致密的显微组织有利于提高合金钢的硬度、强韧性等综合性能。
本发明实施例2中激光熔化沉积低合金钢工件通过X射线衍射法测定其残余应力，其正应力σ＝87±5Mpa，剪应力τ＝-34±2Mpa。本发明通过对工艺参数以及成形方式的调控，调整激光增材制造过程中的热输入量及制得构件各部位内应力的分布，从而减小了构件的残余应力，降低了激光增材制造过程中构件开裂的倾向。
表1为实施例1、2、3中制备低合金钢材料的部分力学性能数据
表1实施例1、2、3中制备材料的力学性能
本发明中通过对工艺参数的调控，改变激光增材制造过程中的热输入量，从而改变所制备工件的组织，实现了低合金钢构件强韧化综合性能的提升。
本发明实施例1、2、3和4中激光熔化沉积低合金钢材料的显微硬度分别为315HV、352HV、426HV和463HV。所用35CrMo基板的平均硬度为220HV。激光熔化沉积过程中的快速熔化凝固过程，随着激光辐照能量密度的降低，马氏体相变速率增加，晶格畸变增大，阻碍了位错运动，提高了硬度。同时C元素含量的增加提高了金属熔池内液态金属的熔点，增大了金属凝固时的过冷度，提高了形核率，起到了细化晶粒的作用，从而提高了工件的硬度。在相同的环境下，激光熔化沉积制造的低合金钢具有良好的综合性能，故本发明采用激光增材制造熔化沉积方法成功制备出了高性能低合金钢材料。
激光增材制造低合金钢所用方法，属于激光增材制造技术新领域。随着激光增材制造过程中激光热输入量的改变，低合金钢的基体相结构发生变化，其强度随着激光辐照能量密度的减小而增大，因而需合理调控材料的综合力学性能和构件的成形性，实现控形控性，激光增材制造过程中生成的回火马氏体组织具有较高的硬度及优异的韧性，从而满足可用于大型装备大尺寸凸轮轴等部件的激光增材制造。该项技术是先进信息技术与先进制造技术的高度融合，减少资源消耗，推动绿色制造的发展，具有显著经济和社会效益。

Claims (8)

1.一种激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法，其特征在于：制造方法步骤如下：
1)将CrNiV系列低合金钢原料经过真空熔炼、气雾化和筛分工序，制得球形粉料；
2)将步骤1所得粉料在烘箱中80-120℃烘干3小时以上；
3)低合金钢基板表面用60#-500#砂纸打磨、清洗干燥后备用，将步骤2烘干后所得粉料采用同轴送粉的方式通过激光束辐照在低合金钢基板表面熔化沉积；
4)在氩气保护下采用光纤激光器进行激光熔化沉积，连续扫描完一层后在扫描方向与前一层扫描方向成135°的条件下，进行下一层激光辐照处理，进行多层激光辐照处理后，获得具有缺陷少、力学性能优异和成形性佳的激光增材制造低合金钢构件；
5)激光增材制造后，制得的低合金钢构件在可控气氛保护箱内冷却至室温，防止工件表面温度过高导致的氧化。
2.根据权利要求1所述的激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法，其特征在于：所述步骤1中制得的球形粉料，其开心球率≤2％，氧含量≤250ppm。
3.根据权利要求1所述的激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法，其特征在于：所述步骤1中制得的球形粉料能够重复使用3次以上，粉料流动性≤16s/50g。
4.根据权利要求1所述的激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法，其特征在于：所述步骤1中球形粉料的松装密度≥4.35g/cm3。
5.根据权利要求1所述的激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法，其特征在于：所述步骤4中激光器功率为2000-2200W，送粉率为11-15g/min，光斑直径为3.5-4.5mm，激光辐照能量密度为32.8-60.2J/mm2，搭接率为45-55％，保护气氩气流量为300-400L/h。
6.根据权利要求1所述的激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法，其特征在于：所述步骤4中激光器扫描的方法为光纤激光器连续扫描一层回到XY平面原点坐标处，然后进行下一层扫描，每层Z轴移动距离0.6mm；经过多层打印形成3维立体的低合金钢材料。
7.根据权利要求1所述的激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法，其特征在于：所述CrNiV系列低合金钢粉体的基本组成重量百分比为C：0.05-0.40，Cr：1.40-1.60，Ni：1.80-2.10，B：0.50-1.00，Si：1.00-1.20，Mo：0.50-0.60，Mn：0.10-0.50，V：0.50-0.60，其余为Fe。
8.根据权利要求7所述的激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法，其特征在于：所述低合金钢粉体的粒径为53～140微米。
CN201810215558.XA 2018-03-15 2018-03-15 一种激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法 Active CN108274000B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810215558.XA CN108274000B (zh) 2018-03-15 2018-03-15 一种激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810215558.XA CN108274000B (zh) 2018-03-15 2018-03-15 一种激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108274000A true CN108274000A (zh) 2018-07-13
CN108274000B CN108274000B (zh) 2019-11-29

Family

ID=62809826

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810215558.XA Active CN108274000B (zh) 2018-03-15 2018-03-15 一种激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108274000B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020221812A1 (de) * 2019-04-30 2020-11-05 Voestalpine Böhler Edelstahl Gmbh & Co Kg Stahlmaterial in pulverform und verfahren zu dessen herstellung
CN112792433A (zh) * 2021-01-15 2021-05-14 南方增材科技有限公司 高韧性低合金钢构件的制备方法及高韧性低合金钢构件
WO2021252241A3 (en) * 2020-06-10 2022-01-20 Vulcanforms Inc. Angled scanning of laser arrays in additive manufacturing

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106399863A (zh) * 2016-12-03 2017-02-15 东北大学 激光增材24CrNiMoRe合金钢粉末及制备方法
CN107214336A (zh) * 2017-06-16 2017-09-29 东北大学 一种利用激光选区熔化技术制备24CrNiMo贝氏体合金钢的方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106399863A (zh) * 2016-12-03 2017-02-15 东北大学 激光增材24CrNiMoRe合金钢粉末及制备方法
CN107214336A (zh) * 2017-06-16 2017-09-29 东北大学 一种利用激光选区熔化技术制备24CrNiMo贝氏体合金钢的方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020221812A1 (de) * 2019-04-30 2020-11-05 Voestalpine Böhler Edelstahl Gmbh & Co Kg Stahlmaterial in pulverform und verfahren zu dessen herstellung
WO2021252241A3 (en) * 2020-06-10 2022-01-20 Vulcanforms Inc. Angled scanning of laser arrays in additive manufacturing
CN112792433A (zh) * 2021-01-15 2021-05-14 南方增材科技有限公司 高韧性低合金钢构件的制备方法及高韧性低合金钢构件
CN112792433B (zh) * 2021-01-15 2022-04-12 南方增材科技有限公司 高韧性低合金钢构件的制备方法及高韧性低合金钢构件

Also Published As

Publication number Publication date
CN108274000B (zh) 2019-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105033255B (zh) 一种利用激光3d打印技术直接获得马氏体模具钢的方法
CN110090954B (zh) 一种增材制造NiTi形状记忆合金及其制备方法
Liu et al. Microstructure and mechanical properties of LMD–SLM hybrid forming Ti6Al4V alloy
Fessler et al. Laser deposition of metals for shape deposition manufacturing
CN108274000B (zh) 一种激光增材制造CrNiV系列低合金钢的工艺方法
US20240123502A1 (en) Titanium alloy powder for selective laser melting 3d printing, selective laser melted titanium alloy and preparation thereof
KR101076353B1 (ko) 금속 광조형용 금속분말 및 그것을 이용한 금속 광조형법
CN107175330B (zh) 一种激光增材制造12CrNi2合金钢的方法
CN108176848B (zh) 一种激光增材制造用低合金钢所用粉料及制备方法
Ye et al. Study of hybrid additive manufacturing based on pulse laser wire depositing and milling
CN112008079B (zh) 一种原位热处理提高3d打印镍基高温合金力学性能的方法
CN111621778B (zh) 一种制备海洋风电塔筒防腐涂层的方法
CN109290583B (zh) 一种消除7075铝合金选择性激光熔化成型裂纹的方法
CN103949639A (zh) 一种激光选区熔化技术制备Nb-Si基超高温合金的方法
CN110116202B (zh) 一种用于增材制造的铜合金粉末及其制备方法和应用
CN114450426B (zh) 合金、合金粉末、合金构件和复合构件
CN110315075A (zh) 一种激光增材制造镍基高温合金的同步激光热处理方法
CN103949640A (zh) 一种电子束快速成形技术制备Nb-Si基超高温合金的方法
CN110983106B (zh) 一种抑制3d打印成形tc4合金组织中针状马氏体相形成的方法
CN110344053A (zh) 一种高强贝氏体钢激光修复用合金粉末及其制备方法
CN112384636A (zh) 制造铝合金零件的方法
CN107127343A (zh) 一种镍基合金结构件的电子束增材制造方法
CN104874793A (zh) 一种发动机缸盖气门座三维打印直接制造方法
CN116117164A (zh) 一种TiAl合金电子束选区熔化过程中调控组织的方法
CN105251999A (zh) 一种高能束金属3d打印制备稀土强化等轴细晶零件的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant