CN108588579A - 新型马氏体耐热钢及使用其进行无缝钢管薄壁弯头制造的方法 - Google Patents

新型马氏体耐热钢及使用其进行无缝钢管薄壁弯头制造的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种新型马氏体耐热钢及使用其进行无缝钢管薄壁弯头制造的方法，新型马氏体耐热钢成分以重量百分数计，包括：碳0.05～0.15%、硅0.1～0.4%、锰0.3～0.6%、铬8.0～12.0%、钨1.5～1.9%、钼0.1～0.8%、钒0.1～0.3%、钽0.1～0.3%和六硼化镧0.05～0.3%；余量为铁，将上述新型马氏体耐热钢采用激光‑CMT复合增材制造制得的无缝钢管薄壁弯头结构致密，合金组织为板条状马氏体+弥散碳化物，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态；由于本发明的新型马氏体耐热钢中添加有LaB6，LaB6与O发生作用形成LaBO3，然后分解成La2O3和B2O3，从而可在增材制造成形过程中用于微熔池脱氧和造渣，改善成形性和工艺性，改善成形组织，提高成形件力学性能。

Description

新型马氏体耐热钢及使用其进行无缝钢管薄壁弯头制造的 方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种新型马氏体耐热钢及使用其进行无缝钢管薄壁弯头制造的方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。
对于不同尺寸或者异型的弯头，目前弯管加工生产周期长，生产成本高。连续的激光束可以吸引电弧并使之稳定燃烧，利用激光辅助电弧可以有效提高电弧的稳定性，能够提高成形精度，实现精准增材制造。由于冷金属过渡(CMT)在增材制造成形时具有材料相容性好、界面结合强度高、成形效率高、能量转换率高等显著优势，如果采用激光-冷金属过渡(CMT)复合增材制造成形无缝钢管薄壁弯头，具有高效、高精度以及低成本的优势。因此需要针对这种成形工艺开发特定的丝材和相关的成形工艺。
发明内容
本发明提供一种新型马氏体耐热钢，其通过添加LaB6，LaB6与O发生作用形成LaBO3，然后分解成La2O3和B2O3，从而可在增材制造成形过程中用于微熔池脱氧和造渣，改善成形性和工艺性，改善成形组织，提高成形件力学性能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型马氏体耐热钢，以重量百分数计，包括：
碳0.05～0.15％；
硅0.1～0.4％；
锰0.3～0.6％；
铬8.0～12.0％；
钨1.5～1.9％；
钼0.1～0.8％；
钒0.1～0.3％；
钽0.1～0.3％；
六硼化镧0.05～0.3％；
余量为铁。
进一步的，以重量百分数计，所述新型马氏体耐热钢包括：碳0.07％、硅0.2％、锰0.5％、铬8.0％、钨1.5％、钼0.2％、钒0.15％、钽0.15％、六硼化镧0.05％，余量为铁。
进一步的，以重量百分数计，所述新型马氏体耐热钢包括：碳0.11％、硅0.4％、锰0.5％、铬9.1％、钨1.5％、钼0.4％、钒0.2％、钽0.15％、六硼化镧0.05％，余量为铁。
本发明还提供一种使用上述新型马氏体耐热钢进行无缝钢管薄壁弯头制造的方法，包括如下步骤：
(1)根据成形零件建立三维模型，使用图像分层软件对所述三维模型进行切片分层，使用路径规划软件进行成形路径设计；
(2)将新型马氏体耐热钢铸件锻成盘条，冷拔成丝材；
(3)将所述丝材通过送丝装置送丝，通电产生CMT电弧，激光器的激光束诱导所述电弧使其根据当前层的成形路径扫描，所述电弧放热使所述丝材熔化，同时通入惰性气体保护熔池；
(4)依次完成所有分层的沉积，进行表面清理以及去应力退火处理，即得到所需的成形零件。
进一步的，所述步骤(2)中，所述丝材的直径为1mm或1.2mm。
进一步的，所述步骤(3)中，通入的所述惰性气体为氩气，其纯度≥99.99％。
进一步的，所述步骤(3)中，激光功率为400～600w，电流为80～132A，电压为10.9～14.6V，离焦量为3mm，成型速度为6mm/s。
进一步的，所述步骤(3)中，送丝速度为3～5m/min。
进一步的，所述步骤(1)中，每一层的高度为0.02～0.1mm。
进一步的，所述步骤(4)中的退火工艺为750℃保温1～2h。
采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明通过激光束诱导电弧使其根据成形路径扫描并熔化丝材，避免了电弧位置不确定、电弧漂移的缺陷，使熔滴位置更精准；将熔滴过渡过程与送丝运动相结合，可有效降低增材制造过程中的热输入，减少飞溅，提高成形件质量。另外，通过在新型马氏体耐热钢中添加LaB6，LaB6与O发生作用形成LaBO3，然后分解成La2O3和B2O3，从而可在增材制造成形过程中用于微熔池脱氧和造渣，改善成形性和工艺性，改善成形组织，提高成形件力学性能。通过本发明制备得到的无缝钢管薄壁弯头其结构致密，合金组织为板条状马氏体+弥散碳化物，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态。
附图说明
附图1为本发明实施例1得到的金相组织图；
附图2为本发明实施例2得到的金相组织图；
附图3为本发明实施例3得到的金相组织图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，本发明提供一种新型马氏体耐热钢，以重量百分数计，包括：碳0.05～0.15％；硅0.1～0.4％；锰0.3～0.6％；铬8.0～12.0％；钨1.5～1.9％；钼0.1～0.8％；钒0.1～0.3％；钽0.1～0.3％；六硼化镧0.05～0.3％；余量为铁。
上述新型马氏体耐热钢通过以下方法制得：配料→熔炼→铸造。
具体如下：
(1)配料：采用金属锰、金属铬、金属钨、金属钼、金属钒、金属铁、碳块、原料硅、金属钽和六硼化镧作为原材料按照目标成分进行配料。
(2)熔炼：
(2.1)将配好的金属锰、金属铬、金属钨、金属钼、金属钒和金属铁加入中频感应炉中，通电加热使其熔化，碳块、原料硅、金属钽和六硼化镧作为补料。
(2.2)将配置好的碳块、原料硅和金属钽依次加入熔化的合金溶液中。
(2.3)将步骤2.2得到的合金溶液进行脱氧，脱氧时间为1～2min。
(2.4)控制碳含量和合金含量达到要求，添加六硼化镧，炉前调整成分合格后，出炉，出炉温度为1450～1500℃。
(2.5)铸造成型，即得到新型马氏体耐热钢铸件。
一种采用上述新型马氏体耐热钢铸件进行无缝钢管薄壁弯头制造的方法，包括如下步骤：
(1)根据成形零件建立三维模型，使用图像分层软件对所述三维模型进行切片分层，每一层的高度为0.02～0.1mm，使用路径规划软件进行成形路径设计。
(2)将新型马氏体耐热钢铸件锻成盘条，冷拔成丝材。优选的，丝材的直径为1mm或1.2mm。
(3)将丝材通过送丝装置送丝，通电放射电弧，激光器的激光束诱导电弧使其根据当前层的成形路径扫描，电弧放热使丝材熔化，同时通入惰性气体保护熔池。激光功率为400～600w，通电电流为80～132A，通电电压为10.9～14.6V，送丝速度为3～5m/min，离焦量为3mm，成型速度为6mm/s。
(4)依次完成所有分层的沉积，进行表面清理以及去应力退火处理，即得到所需的成形零件。具体的，退火工艺为750℃保温1～2h，其作用是：消除残余应力，提高增材制造非平衡组织的高温稳定性，保证高温服役安全。
将上述制得的成形零件进行切片、研磨、抛光、腐蚀后进行金相组织观察，可以看到组织致密，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态，成形的组织为板条状马氏体+碳化物组织。
本发明的新型马氏体耐热钢中各元素的作用如下：
(1)硅元素：主要用于提高合金粉末的成形工艺性，因而本发明的新型马氏体耐热钢中添加的硅含量为0.1～0.4％。
(2)锰元素：降低A1点，促进M6C析出，因而本发明的新型马氏体耐热钢中添加的锰含量为0.3～0.6％。
(3)铬元素：用于保证耐腐蚀性和抗高温氧化性，铬同时也是铁素体形成元素，有利于淬火后得到马氏体组织以改善力学性能，因而本发明的新型马氏体耐热钢中添加的铬含量为8.0～12.0％。
(4)钨元素：是影响耐热钢强度和韧脆转变温度DBTT的重要元素，在能保证所需的高温强度的情况下，由于钨也能促进析出大量的Laves相将显著恶化韧性，因此也需要控制钨含量来尽量减少成形过程中Laves相析出的可能性，因而本发明的新型马氏体耐热钢中添加的钨含量为1.5～1.9％。
(5)钼元素：通过析出M6C用以提高高温强度，同时，钼元素也能起到固溶强化的作用，通过影响扩散的方式阻止奥氏体晶粒长大，因而本发明的新型马氏体耐热钢中添加的钼含量为0.1～0.8％。
(6)钒元素和钽元素：用于在较高温度就形成MX颗粒，VN、TaC在较低温度才析出，这些细小弥散的碳化物颗粒对位错起钉扎作用，可以改善力学性能和高温蠕变性能，因而本发明的新型马氏体耐热钢中添加的钒含量为0.1～0.3％；钽含量为0.1～0.3％。
(7)六硼化镧：LaB6与O发生作用形成LaBO3，然后分解成La2O3和B2O3，其可在增材制造成形过程中用于微熔池脱氧和造渣，从而改善成形性和工艺性，改善成形组织，提高力学性能，因而本发明的新型马氏体耐热钢中添加的六硼化镧的含量为0.05～0.3％。
以下是优选实施例：
实施例1
根据成形零件建立三维模型，使用图像分层软件对所述三维模型进行切片分层，每一层的高度为0.02mm，使用路径规划软件进行成形路径设计。将新型马氏体耐热钢铸件锻成盘条，冷拔成直径为1mm的丝材。其中，新型马氏体耐热钢铸件的成分以重量百分数计包括：0.07％碳、0.2％硅、0.5％锰、8.0％铬、1.5％钨、0.2％钼、0.15％钒、0.15％钽、0.05％LaB6，余量为铁。
将得到的丝材通过送丝装置送丝，通电放射电弧，激光器的激光束诱导电弧使其根据当前层的成形路径扫描，电弧放热使丝材熔化，同时通入氩气保护熔池，氩气的纯度≥99.99％。激光功率为400w，通电电流为132A，通电电压为14.6V，送丝速度为3m/min，离焦量为3mm，成型速度为6mm/s。依次完成所有分层的沉积，进行表面清理以及去应力退火处理，即得到所需的无缝钢管薄壁弯头。具体的，退火工艺为750℃保温1h，其作用是：消除残余应力，提高增材制造非平衡组织的高温稳定性，保证高温服役安全。将上述制得的无缝钢管薄壁弯头进行切片、研磨、抛光、腐蚀后进行金相组织观察，得到的金相组织图片如图1所示，由图1可知，本发明实施例1制备得到的零部件组织致密，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态，成形的组织为板条状马氏体+弥散碳化物。
从本发明实施例1制备得到的零部件上取样并进行力学性能测试，测试结果如表1所示。表1为本发明的各个实施例提供的新型马氏体耐热钢的成分和所制得的无缝钢管薄壁弯头的力学性能测试结果。
实施例2
按照实施例1所述的方法制备无缝钢管薄壁弯头，与实施例1不同的是，本实施例中的新型马氏体耐热钢铸件的成分以重量百分数计包括：0.11％碳、0.4％硅、0.5％锰、9.1％铬、1.5％钨、0.4％钼、0.2％钒、0.15％钽、0.05％LaB6，余量为铁。
将上述新型马氏体耐热钢铸件采用激光增材制造的方法制备无缝钢管薄壁弯头，每一层的高度为0.06mm，激光功率为500w，通电电流为105A，通电电压为12.5V，送丝速度为4m/min，离焦量为3mm，成型速度为6mm/s。去应力退火处理的工艺参数为：750℃保温1.5h。附图2为本发明实施例2制备得到的无缝钢管薄壁弯头的金相组织图片。
按照实施例1所述的方法，从本发明实施例2制备得到的零部件上取样并进行力学性能测试，测试结果如表1所示。
实施例3
按照实施例1所述的方法制备无缝钢管薄壁弯头，与实施例1不同的是，本实施例中的新型马氏体耐热钢铸件的成分以重量百分数计包括：0.15％碳、0.4％硅、0.5％锰、11.5％铬、1.5％钨、0.6％钼、0.2％钒、0.15％钽、0.3％LaB6，余量为铁。
将上述新型马氏体耐热钢铸件采用激光增材制造的方法制备无缝钢管薄壁弯头，每一层的高度为0.1mm，激光功率为600w，通电电流为80A，通电电压为10.9V，送丝速度为5m/min，离焦量为3mm，成型速度为6mm/s。去应力退火处理的工艺参数为：750℃保温2h。附图3为本发明实施例3制备得到的无缝钢管薄壁弯头的金相组织图片。
按照实施例1所述的方法，从本发明实施例3制备得到的零部件上取样并进行力学性能测试，测试结果如表1所示。
表1
由表1可知，采用本发明的新型马氏体耐热钢铸件制备得到的无缝钢管薄壁弯头具有较好的力学性能，激光增材制造成形的组织为版条状马氏体+弥散碳化物，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态。由于本发明的新型马氏体耐热钢铸件中添加有LaB6，LaB6与O发生作用形成LaBO3，然后分解成La2O3和B2O3，从而可在增材制造成形过程中用于微熔池脱氧和造渣，改善成形性和工艺性，改善成形组织，提高成形件力学性能。
另外，本发明通过激光束诱导电弧使其根据成形路径扫描并熔化丝材，避免了电弧位置不确定、电弧漂移的缺陷，使熔滴位置更精准。并且将熔滴过渡过程与送丝运动相结合，可有效降低增材制造过程中的热输入，减少飞溅，提高成形件质量。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型马氏体耐热钢，其特征在于：以重量百分数计，包括：
碳0.05～0.15%；
硅0.1～0.4%；
锰0.3～0.6%；
铬8.0～12.0%；
钨1.5～1.9%；
钼0.1～0.8%；
钒0.1～0.3%；
钽0.1～0.3%；
六硼化镧0.05～0.3%；
余量为铁。
2.根据权利要求1所述的一种新型马氏体耐热钢，其特征在于：以重量百分数计，所述新型马氏体耐热钢包括：碳0.07%、硅0.2%、锰0.5%、铬8.0%、钨1.5%、钼0.2%、钒0.15%、钽0.15%、六硼化镧0.05%，余量为铁。
3.根据权利要求1所述的一种新型马氏体耐热钢，其特征在于：以重量百分数计，所述新型马氏体耐热钢包括：碳0.11%、硅0.4%、锰0.5%、铬9.1%、钨1.5%、钼0.4%、钒0.2%、钽0.15%、六硼化镧0.05%，余量为铁。
4.一种采用如权利要求1至3任一项所述的新型马氏体耐热钢进行无缝钢管薄壁弯头制造的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）根据成形零件建立三维模型，使用图像分层软件对所述三维模型进行切片分层，使用路径规划软件进行成形路径设计；
（2）将新型马氏体耐热钢铸件锻成盘条，冷拔成丝材；
（3）将所述丝材通过送丝装置送丝，通电产生CMT电弧，激光器的激光束诱导所述电弧使其根据当前层的成形路径扫描，所述电弧放热使所述丝材熔化，同时通入惰性气体保护熔池；
（4）依次完成所有分层的沉积，进行表面清理以及去应力退火处理，即得到所需的成形零件。
5.根据权利要求4所述的无缝钢管薄壁弯头制造的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述丝材的直径为1mm或1.2mm。
6.根据权利要求4所述的无缝钢管薄壁弯头制造的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，通入的所述惰性气体为氩气，其纯度≥99.99%。
7.根据权利要求4所述的复杂流道结构激光增材制造的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，激光功率为400～600w，通电电流为80～132A，通电电压为10.9～14.6V，离焦量为3mm，成型速度为6 mm/s。
8.根据权利要求4所述的复杂流道结构激光增材制造的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，送丝速度为3～5m/min。
9.根据权利要求4所述的复杂流道结构激光增材制造的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，每一层的高度为0.02～0.1mm。
10.根据权利要求4所述的复杂流道结构激光增材制造的方法，其特征在于：所述步骤（4）中的退火工艺为750℃保温1～2h。
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