CN108642392A - 一种激光增材制造用低碳高铬合金钢粉末及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种激光增材制造用低碳高铬合金钢粉末的制备方法和使用方法，合金钢粉末的主要成分组成为16Cr13MnMoSiVY。采用同轴送粉半导体激光器沉积的低碳高铬合金样品具有良好强韧性性能，硬度346HV～350HV，抗拉强度797MPa～890MPa，屈服强度σ0.2为340Mp～704Mpa，延伸率为12.5％～17.5％。该合金粉末和使用方法适应于冶金、核电、高铁等关键金属摩擦部件的激光增材制造应用。

Description

一种激光增材制造用低碳高铬合金钢粉末及制备方法
技术领域
本发明属于激光增材制造用高性能金属粉末制备技术领域，具体涉及一种 激光增材制造用球形低碳高铬合金钢粉末的制备和使用方法。
背景技术
激光增材制造技术是采用激光作为热源，通过添加材料直接从三维数学模 型获得三维物理模型的所有制造技术的总称，包括激光熔敷、选择性热烧结 (SHS)、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光烧 结、分层实体制造和粉床法等。该技术基于离散-堆积原理，将材料逐层累积叠 加制造实体零件，目前已被广泛应用于航空航天、汽车、医疗、金属、模具等 工业领域，在大型复杂金属零件的高效、高精成形以及再制造方向具有独特的 技术优势，更成为制造业向智能化快速转型的核心加工要素。
激光增材制造技术在国内外作为重点发展的新型产业化技术，与传统方法 相比具有许多优点。具有无模具快速自由成形、近净化成形和低成本短流程的 技术优势，能够实现一体化制造，极大的简化工序，大大缩短金属构件的制造 周期。相较于传统的锻造、铸造等“减材制造”的制备方法，工艺过程简单，设计 灵活性大，可控性好，效率高，材料立体成形性更好，它能够大大提高材料的 利用率，节约90％的原材料，不仅有效降低了生产成本，符合当下绿色制造的 理念潮流，还迎合了当下高效率的生产制造模式，是我国大力发展的新型制造 产业技术之一，具有更广阔的应用前景，为零部件及成品设计制造提供更多的 可能和用武之地。
低碳高铬合金具有强度高、耐疲劳、抗磨损以及耐腐蚀好等优良性能，广 泛应用于机械、电力、矿山、交通等行业，主要用于工业机械设备中的易耗损 或腐蚀环境下服役构件的制造与再制造，如冶金行业轧机的轧辊以及衬板、高 铁制动盘、核电应急轴等零件等的熔覆修复、再制造与直接制造(3D成形)。 采用激光增材制造技术，快速成形合金，钢成形件的组织晶粒细小、性能与铸、 锻件相当。
激光增材制造过程中存在激光与材料之间复杂的相互作用，融合了材料的 物理、化学、力学以及材料冶金之间多门学科的综合应用技术，包含着极其复 杂、不易准确把控的反应现象。极易在制造零件过程中产生裂纹，这直接导致 很多传统材料不能直接用于激光增材制造技术。市场上广泛使用的传统低碳高 铬粉末，在进行激光增材制造时存在粉末打印性差、易产生变形开裂、打印试 样缺陷多、强韧匹配性差及力学性能差等科学问题。针对这些问题，需要对于 传统的低碳高铬合金成分需要进行调整改造，研究设计出一种新型的适用于激 光增材制造的低碳高铬合金粉末，来解决打印成形过程中的变形开裂、成形性差以及打印试样性能不达标等问题。而目前还没有适用于激光增材制造用的低 碳高合金粉末成分及制备方法，因此需要基于合金成分改造思路，设计出新型 的低碳高铬合金粉末满足激光增材制造技术需求。
激光增材制造低碳高铬合金粉末的性能和打印技术是决定成形构件产品质 量的关键因素，激光增材制造专用高性能低碳高铬合金粉末原材料具有良好的 产业发展前景。合格的高性能激光增材制造专用低碳高铬合金粉末应该具有高 球形度、高松装密度、低含氧量、低空心球率、均匀的粒径分布以及较好的流 动性，并且能够满足激光增材制造技术需求。然而，气雾化制粉过程极其复杂， 高性能合金粉末的制备是材料物化性能、流场动力学参数、熔炼参数、雾化参 数等多种因素耦合作用综合优化设计的结果。国内的相关研究起步较晚，缺乏 关键的核心技术，至今仍未能设计出激光增材制造专用的低碳高铬合金钢粉末， 且缺乏大批量制备高性能、高质量、高价值低碳高铬合金粉末的核心技术。因 此，迫切需要打破国外的技术垄断，研究具有自主知识产权的高性能激光增材 制造用低碳高铬合金钢粉末。
基于冶金行业轧机的轧辊以及衬板、高铁制动盘、核电应急轴等零件等的 激光熔覆修复、再制造与直接制造(3D成形)技术应用对合金钢粉末需求，本 发明提供一种新型的低碳高铬合金成分，通过真空感应熔炼进行气雾化制备， 并从制备的低碳高铬合金钢粉末的粒径分布、球形度、空心球率、松装密度、 流动性、含氧量等方面对合金粉末的质量进行检验，然后研究其激光增材制造 成形性，并对打印试样的组织结构、力学性能等进行研究，最终获得一种适用 于激光增材制造的低碳高铬合金粉末及制备方法，这对于促进我国粉末制备技 术及激光增材制造技术在冶金轧机、核电应急凸轮轴、高铁制动盘等关键零部件制造领域的应用和快速发展具有重要的现实意义。
发明内容
针对上述高性能激光增材制造的低碳高铬合金粉末的需求，基于强韧性匹 配多元合金成分设计思想，以经典相图理论为原理，结合材料成分模拟方法， 本发明提供一种适用于激光增材制造用高性能低碳高铬合金粉末，通过合金中 元素成分组成优化，形成具有再激光非平衡冶金条件下固溶强化、增强相强化 和相变强化等机制的合金成分组成。采用真空感应熔炼设备气雾化制备所述低 碳高铬合金粉末，满足激光增材制造低碳高铬合金粉末需要高球形度、低空心 球率、低含氧量、适合的粒径分布、良好的松装密度和流动性等性能要求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的一方面，提供一种激光增材制造用低碳高铬合金钢粉末，该低碳 高铬合金钢粉末按照质量百分比由以下成分组成：C：0.15～0.17％、Cr：12.0～ 14.0％、Si：0.5～0.6％、Mo：0.45～0.55％、Mn：1.0～1.1％、V：0.5～0.65％、 Y：0.5～2.0％、N：0.002～0.009％、H：0.003～0.01％、O：0.015～0.025％，余 量为Fe。优选为C：0.15～0.17％、Cr：12.0～14.0％、Si：0.5～0.6％、Mo：0.45～ 0.55％、Mn：1.0～1.1％、V：0.5～0.65％、Y：1～2.0％、N：0.002～0.009％、 H：0.003～0.01％、O：0.015～0.025％，余量为Fe。
在上述技术方案中，所述的低碳高铬合金钢粉末为球形，其球形度超高98％， 空心球率不超过2％，粉末氧含量在0.025％以下，粒径分布为1～180μm，松装密 度为4.75～4.81/cm3，流动性为18.53～19.58s/50g。所述粒径分布优选为54～180μm。
本发明的另一方面，提供一种上述激光增材制造用低碳高铬合金钢粉末的 制备方法，包括以下步骤：将低碳高铬母合金加工成圆柱形合金锭后放入熔炼 坩埚中进行加热，熔炼温度达到熔融合金液过热度在100～150℃时，保证雾化氩 气汇集在导液管出口端尖端，快速提升氧化铝陶瓷杆，合金液滴通过流入雾化 室，冷却后对合金粉末进行收集。
本发明中，上述激光增材制造用低碳高铬合金钢粉末的制备方法，其优选 的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，原材料预处理：
将低碳高铬母合金加工成圆柱形合金锭，在合金锭中心加工出直径 30～40mm的通孔，去除合金锭表面氧化物、杂质和油污；
步骤2，雾化流场参数调整：
将熔炼坩埚放置在熔炼室感应加热线圈内，将内孔直径为3～5mm的氮化硼 陶瓷导液管安装在坩埚底部，导液管通过环孔型雾化喷嘴中心固定，导液管出 口端伸出坩埚底部长度控制在26～30mm，所述导液管出口端端口为锥形尖端， 将金属锭置于熔炼坩埚中，用试纸封住合金锭通孔上口，打开雾化氩气控制总 阀，总阀氩气压力为5～10MPa，控制试纸抽吸下陷深度保持在3～5mm的时间大 于20s后关闭总阀；
步骤3，熔炼温度测量：
雾化流场参数调整完成后，抽去试纸，将顶部为圆形的中空氧化铝陶瓷杆 和连续送料进给系统的机械臂刚性连接后放置在合金锭中心通孔中，作为坩埚 底部导液管上口的封堵器，然后将R型钨铼丝热电耦封装在中空氧化铝陶瓷杆内 实时测量坩埚中合金锭的温度；
步骤4，抽真空后充入保护气：
依次使用机械泵、罗茨泵和扩散泵对熔炼室、雾化室和粉末收集装置抽真 空，待真空度达到2.0×10-2Pa以下，迅速充入氩气使熔炼室气压保持在0.01Mpa；
步骤5，真空感应熔炼：
开启中频感应加热电源，先使用20～30kW感应功率对合金锭进行预加热， 待合金锭温度升高到1000℃后，增加功率到30～40kW，使坩埚内合金锭完全熔 化并保持50～100℃过热度；
步骤6，再次抽真空、真空感应精炼与气雾化：
(1)待坩埚内熔融低碳高铬合金液达到50～100℃过热度后，再次打开机械 泵，将熔炼过程中产生的废气抽离，待熔炼室气压达到20Pa以下后，迅速充入 氩气使熔炼室气压保持在0.01Mpa；
(2)快速增加熔炼功率到40～50kW，将熔融合金液过热度在100～150℃范 围内保持5～10min，进行精炼；
(3)打开雾化气体总阀，总阀压力控制在10～12MPa，喷出的氩气经环孔 型雾化喷嘴汇集在导液管出口端尖端，快速提升氧化铝陶瓷杆，使熔融的高温 合金液经导液管上入口以3kg/min～5kg/min的质量流率流入雾化室，高速低温的 氩气将金属液流冲击破碎，经过冷却和凝固形成球形低碳高铬合金钢粉末，落 入粉末收集装置；
步骤7，合金粉末收集、筛分与保存：
采用二级旋风集粉器对制备的低碳高铬合金钢粉末进行收集，粉末充分冷 却后，采用拍击式振动筛将粉末按照粒径分布1～54μm和54～180μm进行分级筛分， 放入真空手套箱中进行真空封装保存。
在上述技术方案中，在步骤1中，将低碳高铬母合金加工成与坩埚形状和体 积相匹配的圆柱形合金锭，合金锭体积占坩埚体积的80～90％，用金相砂纸将合 金锭表面氧化物和杂质去除，然后用无水乙醇分别清洗合金表面和通孔内部， 去除油污。
采用上述方法制备得到的本发明的激光增材制造用低碳高铬合金钢粉末， 粉末含氧量在0.025％以下，球形度超过98％，空心球率不超过3％，粒径分布集 中在1～180μm之间，粉末收集率可达到95％以上，大幅降低粉末生产成本。该激 光增材制造用低碳高铬合金粉末，其颗粒为球形，松装密度为4.75～4.81/cm3， 流动性为18.53～19.58s/50g。
本发明的另一方面，提出一种上述的激光增材制造用镍基高温合金粉末的 使用方法，包括以下步骤：
步骤一，基板材料和粉末预处理
基板材料为Q235钢，将基板打磨、抛光、清洗后待用；
将粉末粒径54～180μm的低碳高铬合金钢粉末在80～100℃下烘干3～5h，装 入送粉器中待用；
步骤二，激光增材制造
采用激光增材制造机自带的编程软件设置打印体的形状及打印路径，在基 板上，通过激光增材制造打印，制备出沉积态的低碳高铬合金钢试样；其中， 所述激光增材制造打印的工艺参数为：激光功率2100W～2200W，扫描速度 5～7mm/s，送粉量5～7g/min，送粉气流量2.5～4L/min，搭接率20％～40％，Z轴 提升量0.2～0.6mm，层间冷却时间0.5～3.0min，整个打印过程通惰性气体保护高 温熔池。
在上述技术方案中，在步骤二中，使用的打印机为最大功率可达3kW同轴 送粉半导体激光增材3D打印机。
在上述技术方案中，在步骤二中，打印路径为单层平行往复扫描。
在上述技术方案中，在步骤二中，使用的送粉气和保护气为氩气。
在上述技术方案中，在步骤二中，制备出的沉积态的低碳高铬合金钢试样 的合金钢组织无明显裂纹、气孔缺陷，底部层与层之间是“白状带”组织，中上部 是沿沉积高度方向贯穿多层熔覆层生长的大片毫米级的柱状晶组织，由 Fe-Cr-Mn固溶体和少量的M7C3、M3C2及Y2O3构成。沉积态低碳高铬合金钢的 硬度为346HV～350HV，抗拉强度797MPa～890MPa，屈服强度σ0.2为340Mp～704Mpa，延伸率为12.5％～17.5％，室温拉伸断口形貌包含大量韧窝，呈 韧性断裂，具有较好的强韧匹配性。
本发明基于激光增材制造用高性能低碳高铬合金粉末的实际要求，不断调 整和优化真空坩埚感应熔炼气雾化的工艺参数和步骤，最后制备出具有高球形 度、低空心球率、成分均匀、含氧量低、流动性好的低碳高铬合金钢粉末。将 制备的低碳高铬合金钢粉末用于激光增材制造，通过优化合适的打印参数，使 粉末经过充分的熔化-凝固、快速成形出具有良好力学性能的样品。本发明制备 的低碳高铬合金钢粉末完全能够满足激光增材制造要求并具有良好的成形性。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供一种新型的适用于激光增材制造技术的低碳高铬合金粉 末，填补了目前市场上高质量和高性能的低碳高铬合金粉末的空白。
(2)本发明制备的低碳高铬合金钢粉末组织均匀、含氧量低、球形度高、 空心球率低、流动性好；粒径为1～180μm的粉末收得率在95％以上；同时，生 产成本较低。
(3)本发明制备的低碳高铬合金钢粉末具有良好的激光增材制造性能，且 力学性能较好，在高速列车用关键复杂零部件的激光增材制造领域具有良好的 应用前景。
附图说明
图1为现有文献的Fe-Cr-C三元液相投影图；
图2为本发明的激光增材制造低碳高铬合金成分质量分数-温度曲线；
图3为本发明的激光增材制造用低碳高铬合金成分试样硬度随温度变化模 拟曲线；
图4为本发明实施例1制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末的粒径分 布图；
图5为本发明实施例1制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末的累积质 量分布图；
图6为本发明实施例1制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末不同放大 倍数的SEM形貌照片，其中图6(a)～6(d)的放大倍数分别为x200、x500、 x1000、x10000；
图7为本发明实施例1制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末空心球金 相照片；
图8为本发明实施例1制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末X射线衍 射图；
图9为本发明实施例1制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末沉积态试 样金相照片，其中图9(a)～9(b)分别为200μm以及50μm的比例尺下的金相 照片；
图10为本发明实施例1制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末沉积态试 样不同放大倍数的SEM照片，其中图10(a)～10(b)的放大倍数分别为x1000、 x10000；
图11为本发明实施例1制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末沉积态试 样X射线衍射图；
图12为本发明实施例1制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末沉积态试 样显微硬度分布图；
图13为本发明实施例1制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末沉积态试 样室温拉伸应力-应变曲线图(图13(a))及不同比例尺下的断口形貌图(图13 (b)～图13(d)，比例尺分别为300μm、3μm以及1μm)；
图14为本发明实施例2制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末的粒径分 布图；
图15为本发明实施例2制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末的累积质 量分布图；
图16为本发明实施例2制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末不同放大 倍数的SEM形貌照片，其中图16(a)～16(d)的放大倍数分别为x100、x500、 x1500、x3000；
图17为本发明实施例2制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末空心球金 相照片；
图18为本发明实施例2制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末X射线衍 射图
图19为本发明实施例2制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末沉积态试 样金相照片，其中，图19(a)和图19(b)分别为200μm以及20μm的比例尺 下的金相照片；
图20为本发明实施例2制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末沉积态试 样不同放大倍数的SEM照片，其中图20(a)～20(b)的放大倍数分别为x800、 x9000；
图21为本发明实施例2制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末沉积态试 样X射线衍射图；
图22为本发明实施例2制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末沉积态试 样显微硬度分布图；
图23为本发明实施例2制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末沉积态试 样室温拉伸应力-应变曲线图(图23(a))及不同比例尺下的断口形貌图(图23 (b)～图23(d)，比例尺分别为300μm、3μm以及1μm)的断口形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并 不局限于这些实施方式。
以下实施例使用的激光增材制造用打印机以及性能检测设备：
打印机采用FL-Dlight02-3000W型最大功率可达3kW同轴送粉半导体激光增 材3D打印机；
采用OLYMPUS-GX71型倒置式光学显微镜(OM)观察粉末空心球率和成 型试样的金相组织；
采用Shimadzu-SSX-550扫描电子显微镜(SEM)观察粉末表面形貌、元素 EDS分析、球形度以及成型试样的微观组织；
采用日本SmartLab-9000型X射线衍射仪(XRD)进行粉末物相分析；
采用INSTRON-5969电子万能材料试验机对打印成型试样进行拉伸性能测 试；
采用AGILENT-7700电感耦合等离子质谱仪和TCH-600氮氧氢分析仪测定 合金粉末的化学成分和氧含量；
采用HYL-102型霍尔流速计测量合金粉末的松装密度比和流动性。
本发明的用于激光增材制造的低碳高铬合金成分的成分设计原理：粉末材 料成分是保障制造部件良好性能的根本问题，成分的选择与配比的确定往往是 在相互矛盾的条件下进行的寻优过程。根据经典相图理论，基于Fe-Cr-C三元液 相投影图，以金属元素合金化原理、固溶强化机制及第二项强化理论等作为参 考，结合金属材料的相图计算模拟软件，设计出一种新型的低碳高铬合金粉末 成分，并对设计出的低碳高铬合金凝固过程的析出相进行模拟。图1为现有文 献(V.G.RIVLIN.Phase equilibria in iron ternaryalloys-Critical review of constitution of carbon chromium-iron and carboniron-manganese systems. International Metals Reviews,1984,29(4):299-327.)中的Fe-Cr-C三元液相投影图， 可以看出，Fe-Cr-C合金的析出相以γ-Fe和M7C3碳化物为主。此外，合金中较 高的Cr含量还会促进M23C6型碳化物和M3C2型碳化物的形成。图2为本发明 设计的激光增材制造低碳高铬合金成分的模拟质量分数-温度曲线，在其凝固过 程中，高温铁素体相首先析出，然后全部转变为奥氏体，随着温度降低，奥氏 体仅有少量会残余，而大部分将转化为马氏体和铁素体，同时伴有少量碳化物 的析出。图3为本发明设计的激光增材制造用低碳高铬合金材料的模拟硬度值， 在常温时硬度可达420HV。
本发明的用于激光增材制造的低碳高铬合金粉末，按照质量百分比由以下 成分组成：C：0.15～0.17％、Cr：12.0～14.0％、Si：0.5～0.6％、Mo：0.45～0.55％、 Mn：1.0～1.1％、V：0.5～0.65％、Y：0.5～2.0％、N：0.002～0.009％、H：0.003～ 0.01％、O：0.015～0.025％，余量为Fe。
下述实施例使用的低碳高铬合金钢母合金，按照质量百分含量其化学成分 为，C：0.15％、Cr：12.0％、Si：0.5％、Mo：0.5％、Mn：1.1％、V：0.5％、Y： 2.0％、N：0.005％、H：0.01％、O：0.02％，余量为Fe。采用真空感应超纯净熔 炼技术(VIM)制备成圆柱形合金锭，采用常规工艺参数设定即可制备得到， 合金锭的含氧量控制在0.010％，其它合金元素分布均匀，无明显偏析，可适用 于本发明。
实施例1
一种激光增材制造用低碳高铬合金粉末，其制备方法包括以下步骤：
步骤1，原材料预处理：
将低碳高铬合金钢母合金加工成和熔炼坩埚形状和体积相匹配的圆柱形合 金锭，金属锭体积占坩埚体积的80％，然后将合金锭中心加工出直径30mm的通 孔，用金相砂纸将合金锭表面油污和氧化物去除，用无水乙醇分别清洗合金表 面和通孔内部，将合金锭表面油污去除干净；
步骤2，雾化流场参数调整：
将熔炼坩埚放置在熔炼室感应加热线圈内，将内孔直径为3mm的氮化硼陶 瓷导液管安装在坩埚底部，导液管通过环孔型雾化喷嘴中心固定，导液管的出 口端伸出坩埚底部长度控制在26mm，然后将合金锭置于熔炼坩埚中，用试纸封 住金属锭通孔上口；打开雾化氩气控制总阀，总阀氩气压力为5MPa，控制试纸 抽吸下陷深度保持在3mm的时间大于20s后关闭总阀；
所述导液管包括入口端和出口端，所述入口端对接固定于坩埚底部的圆孔 处，坩埚内的熔融合金液通过该入口端流入导液管内，由出口端端口流出，流 入雾化室。所述出口端端口形成圆锥形尖端，这样的结构使熔炼合金液形成液 滴，在氩气流的作用下易于形成粉末。
在步骤2中，通过精确调整控制导液管出口端的伸出长度，使出口端完全置 于雾化流场负压区内，提高出口端抽吸压力，有利于雾化时熔融合金液迅速顺 利流出。采用测量试纸抽吸下陷深度的方法可便捷直观的反映出导液管出口抽 吸压力大小变化，提高了压力调节精度。
步骤3，熔炼温度测量：
雾化流场参数调整完成后，抽去试纸，将顶部为圆形的中空氧化铝陶瓷杆 和连续送料进给系统的机械臂刚性连接后放置在合金锭中心通孔中，作为坩埚 底部导液管上口的封堵器，然后将R型钨铼丝热电耦封装在中空氧化铝陶瓷杆内 实时测量坩埚中合金锭的温度；
所述中空氧化铝陶瓷杆的下端为封闭圆形端，陶瓷杆固定在感应熔炼炉顶 部的机械臂上，调整陶瓷杆高度使陶瓷杆下端部堵住导液管管口(入口端)， 关闭感应熔炼炉门；该步骤中陶瓷杆不仅能保护热电偶使其循环使用，而且能 够保证合金锭加热到所需过热度，阻止合金锭熔化为液态后进入雾化室。
步骤4，抽真空后充入保护气：
将熔炼室及整个雾化系统进行密闭后，依次使用机械泵、罗茨泵和扩散泵 对熔炼室、雾化室和粉末收集装置进行抽真空，待真空度达到2.0×10-2Pa以下， 迅速充入氩气使熔炼室气压保持在0.01Mpa；
步骤5，真空感应熔炼：
开启中频感应加热电源，先使用20kW感应功率对合金锭进行预加热，待合 金锭温度升高到1000℃后，增加功率到30kW，使坩埚内合金锭完全熔化并保持 50℃过热度；
在步骤5中，首先通过低功率预加热的方法让低碳高铬合金锭化学成分更加 均一，同时也可以有效缓解熔炼坩埚的热应力，提高坩埚的抗裂能力。待升温 到即将熔化时，采用大功率加热方法熔炼合金锭，可以起到减小合金中元素烧 损作用。
步骤6，再次抽真空、真空感应精炼与气雾化：
(1)待坩埚内熔融低碳高铬合金钢达到50℃过热度后，再次打开机械泵， 将熔炼过程产生的废气抽离，待熔炼室气压达到20Pa以下后，迅速充入氩气使 熔炼室气压保持在0.01Mpa；
(2)快速增加熔炼功率至40kW，将熔融合金液过热度在150℃保持5min进 一步精炼；
(3)打开雾化气体总阀，总阀压力控制在12MPa，喷出的氩气经环孔型雾 化喷嘴汇集在导液管下出口端锥形尖端，然后快速提升氧化铝陶瓷杆，使熔融 的低碳高铬合金钢液经导液管上入口以3kg/min的质量流率流入雾化室，高流速 较低温的氩气将合金液流冲击破碎，经过冷却后凝固成球形粉末颗粒，落入粉 末收集装置；
在步骤6(1)中，通过再次打开机械泵二次抽真空的方法将熔炼过程中产 生的废气抽离，可以进一步降低雾化室中的含氧量和其他杂质气体含量；通过 步骤6(2)短时高过热度保温精炼，进一步净化合金溶液的杂质，保证粉末化 学成分符合要求；
步骤7，合金粉末收集、筛分与保存：
采用二级旋风集粉器对制备的低碳高铬合金钢粉末进行收集，粉末充分冷 却后，采用拍击式振动筛将粉末按照粒径分布1～54μm和54～180μm进行分级筛分， 然后将粉末放入真空手套箱中进行真空封装保存；
采用上述方法制备得到的低碳高铬合金钢粉末，粉末含氧量在0.025％以下， 球形度超过98％，空心球率不超过2％，粒径分布主要集中在1～180μm之间，粉 末收集率可达到95％以上，大幅降低粉末生产成本。
采用上述方法制备得到的低碳高铬合金钢粉末通过激光增材制造低碳高铬 合金钢试样，试样制备方法包括以下步骤：
步骤一，基板材料和粉末预处理
基板材料为Q235钢，先用砂轮对基材表面进行除锈，使其表面光亮洁净， 冲干净后吹干备用；将粉末粒径54～180μm的低碳高铬合金粉末在80℃下烘干 3h，装入送粉器中待用；
步骤二，激光增材制造
利用最大功率3kW半导体激光增材制造机进行打印，采用同轴送粉方式， 用自带的编程软件设置打印体的形状及打印路径，打印路径为逐层的平行往复 扫描，在基板上，制备出沉积态的镍基高温合金试样；其中，激光增材制造的 工艺参数为：激光功率2100W，扫描速度5mm/s，送粉量4g/min，送粉气流量 2.5L/min，搭接率40％，Z轴提升量0.4mm，层间冷却时间0.5min，整个打印过程 通氩气保护高温熔池。
对本实施例制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末及激光快速沉积态试 样，进行如下分析测试：
(1)粉末粒径分布测试
对本实施例制得的高铬合金粉末进行分级并测量，以每级粉末质量占总质 量的百分比做粉末粒径区间的质量粒径分布图，包括粉末独立粒径分布图(图4) 与累积质量分布图(图5)。图中可看出，粉末粒径在54～180μm的粉末质量约 占总质量的79.5％。
(2)球形度和表面形貌
对本实施例制得的高铬合金粉末的表面和显微形貌进行观测，如图6所示， 该粉末球形度好，粒度分布均匀，表面较为光洁，卫星球、破碎球等缺陷较少。 粉末表面可观察到大量晶界存在，主要由细小的胞状晶粒组成。
(3)空心球率分析
本实施例制得的激光增材制造用低碳高铬合金粉末的截面金相图形貌如图 7所示，可观察到少量的主要以闭合的形式存在的空心球，空心球率低于2％。 这些缺陷颗粒粉末的产生是因为在氩气高速冲击下，大颗粒的合金钢液滴在被 冲击破碎过程中，极少部分气体被包裹在液滴中心，形成中控状态的粉末颗粒。 这种空心球的存在在激光增材制造过程中可能会是形成气孔等缺陷的根源，从 而影响粉末的打印性及打印试样的性能。
(4)化学成分、含氧量分析
采用X射线荧光光谱仪分析方法与TCH-600氮、氧、氢分析仪依据国家标 准GB/T14265-1993，测量了本实施例制备的低碳高铬合金粉末，成分按质量百 分比为(wt.％)：C：0.157％、Cr：12.50％、Si：0.584％、Mo：0.482％、Mn： 1.03％、V：0.609％、Y：1.95％、N：0.005％、H：0.01％、O：0.022％、余量为 Fe。
对本实施例制备的激光增材制造用球型低碳高铬合金粉末进行X射线衍射， 所得X射线衍射图如图8所示。从图8可以看出，粉末的物相主要是为α-Fe相、Y及少量的M7C3和M3C2型碳化物。
(5)松装密度和流动性检测
采用HYL-102型霍尔流速计，依据国家标准GB/T1482-2010，使用孔径为 5mm的不锈钢漏斗，对本实施例制备的激光增材制造用球型低碳高铬合金粉末， 进行松装密度和流动性检测，测量5次结果如表1所示，粉末松装密度所得5 次平均值为4.750g/cm3。
表1.粉末松装密度测量结果
由于送粉的激光直接沉积3D打印，要求粉末具备流动性保证激光直接沉积 过程中粉末连续输送，因此，流动性是用来测量54～180μm粒径的粉末。采用 HYL-102型霍尔流速计，依据国家标准GB/T1482-2010，使用孔径为2.5mm的 不锈钢漏斗，对本实施例制备的粒度为54～150μm激光增材制造用球型低碳高 铬合金粉末，测量5次的结果如表2所示，粉末流动性所得5次测量结果平均 值为18.98s/50g。
表2.粉末流动性测量结果
(6)激光增材制造低碳高铬合金样品金相组织
激光增材制造低碳高铬合金成形试样的金相组织如图9所示，沉积试样主 要是由沿沉积高度方向呈柱状生长贯穿多层熔覆层的粗大的毫米级柱状晶构成， 这是因为在激光快速成形过程当中，凝固始终从熔池底部向熔池顶部进行，同 时熔池底部的温度梯度最高，并且沿沉积方向的热分量远大于其他方向的热分 量，所以晶粒沿沉积方向呈柱状生长。
(7)激光增材制造低碳高铬合金样品SEM微观组织
激光增材制造低碳高铬合金成形试样的SEM微观组织形貌如图10所示， 与金相观察结果一致，存在大量的板条状贝氏体及铁素体。同时弥散分布着少 量尺寸<1μm的白色颗粒状Y2O3(如图10(a)中由方框以及图10(b)中由箭 头标注的部分)。
(8)激光增材制造低碳高铬合金成形试样的物相分析
激光增材制造的低碳高铬合金成形试样的物相分析结果如图11所示，主要 为Fe-Cr-Mn固溶体相和少量M7C3、M3C2及Y2O3，由于该合金成分中碳元素的 含量少，形成碳化物数量有限，并因其尺寸小，含量低，其衍射峰并不明显， 符合在合金成分设计中成分与温度曲线的模拟结果。粉末中Y元素在激光打印 过程中与O结合形成了Y2O3相。
(9)激光增材制造低碳高铬合金样品显微硬度
图12为激光增材制造低碳高铬合金成形试样的硬度测试结果。如图所示该 沉积试样平均硬度值大约为350HV，与模拟结果(420HV)相比较低，这是因 为该软件是以平衡态组织为前提进行计算的，而激光增材制造获得的组织是在 非平衡凝固条件下得到的非平衡组织，因此与模拟结果存在一定差异；另外， 在激光增材制造过程中，不可避免存在元素烧损现象，对沉积试样的最终性能 也会有所影响。可以看到在沉积试样的近表面区域硬度值较高，达400HV以上， 这是因为在激光打印过程中近表层的冷却速度较快，形成少量马氏体组织，而 在下一层材料继续沉积时，部分马氏体组织经过一个类似回火的作用后转变为回火马氏体，硬度值要高于成形试样的中部区域。低碳高铬合金成形试样的硬 度在热影响区处逐步下降。
(10)激光增材制造低碳高铬合金样品室温拉伸曲线和断口形貌
图13为实施例1激光增材制造低碳高铬合金样品的应力-应变曲线及其断口 形貌。其抗拉强度为797Mpa，屈服强度σ0.2＝340Mpa，均匀延伸率可达12.5％， 呈现出较好的强韧性。在其断口形貌发现较为明显的撕裂棱，这是由于激光功 率较低时，部分粉末没有熔化充分，产生夹杂较多引起的，夹杂处作为缺陷在 进行拉伸试验时成为断裂源。
实施例2
一种激光增材制造用低碳高铬合金粉末，采用与实施例1成分比例相同的 母合金。
一种激光增材制造用低碳高铬合金粉末，其制备方法包括以下步骤：
步骤1，原材料预处理：
将低碳高铬合金钢母合金加工成和熔炼坩埚形状和体积相匹配的圆柱形金 属锭，金属锭体积占坩埚体积的80％，然后将合金锭中心加工出直径30mm的通 孔，用金相砂纸将合金锭表面油污和氧化物去除，用无水乙醇分别清洗合金表 面和通孔内部，将合金锭表面油污去除干净；
步骤2，雾化流场参数调整：
将熔炼坩埚放置在熔炼室感应加热线圈内，将内孔直径为3mm的氮化硼陶 瓷导液管安装在坩埚底部，导液管通过环孔型雾化喷嘴中心固定，伸出坩埚底 部长度控制在26mm。然后将金属锭置于熔炼坩埚中，用试纸封住金属锭通孔上 口。打开雾化氩气控制总阀，总阀氩气压力为5MPa，控制试纸抽吸下陷深度保 持在3mm的时间大于20s后关闭总阀；
步骤3，熔炼温度测量：
雾化流场参数调整完成后，抽去试纸。将顶部为圆形的中空氧化铝陶瓷杆 和连续送料进给系统的机械臂刚性连接后放置在合金锭中心通孔中，作为坩埚 底部导液管上口的封堵器，然后将R型钨铼丝热电耦封装在中空氧化铝陶瓷杆内 实时测量坩埚中合金锭的温度；
步骤4，抽真空后充入保护气：
将熔炼室及整个雾化系统进行密闭后，依次使用机械泵、罗茨泵和扩散泵 对熔炼室、雾化室和粉末收集装置进行抽真空，待真空度达到2.0×10-2Pa以下， 迅速充入氩气使熔炼室气压保持在0.01Mpa；
步骤5，真空感应熔炼：
开启中频感应加热电源，先使用20kW感应功率对钢锭进行预加热，待合金 锭温度升高到1000℃后，增加功率到30kW，使坩埚内合金锭完全熔化并保持50℃ 过热度；
步骤6，再次抽真空、真空感应精炼与气雾化：
(1)待坩埚内熔融低碳高铬合金钢达到50℃过热度后，再次打开机械泵， 将熔炼过程产生的废气抽离，待熔炼室气压达到20Pa以下后，迅速充入氩气使 熔炼室气压保持在0.01Mpa；
(2)快速增加熔炼功率至40kW，将熔融合金液过热度在150℃保持5min进 一步精炼；
(3)打开雾化气体总阀，总阀压力控制在10MPa，喷出的氩气经环孔型雾 化喷嘴汇集在导液管下出口尖端。然后快速提升氧化铝陶瓷杆，使熔融的低碳 高铬合金钢液经导液管上入口以3kg/min的质量流率流入雾化室。高流速较低温 的氩气将金属液流冲击破碎，经过冷却和凝固形成球形粉末，最终落入粉末收 集装置；
步骤7，合金粉末收集、筛分与保存：
采用二级旋风集粉器对制备的低碳高铬合金钢粉末进行收集，粉末充分冷 却后，采用拍击式振动筛将粉末按照粒径分布1～54μm和54～180μm进行分级筛分， 然后将粉末放入真空手套箱中进行真空封装保存。
采用上述方法制备得到的低碳高铬合金钢粉末，粉末含氧量在0.025％以下， 球形度超过98％，空心球率不超过2％，粒径分布主要集中在1～180μm之间，粉 末收集率可达到95％以上，大幅降低粉末生产成本。
采用上述方法制备得到的低碳高铬合金钢粉末通过激光增材制造低碳高铬 合金钢试样，试样制备方法包括以下步骤：
步骤一，基板材料和粉末预处理
基板材料为Q235钢，先用砂轮对基材表面进行除锈，使其表面光亮洁净， 冲干净后吹干备用；
将粉末粒径54～180μm的低碳高铬合金粉末在80℃下烘干3h，装入送粉器 中待用；
步骤二，激光增材制造
利用最大功率3kW半导体激光增材制造机进行打印，采用同轴送粉方式， 用自带的编程软件设置打印体的形状及打印路径，打印路径为逐层的平行往复 扫描。在基板上，制备出沉积态的镍基高温合金试样；其中，激光增材制造的 工艺参数为：激光功率2200W，扫描速度5mm/s，送粉量4g/min，送粉气流量 2.5L/min，搭接率40％，Z轴提升量0.4mm，层间冷却时间0.5min，整个打印过程 通氩气保护高温熔池。
对本实施例制备的激光增材制造用低碳高铬合金粉末及激光快速沉积态试 样，进行如下分析测试：
(1)粉末粒径分布测试
对本实施例制得的高铬合金粉末进行分级并测量，以每级粉末质量占总质 量的百分比做粉末粒径区间的质量粒径分布图，包括粉末独立粒径分布图(图 14)与累积质量分布图(图15)。图中可看出，粉末粒径在54～180μm的粉末质 量约占总质量的77.0％。
(2)球形度和表面形貌
对本实施例制得的高铬合金粉末的表面和显微形貌进行观测，如图16所示， 该粉末球形度好，粒度分布均匀，表面较为光洁，卫星球、破碎球等缺陷较少。 粉末表面可观察到大量晶界存在，主要由细小的胞状晶粒组成。
(3)空心球率分析
本实施例制得的激光增材制造用低碳高铬合金粉末的截面金相图形貌如图 17所示，可观察到少量的主要以闭合的形式存在的空心球，空心球率低于2％。 这些缺陷颗粒粉末的产生是因为在氩气高速冲击下，大颗粒的合金钢液滴在被 冲击破碎过程中，极少部分气体被包裹在液滴中心，形成中控状态的粉末颗粒。 这种空心球的存在激光增材制造过程中可能会是形成气孔等缺陷的根源，从而 影响粉末的打印性及打印试样的性能。
(4)化学成分、含氧量分析
采用X射线荧光光谱仪定量分析方法与TCH-600氮、氧、氢分析仪依据国 家标准GB/T14265-1993，测量了本实施例制备的低碳高铬合金粉末，成分按质 量百分比为(wt.％)：C：0.158％、Cr：13.013％、Si：0.591％、Mo：0.548％、 Mn：1.091％、V：0.641％、Y：0.65％、N：0.004％、H：0.01％、O：0.021％、 余量为Fe。
对本实施例制备的激光增材制造用球型低碳高铬合金粉末进行X射线衍射， 所得X射线衍射图如图18所示。从图18可以看出，粉末除α-Fe外还有少量的 Y、M7C3和M3C2构成。
(5)松装密度和流动性检测
采用HYL-102型霍尔流速计，依据国家标准GB/T1482-2010，使用孔径为 5mm的不锈钢漏斗，对本实施例制备的激光增材制造用球型低碳高铬合金粉末 进行松装密度和流动性检测，测量5次结果如表3所示，粉末松装密度所得5 次平均值为4.674g/cm3。
表3.粉末松装密度测量结果
由于送粉的激光直接沉积3D打印样品，要求粉末具备流动性保证激光直接 沉积过程中粉末连续输送，因此，流动性是用来测量54～180μm粒径的粉末。 采用HYL-102型霍尔流速计，依据国家标准GB/T1482-2010，使用孔径为2.5mm 的不锈钢漏斗，对本实施例制备的粒度为54～150μm激光增材制造用球型低碳 高铬合金粉末，测量5次的结果如表4所示，粉末流动性所得5次测量结果平 均值为18.53s/50g。
表.4粉末流动性测量结果
(6)激光增材制造低碳高铬合金样品金相组织
激光增材制造低碳高铬合金成形试样的金相组织如图19所示，沉积试样主 要是由贝氏体和铁素体组织组成。
(7)激光增材制造低碳高铬合金样品SEM微观组织
激光增材制造低碳高铬合金成形试样的SEM微观组织形貌如图20所示， 大量的贝氏体和铁素体组织从原奥氏体内析出，板条贝氏体的形成如图20(a) 中由方框以及图20(b)中由箭头标注的部分)跟本申请设计的低碳高铬合金成 分中的C元素含量较低有关。
(8)激光增材制造低碳高铬合金成形试样的物相分析
激光增材制造低碳高铬合金成形试样的物相分析结果如图21所示，本发明 低碳高铬合金沉积试样主要由α-Fe的Fe-Cr-Mn固溶体、M7C3、M3C2及Y2O3构成。与之前的成分设计模拟结果较为吻合。
(9)激光增材制造低碳高铬合金样品显微硬度
图22为激光增材制造低碳高铬合金成形试样的硬度测试结果。如图所示该 沉积试样的硬度曲线仍然呈现出在试样近表面的区域的硬度值较高的状态，整 体沉积试样的平均硬度值约为346HV，不同功率下低碳高铬成形试样硬度值差 异较小。
(10)激光增材制造低碳高铬合金样品室温拉伸和断口形貌
图23为实施例2激光增材制造低碳高铬合金样品的应力-应变曲线及其断口 形貌。由其应力应变曲线可以看到，该低碳高铬成形试样的抗拉强度为891Mpa， 屈服强度σ0.2＝704Mpa，均匀延伸率达到17.5％，与实施例1相比，其强韧性呈 现大幅提升。这是由于功率升高至2200W后，较高的能量足够把不同粒径的粉 末颗粒全部熔化，沉积试样内部夹杂几近消失，因此在拉伸过程中不会作为缺 陷而发生断裂。从图23中试样的断口形貌来看，呈现大量细密的韧窝，无撕裂 棱或撕裂面的存在，这充分说明了其断裂机制为韧性断裂。

Claims (8)

1.一种激光增材制造用低碳高铬合金钢粉末，其特征在于，按照质量百分比由以下成分组成：C：0.15～0.17％、Cr：12.0～14.0％、Si：0.5～0.6％、Mo：0.45～0.55％、Mn：1.0～1.1％、V：0.5～0.65％、Y：0.5～2.0％、N：0.002～0.009％、H：0.003～0.01％、O：0.015～0.025％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的激光增材制造用低碳高铬合金钢粉末，其特征在于，所述的低碳高铬合金钢粉末为球形，其球形度超过98％，空心球率不超过2％，粉末氧含量在0.025％以下，粒径分布为1～180μm，松装密度为4.75～4.81/cm3，流动性为18.53～19.58s/50g。
3.权利要求1或2所述的激光增材制造用低碳高铬合金钢粉末的制备方法，包括以下步骤：将低碳高铬母合金加工成圆柱形合金锭后放入熔炼坩埚中进行加热，熔炼温度达到熔融合金液过热度在100～150℃时，保证雾化氩气汇集在导液管出口端尖端，快速提升氧化铝陶瓷杆，合金液滴通过流入雾化室，冷却后对合金粉末进行收集。
4.权利要求1或2所述的激光增材制造用低碳高铬合金钢粉末的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，粉末与基体材料的预处理
将54～180μm的激光增材制造用低碳高铬合金钢粉末，在80～100℃下烘干3～5h，放入送粉器待用；
基板材料为Q235钢板，将基板打磨、清洗后待用；
步骤二，激光增材制造
在采用激光增材制造机自带的编程软件设置打印体的形状及打印路径，在基板上，通过激光增材制造打印，制备出沉积态的低碳高铬合金钢；其中，所述激光增材制造打印的工艺参数为：激光功率2100W～2200W，扫描速度5～7mm/s，送粉量5～7g/min，送粉气流量2.5～4L/min，搭接率20％～40％，Z轴提升量0.2～0.6mm，层间冷却时间0.5～3.0min，整个打印过程通惰性气体保护高温熔池。
5.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于，在步骤二中所述的打印路径为单层平行往复扫描。
6.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
7.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于，所述的沉积态的低碳高铬合金钢的组织为沿沉积高度方向生长贯穿多层熔覆层的毫米级柱状晶，由Fe-Cr-Mn固溶体和少量的M7C3、M3C2及Y2O3构成。
8.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于，所述的沉积态低碳高铬合金钢的硬度为346HV～350HV，抗拉强度797MPa～890MPa，屈服强度σ0.2为340Mp～704Mpa，延伸率为12.5％～17.5％，室温拉伸断口形貌包含大量韧窝，呈韧性断裂。
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