CN109365809B - 一种激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法 - Google Patents

一种激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法，属于金属增材制造技术领域。包括以下步骤：(1)固溶处理：在压强不大于10‑3Pa的真空环境、温度为1050℃～1130℃的条件下保温2h～4h，回充氩气冷却；(2)冷处理：温度为‑70℃～‑80℃，保温2h±30min，空气中恢复至室温；(3)回火处理：温度为250℃～320℃，保温3h～6h，空冷。经热处理后，成形内应力得以消除，低碳板条马氏体数量增多且更细密均匀，同时形成弥散分布的逆转变奥氏体，保证了良好的强度和塑韧性；室温时，材料的Rm不低于1100N/mm2，Rp0.2不低于850N/mm2，A不低于12％，Z不低于45％，KU2不低于40J。

Description

一种激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理 方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，尤其涉及一种激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢及其热处理方法。
背景技术
涡轮泵是液氧煤油火箭发动机的关键组件，有发动机“心脏”之称，其长时间在低温液氧高速冲刷、大振动等特殊环境中工作，对涡轮氧泵壳体、煤泵壳体、出口管等重要零部件的力学性能有较高要求。由精密铸造方法制造的上述零部件在浇注过程中容易出现疏松、缩孔等缺陷，采用人工补焊方式进行修复，存在补焊周期长、劳动强度大，产品可靠性难以保证的问题。
激光熔化沉积(Laser Melted Deposition,LMD)修复技术是一种同步送粉式的高性能金属增材制造修复技术，利用激光熔化同步供给的金属粉末，采用特制喷嘴在损伤零件上按缺陷区域二维轮廓逐层修复沉积，可应用于损伤零部件的快速修复，具有修复性能高、热输入小、效率和可靠性高等优势。
激光熔化沉积修复技术作为一种数字化修复手段，相比人工补焊劳动强度低、修复效率高，且缺陷部位一次修复合格率大幅提升，质量稳定性好，避免了人工补焊返修过程中大量非必要的生产成本；激光熔化沉积修复过程能量在功率密度和时空分布上可控性高，可最大限度减小热输入对铸件基体带来的翘曲变形、晶粒组织粗大等影响，且自身组织内部无宏观偏析，晶粒细密均匀。采用激光熔化沉积技术修复06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢铸件典型缺陷部位，可以实现涡轮泵上损伤零部件高效、高性能的修复与再制造。
采用激光熔化沉积工艺成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢时，修复区域经历反复快速加热-冷却的再热循环过程，使得修复组织为少量马氏体+残余奥氏体，不能充分发挥06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢低碳马氏体板条的强化作用，且激光熔化修复快速熔化、凝固的特点使内部存在一定的残余应力，须通过后续热处理工艺消除内应力和改善组织，以获得可完全达到或优于铸件基体性能水平的修复区域力学性能。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法，使得材料在具备高强度的同时，获得良好的塑韧性配合。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：一种激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法，对激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢依次执行下述处理，获得热处理态的06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢：
(1)固溶处理：在压强不大于10-3Pa的真空环境、温度为1050℃～1130℃的条件下保温2h～4h，回充惰性气体冷却；
(2)冷处理：温度为-70℃～-80℃，保温4h±30min，恢复至室温；
(3)回火处理：温度为250℃～320℃，保温3h～6h。
优选的，所述步骤(1)固溶处理中设置保温台阶，保温台阶温度为850℃～950℃区间内某一温度，保温时间不少于1h。
优选的，所述步骤(1)中固溶处理在压强不大于10-3Pa的真空环境的条件下，以5℃/min～10℃/min的升温速率从室温开始升温。
优选的，所述步骤(1)固溶处理中回充的惰性气体为氩气，回充的氩气气体压强不小于2.02×105Pa。
优选的，所述步骤(2)中的冷处理在固溶处理后12h内进行。
优选的，所述步骤(2)中的冷处理采用将固溶处理后的材料埋在干冰中进行或在低温箱中进行。
优选的，所述的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢，成形时激光功率为2500W～3200W、扫描速度为800mm/s～1100mm/s、扫描间距为2mm～2.5mm，送粉量为20g/min～30g/min，分层厚度为0.7mm～1mm。
优选的，所述的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢，成形时所用06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢粉末粒径为75μm～187μm。
优选的，所述步骤(2)中保温4h±30min后空冷恢复至室温；步骤(3)保温3h～6h后空冷。
优选的，所述热处理后的06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢，室温时，材料的Rm不低于1100N/mm2，Rp0.2不低于850N/mm2，断后伸长率A不低于12％，断面收缩率Z不低于45％，KU2不低于40J。
本发明的有益效果是：
(1)、本发明实施例提供的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法，通过压强不大于10-3Pa的真空环境、温度为1050℃～1130℃的条件下保温2h～4h、回充氩气冷却的固溶处理，经温度为-70℃～-80℃、保温4h±30min、空气中恢复至室温的冷处理和温度为250℃～320℃、保温3h～6h、空冷的回火处理后，消除了成形过程快速熔化、凝固和组织转变带来的残余内应力；
(2)、同时获得均匀细密的超低碳马氏体板条组织、一定量的残余奥氏体及马氏体分解得到的逆转变奥氏体，使得材料在具备高强度的同时，获得良好的塑韧性配合；
(3)、激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢经过上述热处理后，室温时，Rm不低于1100N/mm2，Rp0.2不低于850N/mm2，A不低于12％，Z不低于45％，KU2不低于40J。
附图说明
图1为本发明实施例提供的06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢成形态微观形貌图(×500)；
图2为本发明实施例提供的热处理后的06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢微观形貌图(×500)。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明实施例提供了一种激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法，包括：
激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢经过下列步骤后，获得热处理态的06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢。
(1)固溶处理：在压强不大于10-3Pa的真空环境、温度为1050℃～1130℃的条件下保温2h～4h，回充氩气冷却；
(2)冷处理：温度为-70℃～-80℃，保温4h±30min，空气中恢复至室温；
(3)回火处理：温度为250℃～320℃，保温3h～6h，空冷。
具体地，本发明实施例固溶处理优选在真空热处理炉中进行热处理；所述的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢由06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢粉通过激光熔化沉积成形方法制得；
本发明实施例提供的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法，通过压强不大于10-3Pa的真空环境、温度为1050℃～1130℃的条件下保温2h～4h、回充氩气冷却的固溶处理，经温度为-70℃～-80℃、保温4h±30min、空气中恢复至室温的冷处理和温度为250℃～320℃、保温3h～6h、空冷的回火处理后，消除成形过程快速熔化、凝固和组织转变所带来的残余内应力，获得均匀细密的超低碳马氏体板条组织、一定量的残余奥氏体及马氏体分解得到的逆转变奥氏体，使得材料在具备高强度的同时，获得良好的塑韧性配合。热处理后的06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢，室温时，Rm不低于1100N/mm2，Rp0.2不低于850N/mm2，A不低于12％，Z不低于45％，KU2不低于40J。
在一可选实施例中，所述的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢，成形时激光功率为为2500W～3200W、扫描速度为800mm/s～1100mm/s、扫描间距为2mm～2.5mm，送粉量为20g/min～30g/min，分层厚度为0.7mm～1mm。在所述工艺参数窗口区间内，可以获得具有高致密度的修复件和细密均匀的低碳板条马氏体和残余奥氏体组织。所获得的马氏体板条贯穿多层胞状枝晶，成群、相互平行地连在一起，既体现出较好的各向同性性质，同时也为后续热处理提供了良好的组织基础，使得经热处理后的修复件具有符合要求的力学性能和金相组织。
在一可选实施例中，所述的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢，成形时所用06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢粉末粒径为75μm～187μm。所用06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢粉末粒径为75μm～187μm时，在一定的激光能量输入和粉末载气流量下，粉末具有更好的汇聚性，满足高速移动的宽熔道熔池、大搭接间距对粉末的需求量，避免因粉末供给不足在熔覆道凝固时产生熔合不良等内部缺陷，同时保证较高的修复效率。
在一可选实施例中，所述固溶处理：压强不大于10-3Pa的真空环境、温度为1050℃～1130℃的条件，包括：在压强不大于10-3Pa的真空环境的条件下，以5℃/min～10℃/min的升温速率从室温升温至1050℃～1130℃；在温度为850℃～950℃的区间内某一温度可设置保温台阶以保证成形件均匀透热，保温时间不少于1h。该升温速率和保温台阶的设置可以进一步确保产品均匀受热以便更好地释放内应力，从而减少高温固溶处理过程中可能产生的变形。
在一可选实施例中，所述固溶处理：在压强不大于10-3Pa的真空环境、温度为1050℃～1130℃的条件下保温2h～4h，回充氩气冷却，包括：回充的氩气气体压强不小于2.02×105Pa。回充足够压力的氩气可以获得足够的冷速，为马氏体转变提供足够的能量，从而获得尽可能多的细小马氏体板条组织。
在一可选实施例中，所述冷处理：温度为-70℃～-80℃，保温4h±30min，空气中恢复至室温，包括：冷处理在固溶处理后12h内进行。较短的时间间隔可以降低马氏体组织转变应力对奥氏体→马氏体转变的阻碍作用，抑制残余奥氏体稳定化倾向，从而使在冷处理所提供的一定的转变动力下，进一步获得更多量的马氏体组织。
具体地，所述热处理后的06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢，室温时，Rm不低于1100N/mm2，Rp0.2不低于850N/mm2，A不低于12％，Z不低于45％，KU2不低于40J。
以下为本发明的具体实施例：
实施例
以激光熔化沉积修复某型号发动机涡轮氧泵壳体为例。
(1)修复所用06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢粉末粒径为75μm～187μm，组成成分(质量分数)为：C：0.066％，Cr：14.27％，Ni：7.72％，Mo：0.76％，Si：0.39％，Mn：0.48％，其余为Fe；
(2)修复成形激光功率为2700W、扫描速度为1000mm/s、扫描间距为2mm，送粉量为20g/min，分层厚度为0.8mm。修复后的06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢具有如图1所示的板条马氏体+残余奥氏体的显微金相组织。
(3)热处理：修复完毕后的涡轮氧泵壳体在真空热处理炉内进行固溶热处理，炉内压强不大于10-3Pa。炉内环境满足要求后，以10℃/min的速率将真空热处理炉内温度升温至900℃保温3h，再以5℃/min的速率自900℃升至1130℃，保温2h。保温结束后，回充氩气冷却，回充氩气压强2bar(2.02×105Pa)；固溶热处理2h后进行冷处理，在低温箱中于-75℃保温4h，空气中恢复至室温；冷处理后进行回火处理，在循环空气电炉内于300℃保温3h，空冷。
热处理后的06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢具有如图2所示的大量细密板条马氏体+少量奥氏体(残余奥氏体+逆转变奥氏体)，细密板条马氏体和弥散质点使材料保持了较高的强度，板条马氏体和奥氏体使材料具备良好塑韧性。
(4)采用随炉试样测试的力学性能见表1；
表1激光熔化沉积修复氧泵涡轮壳体随炉试样力学性能
Figure BDA0001874587690000061
Figure BDA0001874587690000071
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法，其特征在于对激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢依次执行下述处理，获得热处理态的06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢：
步骤（1）固溶处理：在压强不大于10-3Pa的真空环境、温度为1050℃～1130℃的条件下保温2h～4h，回充惰性气体冷却；
步骤（2）冷处理：温度为-70℃～-80℃，保温4h±30min，恢复至室温；
步骤（3）回火处理：温度为250℃～320℃，保温3h～6h，空冷；
所述的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢，成形时激光功率为2500W～3200W、扫描速度为800mm/s～1100mm/s、扫描间距为2mm~2.5mm，送粉量为20g/min~30g/min，分层厚度为0.7 mm ~1mm；
所述的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢，成形时所用06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢粉末粒径为75μm～187μm。
2.如权利要求1所述的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤（1）固溶处理中设置保温台阶，保温台阶温度为850℃～950℃区间内某一温度，保温时间不少于1h。
3.如权利要求1或2所述的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤（1）中固溶处理在压强不大于10-3Pa的真空环境的条件下，以5℃/min～10℃/min的升温速率从室温开始升温。
4.如权利要求1所述的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤（1）固溶处理中回充的惰性气体为氩气，回充的氩气气体压强不小于2.02×105Pa。
5.如权利要求1所述的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤（2）中的冷处理在固溶处理后12h内进行。
6.如权利要求1或5所述的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤（2）中的冷处理采用将固溶处理后的材料埋在干冰中进行或在低温箱中进行。
7.如权利要求1所述的激光熔化沉积成形06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述热处理后的06Cr14Ni7Mo马氏体不锈钢，室温时，材料的Rm不低于1100N/mm²，Rp0.2不低于850N/mm²，断后伸长率A不低于12%，断面收缩率Z不低于45%，KU2不低于40J。
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