CN109913766B

CN109913766B - 一种激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末及其制备方法

Info

Publication number: CN109913766B
Application number: CN201910281818.8A
Authority: CN
Inventors: 陈岁元; 陈雪婷; 魏明炜; 尚凡敏; 武弘杰; 张斌; 刘常升; 梁京
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2039-04-09
Also published as: CN109913766A

Abstract

本发明公开了一种激光增材制造用新型50Cr6Ni2Y合金钢粉末及制备方法。该50Cr6Ni2Y合金钢粉末，组成成分具有高C、高Cr(5.8～6.1％)含量的特点，含氧量在0.05％以下，球形度超过99％，空心球率不超过1％，松装密度为4.75～4.85/cm³，流动性为17.5～18.5s/50g。激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品的显微硬度为570～587HV_0.2，抗拉强度为1052～1281MPa，屈服强度为505～937MPa，平均延伸率为2％～4％，具有良好的激光增材制造强韧性合金样品的特征，在激光增材制造高品质机械装备的高耐磨零件领域具有广泛的应用前景。

Description

一种激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末及其制备方法

技术领域

本发明属于激光增材制造金属技术领域，具体涉及一种激光增材制造用球形50Cr6Ni2Y合金钢粉末及其制备方法和使用方法。

背景技术

近年来，随着激光增材制造技术在制造金属耐磨零件领域的快速发展，例如冶金行业轧机的轧辊以及衬板、高铁制动盘、核电应急凸轮轴等零件的激光熔覆修复、再制造与直接制造(3D成形)用高性能合金钢粉末需求巨大，但目前，国内外在满足这些领域零件制造所需要的高硬度耐磨合金钢粉末的研究方面尚存在明显不足。因此，研究发明能够满足成形性好、高硬度、耐磨且强韧性匹配的激光增材制造耐磨关键零件的专用合金钢粉末已经成为重中之重的工作之一。

激光增材制造金属零件过程实际上是一个非平衡冶金过程，往往存在着激光与材料之间复杂的相互作用，融合了物理、化学、力学以及冶金之间多门学科的综合应用技术。对于成分复杂的例如高C、高C耐磨合金钢体系而言，由于存在典型的相变应力与热应力，易在激光增材制造高硬度耐磨合金钢零件过程中产生裂纹与变形。而市场上广泛使用的传统牌号的高C含量的合金钢粉末，其成分设计思想主要依据的是平衡冶金的方法与理论，因此，传统市场上应用的高C、高Cr类合金钢粉末，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、强韧匹配性差及力学性能差等科学问题。针对这些科学问题，需要依托传统合金钢成分体系，紧密结合激光增材制造技术非平衡冶金的特点，进行适用于激光增材制造用高性能合金钢成分的创新设计，来解决材料成形过程中的变形开裂、成形性差以及成形材料性能不达标等问题，以满足目前市场对于激光制造及再制造技术专用新型高硬度耐磨合金钢粉末的需求，为激光增材制造高硬度耐磨合金钢零件奠定基础。

采用24CrNiMoY、12CrNi2RE合金钢粉末等，通过激光增材制造的金属零件，其硬度值为300～400HV，抗拉强度达到900～1200MPa，延伸率达到8～12％，已经能够满足激光增材制造典型耐磨零件例如高铁制动盘、核电应急轴、冶金轧机等高品质装备零件的芯部部分的制造。但这类耐磨关键零件的应用工况要求其表面工作层硬度要达到500～900HV，尚没有可商业化应用的高硬度合金钢粉末来满足零件表面工作层的激光增材制造，从而形成外强(即高硬度耐磨)内韧(即低硬度高韧性)的制造高性能关键零件。

发明内容

鉴于上述现有技术中存在的问题，本申请的目的在于提供一种激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末及其制备方法和使用方法。本发明通过提高合金钢中C、Cr元素成分比例，经过理论模拟与实验验证相结合方法，创新设计出了具有更高硬度的新型的50Cr6Ni2Y合金钢成分体系，成形样品硬度达到570～587HV_0.2，为零件表面高硬度耐磨工作层的工业化应用提供了一种新材料。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的。

本发明的一方面，提供一种激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末，按照质量百分含量由以下成分组成：C：0.45～0.55％，Cr：5.8～6.1％，Si：0.5～0.6％，Ni：1.8～2.0％，Mn：0.45～0.55％，Y：0.45～0.5％，N：≤0.01％，H：≤0.01％，O：≤0.05％，余量为Fe。

在上述技术方案中，所述的50Cr6Ni2Y合金钢粉末为球形，球形度为99％，空心球率不超过1％，粉末氧含量在0.05％以下，粒径分布为1～180μm，松装密度为4.75～4.85g/cm³，流动性为17.5～18.5s/50g。

本发明的另一方面，提供一种上述激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末的制备方法，其特征在于：采用坩埚真空感应熔炼气雾化方法制备得到，包括将50Cr6Ni2Y合金钢熔融液于1550～1590℃下保温5～10min，在最终熔炼温度达到1645～1655℃时，在雾化气压10～12MPa下进行雾化的步骤。

在上述技术方案中，所述的激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末的制备方法，还包括：按照成分配比冶炼加工得到50Cr6Ni2Y母合金，加工成圆柱形合金锭后放入熔炼室中进行阶梯式加热，得50Cr6Ni2Y合金钢熔融液的步骤，其中所述阶梯式加热的步骤依次为：在熔炼室内温度小于100℃时，感应功率为5kW，加热到200～300℃时，提高感应功率到10kW，加热至300～500℃时，提高感应功率到15kW，加热到500～700℃时，提高感应功率到20kW，加热到700～800℃时，提高感应功率到25kW，加热到800～1000℃时，提高感应功率到30kW，加热到1000～1200℃时，提高感应功率到35～40kW，加热到1200℃至合金钢锭开始熔化时，提高感应功率到45～50kW，使合金钢锭完全熔化，得50Cr6Ni2Y合金钢熔融液。

本发明中，上述激光增材制造用50Cr6Ni2Y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50Cr6Ni2Y母合金加工成与熔炼坩埚体积相匹配的圆柱形合金锭，在合金锭中心加工出直径30～40mm的通孔，用砂轮对合金锭表面打磨至光亮，酒精去除合金锭表面杂质和油污；

步骤2，雾化流场参数调整：

将熔炼坩埚放置在熔炼室的感应加热线圈内，将内孔直径为4～5mm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27～29mm，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，采用阶梯式加热方式，根据熔炼室内的实时温度，调节对应感应功率：在熔炼室内温度小于100℃时，感应功率为5kW，加热到200～300℃时，提高感应功率到10kW，加热至300～500℃时，提高感应功率到15kW，加热到500～700℃时，提高感应功率到20kW，加热到700～800℃时，提高感应功率到25kW，加热到800～1000℃时，提高感应功率到30kW，加热到1000～1200℃时，提高感应功率到35～40kW，加热到1200℃至合金钢锭开始熔化时，提高感应功率到45～50kW，使合金钢锭完全熔化成合金钢液；

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50Cr6Ni2Y合金钢液完全熔化后，再次打开机械泵，将熔炼过程中产生的废气抽离，待熔炼室气压低于20Pa后，迅速充入氩气使熔炼室气压保持在0.01MPa；

(2)调节感应功率为35～45kW，使合金钢液处于1550～1590℃下保温5～10min，进行进一步精炼；提高感应功率到45～50kW，使坩埚内合金钢液最终熔炼温度达到1645～1655℃；

(3)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，将熔融的50Cr6Ni2Y合金钢钢液通过导液管送入雾化室中，打开雾化气体总阀，使熔融的50Cr6Ni2Y合金钢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50Cr6Ni2Y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50Cr6Ni2Y合金钢粉末进行收集，粉末充分冷却后，采用80目拍击式振动筛将杂物及粉末粒径大于180μm的粉末进行筛分，放入真空手套箱中进行真空封装保存。

本发明中，按照成分配比冶炼加工得到50Cr6Ni2Y母合金，将其加工成圆柱形合金锭后放入熔炼坩埚中进行阶梯式加热，熔炼温度达到熔融合金液化并保持一定过热度时，快速提升氧化铝陶瓷杆，同时开启雾化压气阀，保证雾化气流汇集在导液管出口端尖，合金液滴通过导液管流入雾化室，在高压气体流作用下雾化成合金钢粉末，待其冷却后对合金粉末进行收集。

采用上述方法制备得到的本发明的激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末，粉末含氧量在0.05％以下，球形度超过99％，空心球率不超过1％，粒径分布集中在1～180μm之间，粉末收集率可达到98％以上，大幅降低粉末生产成本。该激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末，其颗粒状态为球形，松装密度为4.75～4.85g/cm³，流动性为17.5～18.5s/50g。合金钢粉末由α-Fe及少量的γ-Fe的固溶体和(Fe,Cr)₇C₃构成。

本发明的另一方面，还提供上述激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末的激光增材制造使用方法，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，以50Cr6Ni2Y合金钢粉末为送粉原料，通过激光增材制造3D打印，制备出沉积态的50Cr6Ni2Y合金钢材料，其特征在于，所述激光增材制造3D打印的工艺参数为：激光功率600W～700W，扫描速度5～7mm/s，送粉量5～7g/min，送粉气流量3L/min，搭接率30％～40％，Z轴提升量0.3～0.6mm，层间冷却时间1～3min，整个打印过程通入惰性气体保护。

本发明中，上述激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末的激光增材制造使用方法，其优选的使用方法，包括以下步骤：

步骤一，基板材料和粉末预处理

将Q235钢基板打磨、抛光、清洗后待用；将50Cr6Ni2Y合金钢粉末在80～100℃下烘干3～5h，装入送粉器中待用；

步骤二，激光增材制造成形

采用1000WYAG型同轴送粉光纤激光增材3D打印机，利用激光3D打印机配套的编程软件设置打印体的形状及打印路径，在Q235基板上，制备出50Cr6Ni2Y合金钢样品；其中，激光增材制造的工艺参数为：激光功率600W-700W，扫描速度5～7mm/s，送粉量5～7g/min，送粉气流量3L/min，搭接率30％～40％，Z轴提升量0.3～0.6mm，层间冷却时间1～3min，整个打印过程通惰性气体保护高温熔池。

本发明的有益效果：

(1)本发明研究设计了一种激光增材制造用新型高C、高Cr的50Cr6Ni2Y合金钢成分组成，采用真空感应熔炼气雾化法制备50Cr6Ni2Y合金钢粉末，能够满足激光增材制造关键金属耐磨零件表面工作层部分的制造。

(2)本发明制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末收得率在98％以上，其含氧量低于0.05％，球形度为99％，空心球率低于1％，松装密度为4.75～4.85g/cm³，流动性为17.5～18.5s/50g，粉末粒径为1～180μm，粒径分布窄，满足激光增材制造技术对于合金钢粉末的特征要求。

(3)本发明制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末同时具有良好的激光增材制造强韧性合金样品的特征，且无裂纹气孔缺陷，综合性能优异：成形样品硬度达到570HV_0.2～587HV_0.2，抗拉强度为1052MPa～1281MPa，屈服强度为505MPa～937Mpa，平均延伸率为2％～4％；磨损率为1.03×10^-4～3.77×10^-4mm³/(N·m)。为激光增材制造冶金轧机、核电应急凸轮轴、高铁制动盘等关键零件表面高硬度耐磨工作层的工业化应用提供了一种新材料及制备方法。

附图说明

图1为本发明中设计的五种成份下样品的显微硬度曲线；

图2为本发明50Cr6Ni2Y合金钢模拟质量分数-温度曲线；

图3为本发明50Cr6Ni2Y合金钢模拟动力学曲线，其中，(a)TTT曲线，(b)CCT曲线；

图4为本发明实施例的感应熔炼功率分段式升高示意图；

图5为本发明实施例50Cr6Ni2Y合金钢铸锭的XRD衍射图谱；

图6为本发明实施例1制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末SEM形貌图，其中图6(a)～6(d)的放大倍数分别为x200、x1000、x2000、x10000；

图7为本发明实施例1制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末的截面金相照片，其中图7(a)～7(b)分别为50μm以及20μm的比例尺下的金相照片；

图8为本发明实施例1制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末XRD图谱；

图9为本发明实施例1制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末粒度分布图；

图10为本发明实施例1制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末累积质量分布图；

图11为本发明实施例1采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品宏观照片，其中图11(a)～11(b)分别为不同放大倍数下的照片；

图12为本发明实施例1采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品的截面金相形貌图，其中图12(a)～12(b)分别为200μm以及20μm的比例尺下的金相形貌图；

图13为本发明实施例1采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品XRD图谱；

图14为本发明实施例1采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品的显微硬度曲线；

图15为本发明实施例1采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品的应力应变曲线；

图16为本发明实施例1采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品的拉伸断口形貌图，其中图16(a)～16(b)分别为100μm以及20μm的比例尺下的形貌图；

图17为本发明实施例1采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品的磨痕三维形貌；

图18为本发明实施例2制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末表面SEM形貌图；

图19为本发明实施例2制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末的截面金相照片，其中图19(a)～19(b)分别为100μm以及50μm的比例尺下的金相照片；

图20为本发明实施例2制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末XRD图谱；

图21为本发明实施例2制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末累积质量分布图；

图22为本发明实施例2采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品截面金相形貌图，其中图22(a)～22(b)分别为200μm以及20μm的比例尺下的金相形貌图；

图23为本发明实施例2采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品截面SEM照片；

图24为本发明实施例2采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品XRD图谱；

图25为本发明实施例2采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品的显微硬度曲线；

图26为本发明实施例2采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品的应力应变曲线；

图27为本发明实施例2采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品拉伸断口形貌图，其中图27(a)～27(b)分别为500μm以及100μm的比例尺下的形貌图；

图28为本发明实施例3制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末表面SEM形貌图，其中图28(a)～28(b)的放大倍数分别为x200、x1000；

图29为本发明实施例3制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末的截面金相照片，其中图29(a)～29(b)分别为50μm以及20μm的比例尺下的金相照片

图30为本发明实施例3制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末累积质量分布图；

图31为本发明实施例3采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品不同倍数下的截面形貌，图31(a)为金相照片，比例尺为20μm，图31(b)为SEM照片，比例尺为1μm；

图32为本发明实施例3采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品的显微硬度曲线；

图33为本发明实施例3采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品的应力应变曲线；

图34为本发明实施例3采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品的拉伸断口形貌；

图35为本发明实施例3采用激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品的磨痕三维形貌。

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。

下面实施例使用的激光增材制造用打印机以及性能检测设备：

打印机采用最大功率可达1kW的YAG1000W激光增材3D打印机进行50Cr6Ni2Y合金钢成形材料的制备；

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50Cr6Ni2Y合金钢铸锭、粉末及成形材料的化学成分和氧含量；

采用HYL-102型霍尔流速计测量50Cr6Ni2Y合金钢粉末的松装密度和流动性；

采用OLYMPUS-GX71型倒置式光学显微镜(OM)观察粉末空心球率和成形样品金相组织；

采用Shimadzu-SSX-550扫描电子显微镜(SEM)观察粉末表面形貌、元素EDS分析以及成形样品的微观组织；

采用日本SmartLab-9000型X射线衍射仪(XRD)进行粉末及成形样品的物相分析；

采用INSTRON-5969电子万能材料试验机对打印成形样品进行拉伸性能测试；

由美国NANOVEA公司生产的摩擦磨损试验机(Nanovea TRB)上用Si3N4陶瓷球(直径3mm)进行往复式摩擦磨损实验。实验参数：加载载荷10N，磨损时间1h，频率150次/min。

下述实施例使用的50Cr6Ni2Y合金钢母合金，按照质量百分含量其化学成分为，C：0.5％，Cr：5.8％，Si：0.5％，Ni：1.8％，Mn：0.5％，Y：0.5％，余量为Fe。采用真空感应超纯净熔炼技术(VIM)制备成圆柱形合金钢钢锭，采用常规工艺参数设定即可制备得到，合金钢钢锭的含氧量控制在0.01％以下，其它合金元素分布均匀，无明显偏析，可适用于本发明，图5为50Cr6Ni2Y母合金铸锭XRD，主要由α-Fe固溶体及M₇C₃组成。

本发明的用于激光增材制造的50Cr6Ni2Y合金粉末，按照质量百分比由以下成分组成：C：0.45～0.55％，Cr：5.8～6.1％，Si：0.5～0.6％，Ni：1.8～2.0％，Mn：0.45～0.55％，Y：0.45～0.5％，N：≤0.01％，H：≤0.01％，O：≤0.05％，余量为Fe。

上述本发明的用于激光增材制造的50Cr6Ni2Y合金粉末的设计方法：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，通过合金中元素成分组成优化，形成具有在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。在Cr-Ni系合金钢成分体系中，以提高合金硬度达到500HV以上为目标，通过合金元素成分的模拟计算，来设计新型合金粉末成分组成。C元素和Cr元素是合金钢中较为核心的两个元素，其含量决定了材料的硬度。其中，Cr元素作为碳化物形成元素，其中一部分Cr元素以原子状态进入固溶体中，起到固溶强化作用，另一部分形成置换式合金碳化物，能够显著提高合金钢的强度、硬度和耐磨性。

同时增加C元素和Cr元素的含量，经过对于不同C和Cr元素配比下的合金钢成分进行对比优化，表1为添加C和Cr元素设计的五种合金粉末的组成成分，以样品成形性及硬度值为指标对其成分进行优化。

表1.设计五种合金粉末的成分组成wt.％

图1为设计的五种成份下样品的显微硬度曲线，根据平均硬度值选取最优合金成分为C：0.45～0.55％，Cr：5.8～6.1％，Si：0.5～0.6％，Ni：1.8～2.0％，Mn：0.45～0.55％，余量为Fe。对于优化出的合金成分，添加适当的Y元素形成多颗粒增强，提高了材料的强韧性，减少了裂纹倾向。对于其余元素以及添加量进行调整，最终获得一种适用于激光增材制造用高性能50Cr6Ni2Y合金钢粉末成分配方为：C：0.45～0.55％，Cr：5.8～6.1％，Si：0.5～0.6％，Ni：1.8～2.0％，Mn：0.45～0.55％，Y：0.45～0.5％，N：0.002～0.009％，H：0.003～0.01％，O：0.015～0.050％，余量为Fe。图2为50Cr6Ni2Y合金钢模拟质量分数-温度曲线，图3为50Cr6Ni2Y合金钢模拟动力学曲线。

实施例1

一种用于激光增材制造的50Cr6Ni2Y合金钢粉末的制备方法，具体为：采用气雾化感应熔炼炉将50Cr6Ni2Y合金钢钢锭熔炼为钢液后，高压氩气雾化为合金钢粉末材料，具体制备方法包含步骤如下：

步骤1，原材料预处理：

将50Cr6Ni2Y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，用砂轮或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，雾化工艺参数调整：

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28mm，然后将50Cr6Ni2Y合金钢锭置于熔炼坩埚中，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；

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。

步骤3，熔炼温度测量：

雾化工艺参数调整完成后，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内径为16mm、长为500mm且下端为封闭圆形端，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，抽真空及充入保护气：

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以下时，停止抽真空，并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，采用阶梯式加热方式，根据熔炼室内的实时温度，调节对应感应功率：在熔炼室内温度小于100℃时，感应功率为5kW；加热到200℃时，提高感应功率到10kW；加热至300℃时，提高感应功率到15kW；加热到500℃时，提高感应功率到20kW；加热到700℃时，提高感应功率到25kW；加热到800℃时，提高感应功率到30KW；加热到1000℃时，提高感应功率到35kW；加热到1200℃至合金钢锭开始熔化时，提高感应功率到50kW；使合金钢锭完全熔化成合金钢液。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。调节感应功率为38kW；使合金钢液处于1550℃下保温10min，进行进一步精炼；提高感应功率到50kW，使坩埚内合金钢液最终熔炼温度达到1655℃，图4为感应熔炼功率分段式升高示意图。

在步骤5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6，粉末气雾化：

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端锥形尖端，同时快速提升陶瓷杆，使50Cr6Ni2Y合金钢液经导液管上入口流入雾化室，合金钢液流经高速低温的氩气冲击破碎，快速冷却后凝固成球形粉末颗粒，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50Cr6Ni2Y合金钢粉末进行收集，待粉末充分冷却后，采用80目的拍击式振动筛将其他杂物筛分出来，然后将筛分后粒径小于180μm的50Cr6Ni2Y合金钢粉末放入真空手套箱中进行真空封装保存，得50Cr6Ni2Y合金钢粉末；

采用上述方法制备得到的50Cr6Ni2Y合金钢粉末通过激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品，样品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去污，使其表面光亮洁净，冲干净后吹干备用；

将粉末粒径1～180μm的50Cr6Ni2Y合金钢粉末在80℃下烘干3h，装入送粉器中待用；

步骤二，激光增材制造过程

利用最大功率1kW光纤激光3D打印机进行成形，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50Cr6Ni2Y合金钢样品；其中，激光增材制造的工艺参数为：激光功率600W，扫描速度5mm/s，送粉量6g/min，送粉气流量3L/min，搭接率40％，Z轴提升量0.4mm，层间冷却时间1min，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50Cr6Ni2Y合金钢合金粉末及激光快速沉积态样品，进行如下分析测试：

(1)化学成分、含氧量分析

依据国家标准GB/T14265-1993，测量了本实施例制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末成分，按照质量百分含量其化学成分含量为，C：0.509％，Cr：6.07％，Si：0.515％，Ni：1.95％，Mn：0.551％，Y：0.465％，O：0.038％，余量为Fe，其化学成分合格。

(2)球形度和表面形貌

对本实施例制得的50Cr6Ni2Y合金钢粉末的表面和显微形貌进行观测，如图6所示，该1～180μm的粉末球形度好，粒度分布均匀，表面较为光洁，卫星球、破碎球等缺陷较少。在粉末表面存在白色颗粒物质，经EDS检测结果为碳化物，如表2所示。

表2. 50Cr6Ni2Y合金钢粉末EDS结果(at.％)

(3)空心球率分析

图7为粒径1～180μm的50Cr6Ni2Y合金钢粉末的截面金相照片，因为制粉过程中50Cr6Ni2Y合金钢液滴在受高压氩气冲击时，气体对粉末的冲击功转变为合金钢液滴的形核能，因此粉末的凝固速度较快，部分气体冲击进入液滴后动能较低而未能逸出球化的合金钢液滴中，这使得粉末形成较多闭合性空心球，在激光增材制造过程中，这种空心球的存在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样品的性能。通过图7可以看出粒径范围为1～180μm的50Cr6Ni2Y合金钢粉末的空心球率不超过1％。

(4)XRD物相分析

对本实施例制备的激光增材制造用球型50Cr6Ni2Y合金钢粉末进行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，粉末的物相为α-Fe固溶体相、γ-Fe的固溶体相及少量的M₇C₃型碳化物，证实粉末表面的碳化物为M₇C₃型碳化物。

(5)粉末粒径分布测试

对本实施例制得的50Cr6Ni2Y合金钢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，如图9所示，另外采用激光粒度分析仪检测50Cr6Ni2Y合金钢粉末独立粒径分布图与累积质量分布图。图10中可看出，粉末粒径分布较为集中，可满足绝大部分激光增材制造技术对合金钢粉末粒径的要求。

(6)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50Cr6Ni2Y合金钢粉末，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4.806g/cm³。

表3.粉末松装密度测量结果

对于激光增材制造技术而言，无论是对铺粉成形还是送粉打印的制造方式，粉末的流动性是保证激光3D成形过程中粉末输送连续性及均匀性的重要指标。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1～180μm激光增材制造用球型50Cr6Ni2Y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18.19s/50g。

表4.粉末流动性测量结果

(7)激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品及金相组织

图11为激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品宏观照片，沉积样品成形性好，无裂纹缺陷。图12为激光增材制造50Cr6Ni2Y合金钢样品的金相显微组织形貌，因50Cr6Ni2Y合金钢粉末空心球率低，所以在显微组织中没有气孔缺陷；而且细小的晶粒结构对提高组织的强韧性有很大帮助。50Cr6Ni2Y合金钢样品主要由柱状晶及等轴晶组成，内部为粒状贝氏体和23％下贝氏体组织。

(8)激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品物相分析

图13为激光增材制造50Cr6Ni2Y合金钢样品的X射线衍射图谱，50Cr6Ni2Y合金钢样品主要由α-Fe固溶体相、γ-Fe的固溶体相及少量的M₃C₂型碳化物构成。M₃C₂型碳化物在组织中起到了弥散强化的重要作用。激光增材制造技术具有冷却速率快的特点，经过后续的热循环以及热累积效应，熔池不同位置温度场存在差异，因此过冷奥氏体会部分转变为粒状贝氏体，局部向下贝氏体转变。

(9)激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品显微硬度

图14为激光增材制造50Cr6Ni2Y合金钢样品的显微硬度分布曲线，曲线较为平稳起伏波动小，也说明了激光增材制造50Cr6Ni2Y合金钢样品较为致密，无明显缺陷，其平均显微硬度达到570HV。

(10)激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品室温拉伸曲线和断口形貌

图15为本实施例50Cr6Ni2Y合金钢样品的室温拉伸曲线，激光增材制造出50Cr6Ni2Y合金钢样品抗拉强度为1281MPa，屈服强度为920MPa，平均延伸率2％。图16为其对应的拉伸断口形貌，可以看到明显的韧窝及撕裂棱，说明其拉伸断裂方式以韧性断裂为主。

(11)激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品摩擦磨损性能

图17为激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品经往复磨损后的磨痕三维形貌，经计算其磨损率为3.77x10^-4mm³/(N·m)。样品的高硬度使其表现出了较好的耐磨性。

实施例2

一种激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末，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50Cr6Ni2Y合金钢粉末，其制备方法如下：

(1)按照实施例1中步骤1～5中所述的方法进行操作，其中，感应熔炼过程为：熔炼室内温度小于100℃时，感应功率为5kW；加热到263℃时，提高感应功率到10kW；加热至387℃时，提高感应功率到15kW；加热到535℃时，提高感应功率到20KW；加热到764℃时，提高感应功率到25kW；加热到886℃时，提高感应功率到30kW；加热到1000℃时，提高感应功率到38KW；加热到1200℃以上至合金钢锭开始熔化时，提高感应功率到48kW；使合金钢锭完全熔化成合金钢液。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。调节感应功率为45kW；使合金钢液处于1580℃下保温5min，进行进一步精炼；提高感应功率到48kW，使其最终熔炼温度达到1645℃。

(2)粉末气雾化：控制雾化气体总阀压力为11MPa，采用与实施例1相同步骤进行合金钢粉末的气雾化制备及收集。

采用上述方法制备得到的50Cr6Ni2Y合金钢粉末通过激光增材制造制备的50Cr6Ni2Y合金钢样品，样品制备方法如下：

按照实施例1中步骤一及步骤二所述方法进行操作。其中，激光增材制造的工艺参数为：激光功率700W，扫描速度6mm/s，送粉量5g/min，送粉气流量3L/min，搭接率30％，Z轴提升量0.6mm，层间冷却时间3min。

(1)化学成分、含氧量分析

用X射线荧光光谱仪定量分析方法与TCH-600氮、氧、氢分析仪测量本实施例制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末成分，按照质量百分含量其化学成分含量为，C：0.497％，Cr：5.84％，Si：0.505％，Ni：1.95％，Mn：0.55％，Y：0.513％，O：0.032％，余量为Fe，化学成分合格。

(2)球形度和表面形貌

对本实施例制得的50Cr6Ni2Y合金钢粉末的表面和显微形貌进行观测，如图18所示，该1～180μm的粉末球形度好，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枝晶及白色颗粒状碳化物。

(3)空心球率分析

图19为粒径1～180μm的50Cr6Ni2Y合金钢粉末的截面金相照片，仅存在少数空心球及缺陷球，经统计计算，粒径范围为1～180μm的50Cr6Ni2Y合金钢粉末的空心球率不超过1％，粉末截面存在大量尺寸细小的枝晶。

(4)XRD物相分析

对本实施例制备的激光增材制造用球型50Cr6Ni2Y合金钢粉末进行X射线衍射，所得X射线衍射图如图20所示。从图20可以看出，粉末的物相主要是为α-Fe固溶体相、γ-Fe的固溶体相及少量的M₇C₃型碳化物。

(5)粉末粒径分布测试

对本实施例制得的50Cr6Ni2Y合金钢粉末进行分级测量，图21为采用激光粒度分析仪检测50Cr6Ni2Y合金钢粉末独立粒径分布图与累积质量分布图。图中可看出，粉末粒径分布较为集中，可满足绝大部分激光增材制造技术对合金钢粉末粒径的要求。对比实施例1，本实施例得到的50Cr6Ni2Y合金钢粉末粒径更为细小一些，这是因为实施例1中雾化气压为10MPa，本实施例采用了11MPa的雾化气压。

(6)松装密度和流动性检测

采用HYL-102型霍尔流速计，测量本实施例制备的激光增材制造用球型50Cr6Ni2Y合金钢粉末的松装密度，测量5次结果如表5所示，粉末松装密度所得5次平均值为4.812g/cm³。

表5.粉末松装密度测量结果

本实施例制备的粒度为1～180μm激光增材制造用球型50Cr6Ni2Y合金粉末的流动性进行测量，测量5次的结果如表6所示，粉末流动性所得5次测量结果平均值为18.53s/50g，与实施例1相比，本实施例获得的粉末粒径较小，粉末越细越容易团聚，从而其流动性将较差。

表6.粉末流动性测量结果

(7)激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品金相组织

图22为激光增材制造50Cr6Ni2Y合金钢样品的金相显微组织形貌，样品成型性较好，未发现明显裂纹气孔等缺陷。50Cr6Ni2Y合金钢样品组织较为致密，主要由柱状晶及等轴晶组成，晶粒尺寸细小，有利于材料强度的提升，这与50Cr6Ni2Y合金钢粉末的优良特征密切相关。

(8)激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品SEM微观组织

图23为激光增材制造50Cr6Ni2Y合金钢样品的SEM形貌，主要由粒状贝氏体及13％的针状的下贝氏体组成，与金相观察结果一致。

(9)激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品物相分析

图24为激光增材制造50Cr6Ni2Y合金钢样品的X射线衍射图谱，50Cr6Ni2Y合金钢样品主要由α-Fe固溶体相、M₂₃C₆型碳化物及M₇C₃型碳化物构成。

(10)激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品显微硬度

图25为激光增材制造50Cr6Ni2Y合金钢样品的显微硬度分布曲线，其平均显微硬度达到578HV。这与样品细密且无明显缺陷的组织有关。

(11)激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品室温拉伸曲线和断口形貌

图26为本实施例50Cr6Ni2Y合金钢样品的室温拉伸曲线，激光增材制造出50Cr6Ni2Y合金钢样品抗拉强度为1052MPa，屈服强度为505MPa，平均延伸率4％。图27为其对应的拉伸断口形貌，相较于实施例1，该样品含有较少的下贝氏体，且其中存在的M₂₃C₆及M₇C₃在断裂时作为裂纹源最先开始发生断裂，因此其抗拉性能较低于实施例1。

实施例3

一种激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末，其制备方法如下：

(1)按照实施例1中步骤1～5中所述的方法进行操作，其中，感应熔炼过程为：熔炼室内温度小于100℃时，感应功率为5kW；加热到300℃时，提高感应功率到10kW；加热至500℃时，提高感应功率到15kW；加热到700℃时，提高感应功率到20kW；加热到800℃时，提高感应功率到25kW；加热到1000℃时，提高感应功率到30kW；加热到1200℃时，提高感应功率到40kW；加热到1200℃以上至合金钢锭开始熔化时，提高感应功率到45kW；使合金钢锭完全熔化成合金钢液。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。调节感应功率为35kW；使合金钢液处于1590℃下保温10min，进行进一步精炼；提高感应功率到45kW，使其最终熔炼温度达到1650℃。

(2)粉末气雾化：控制雾化气体总阀压力为12MPa，采用与实施例1相同步骤进行合金钢粉末的气雾化制备及收集。

按照实施例1中步骤一及步骤二所述方法进行操作。其中，激光增材制造的工艺参数为：激光功率600W，扫描速度7mm/s，送粉量7g/min，送粉气流量3L/min，搭接率35％，Z轴提升量0.3mm，层间冷却时间3min。

(1)化学成分、含氧量分析

对本实施例制备的50Cr6Ni2Y合金钢粉末成分进行测定，按照质量百分含量其化学成分含量为，C：0.474％，Cr：5.95％，Si：0.566％，Ni：1.83％，Mn：0.531％，Y：0.488％，O：0.035％，余量为Fe，测定化学成分结果合格。

(2)球形度和表面形貌

对本实施例制得的50Cr6Ni2Y合金钢粉末的表面和显微形貌进行观测，如图28所示，该50Cr6Ni2Y合金钢粉末球形度为99％，不同粒径粉末分布均匀，且粉末颗粒表面光洁，卫星球、破碎球等缺陷较少。

(3)空心球率分析

图29为气雾化制备50Cr6Ni2Y合金钢粉末的截面金相照片，粉末颗粒形状规则饱满，仅存在较少数空心球及缺陷球，其空心球率不超过1％。

(4)粉末粒径分布测试

对实施例3制得的50Cr6Ni2Y合金钢粉末粒径进行测量，图30为50Cr6Ni2Y合金钢粉末独立粒径分布图与累积质量分布图。粉末粒径分布较为集中，可满足绝大部分激光增材制造技术对合金钢粉末粒径的要求。

(5)松装密度和流动性检测

本实施例制备的激光增材制造用球型50Cr6Ni2Y合金钢粉末松装密度的测量结果如表7所示，取5次测量结果的平均值，粉末松装密度为4.821g/cm³。本实施例制备50Cr6Ni2Y合金钢粉末的流动性较好，取5次测量结果的平均值，流动性为18.66s/50g。

表7.粉末松装密度测量结果

表8.粉末流动性测量结果

(6)激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品金相组织

图31为激光增材制造50Cr6Ni2Y合金钢样品的金相显微组织照片及SEM照片。从图31(a)中可看出，50Cr6Ni2Y合金钢样品组织较为致密，主要由柱状晶及等轴晶组成。跟据图31(b)可看到50Cr6Ni2Y合金钢样品组织中包含板条状的贝氏体铁素体以及尺寸细小的富碳的岛状组织，这是粒状贝氏体的典型形貌。此外，存在27％下贝氏体组织，呈现黑色针状的形貌特点，这种组织具有较高的强度。

(7)激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品显微硬度

图32为激光增材制造50Cr6Ni2Y合金钢样品的显微硬度分布曲线，其平均显微硬度达到587HV。由于样品细密且无明显缺陷，且含有较多的下贝氏体组织，使本实施例样品的显微硬度较高与实施例1和实施例2。

(8)激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品室温拉伸曲线和断口形貌

图33为本实施例50Cr6Ni2Y合金钢样品的室温拉伸曲线，激光增材制造出50Cr6Ni2Y合金钢样品抗拉强度为1062MPa，屈服强度为937MPa，平均延伸率2.5％。图34为其对应的拉伸断口形貌，可以看到明显的撕裂棱及大量较浅的韧窝。样品中较硬的下贝氏体及碳化物抗变形能力较差，在断裂时作为缺陷处造发生断裂。

(9)激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品摩擦磨损性能

图35为激光增材制造制备50Cr6Ni2Y合金钢样品经往复磨损后的磨痕三维形貌，经计算其磨损率为1.03×10^-4mm³/(N·m)。与实施例1相比。样品具有较高的硬度使其表现出了较好的耐磨性。

Claims

1.一种激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末，按照质量百分含量由以下成分组成：C：0.45～0.55％，Cr：5.8～6.1％，Si：0.5～0.6％，Ni：1.8～2.0％，Mn：0.45～0.55％，Y：0.45～0.5％，N：≤0.01％，H：≤0.01％，O：≤0.05％，余量为Fe；

所述的50Cr6Ni2Y合金钢粉末为球形，球形度为99％，空心球率不超过1％，粉末氧含量在0.05％以下，粒径分布为1～180μm，松装密度为4.75～4.85g/cm³，流动性为17.5～18.5s/50g。

2.权利要求1所述的激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末的制备方法，其特征在于，采用坩埚真空感应熔炼气雾化方法制备得到，包括将50Cr6Ni2Y合金钢熔融液于1550～1590℃下保温5～10min，在最终熔炼温度达到1645～1655℃时，在雾化气压10～12MPa下进行雾化的步骤。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，还包括：

按照成分配比冶炼加工得到50Cr6Ni2Y母合金，加工成圆柱形合金锭后放入熔炼室中进行阶梯式加热，得50Cr6Ni2Y合金钢熔融液的步骤，其中所述阶梯式加热的步骤依次为：在熔炼室内温度小于100℃时，感应功率为5kW，加热到200～300℃时，提高感应功率到10kW，加热至300～500℃时，提高感应功率到15kW，加热到500～700℃时，提高感应功率到20kW，加热到700～800℃时，提高感应功率到25kW，加热到800～1000℃时，提高感应功率到30kW，加热到1000～1200℃时，提高感应功率到35～40kW，加热到1200℃至合金钢锭开始熔化时，提高感应功率到45～50kW，使合金钢锭完全熔化，得50Cr6Ni2Y合金钢熔融液。

4.权利要求1所述的激光增材制造用50Cr6Ni2Y合金钢粉末的激光增材制造使用方法，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，以50Cr6Ni2Y合金钢粉末为送粉原料，通过激光增材制造3D打印，制备出沉积态的50Cr6Ni2Y合金钢材料，其特征在于，所述激光增材制造3D打印的工艺参数为：激光功率600W～700W，扫描速度5～7mm/s，送粉量5～7g/min，送粉气流量3L/min，搭接率30％～40％，Z轴提升量0.3～0.6mm，层间冷却时间1～3min，整个打印过程通入惰性气体保护。

5.采用权利要求4所述的使用方法制造得到的50Cr6Ni2Y合金钢材料，其特征在于，所述的50Cr6Ni2Y合金钢材料的显微硬度为570HV_0.2～587HV_0.2，抗拉强度为1052MPa～1281MPa，屈服强度为505MPa～937MPa，平均延伸率为2％～4％，磨损率为1.03×10^-4～3.77×10^-4mm³/(N·m)。