CN110684924A - 一种电熔增材制造x100钢级三通管件材料及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料及使用方法,本发明的材料采用低碳和低锰的成分设计,通过合理的锰硅比规定,利用Cr,Mo元素的共同强化作用和电熔增材制造的超高冷却速度达到X100钢级的强度要求,材料的钢级达到X100钢级的同时,冲击韧性也满足标准对三通管体的要求。本发明的材料严格控制碳元素的含量,有效降低了材料的碳当量和冷裂纹敏感性。

Description

一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料及使用方法
技术领域
本发明属于高强度三通管件制造领域,具体涉及一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料及使用方法。
背景技术
金属增材制造技术(3D打印成形技术)是上世纪80年代后期发展的一项崭新技术,其以增材制造为思想,综合数控、计算机、机械工程及材料科学等技术于一体,是实现三维原件成形的先进技术。金属增材制造的材料主要分为粉材和丝材两种,主要为钛合金、铝合金、不锈钢、高温合金和镁合金等五种金属。
三通管件(Tee)是油气输送管道工程中重要而且用量较大的配件。它在管道建设中用来改变管道方向、改变管径大小、进行管道分支、实现特殊连接等作用。近年来油气管道建设已进入了发展的高峰期,随着管道业的发展,三通管件也趋于高强度、大口径、厚壁、高性能的发展方向。
现有三通制造采用热挤压法进行,热挤压三通由于没有焊缝,表面光洁度好、外形变化平缓、壁厚分布无突变、整体强度好等优点成为现今我国制造高强度、大口径油气输送管道三通管件的主要技术。但是在生产工艺方面,由于受锻造毛坯尺寸、压力机承载能力和加工成本的限制,在高压、大口径输送管道方面,当前国内三通的强度、设计壁厚已大大超出了目前国内三通管件热挤压生产工艺和设备的承载能力。因此,需要一种新的三通管件材料来满足的三通管件对承载能力的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足,提供一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料及使用方法,使打印后材料的钢级达到X100钢级,同时冲击韧性满足标准对三通管体的要求。
为了达到上述目的,一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料,以质量百分比计,包括如下配比:
C:0.06%~0.10%;Mn:0.70%~1.0%;Si:0.20%~0.40%;Cr:1.5%~2.5%;Mo:0.5%~1.0%;Ni:0.05%~0.10%;Nb:0.004%~0.007%;Cu:0.02%~0.05%;Ti:0.01%~0.016%;B:≤0.005%,P≤0.010%;S≤0.005%;其余为Fe。
锰、硅的质量比为(3:1)~(4:1)。
一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料的使用方法,采用电熔增材制造法制造X100钢级三通管件。
电熔增材制造法的具体方法包括:
步骤一,根据所需配比将材料C、Mn、Si、Cr、Mo、Ni、Nb、Cu、Ti、B、P、S和Fe混合后作为原丝加入到三坐标数字化电熔打印设备中,再加入辅剂;
步骤二,三坐标数字化电熔打印设备将原丝和辅剂的混合料送入电熔头中;
步骤三,将基体固定在打印平台上,并根据三通管件的尺寸选择对应的电熔头数量和间距;
步骤四,计算机根据所需三通管件的图纸将轨迹坐标数据解析为机械运动控制程序,并分别控制打印平台带动主管旋转以及电熔头运动,在基体上完成三通管件的打印。
辅剂采用10~60目颗粒状氧化物与卤化物。
计算机连接远红外测温仪和冷却装置,通过远红外测温仪检测打印平台的温度,通过冷却装置控制打印平台的温度。
与现有技术相比,本发明的材料采用低碳和低锰的成分设计,通过合理的锰硅比规定,利用Cr,Mo元素的共同强化作用和电熔增材制造的超高冷却速度达到X100钢级的强度要求,材料的钢级达到X100钢级的同时,冲击韧性也满足标准对三通管体的要求。本发明的材料严格控制碳元素的含量,有效降低了材料的碳当量和冷裂纹敏感性,锰元素的含量控制在0.70%~1.0%之间,硅含量为0.20%~0.40%之间,促进针状铁素体的形成;采用铬、钼元素通过微合金元素固溶强化,在提高材料强度的同时,促进针状铁素体的行程;使用本材料制造后的三通管件抗拉强度达到820~990MPa,屈服强度达到700~820MPa,维氏硬度值≥260HV10,焊缝在-45℃下,夏比冲击韧性值≥60J。
本发明的使用方法采用采用低碳和低锰的成分设计,利用Cr,Mo元素的共同强化作用和电熔增材制造的超高冷却速度达到X100钢级的强度要求,打印后材料的钢级达到X100钢级,同时冲击韧性满足标准对三通管体的要求。
附图说明
图1为本发明中所采用的电熔增材制造设备的示意图;
图2为本发明实施例中序号1增材制造后的材料金相图;
图3为本发明实施例中序号2增材制造后的材料金相图;
图4为本发明实施例中序号3增材制造后的材料金相图;
其中,1、三坐标数字化电熔打印设备;2、电熔头;3、打印平台;4、红外测温仪;5、冷却装置;8、计算机;9、电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料,以质量百分比计,包括如下配比:
C:0.06%~0.10%;Mn:0.70%~1.0%;Si:0.20%~0.40%;Cr:1.5%~2.5%;Mo:0.5%~1.0%;Ni:0.05%~0.10%;Nb:0.004%~0.007%;Cu:0.02%~0.05%;Ti:0.01%~0.016%;B:≤0.005%,P≤0.010%;S≤0.005%;其余为Fe。
各元素所起作用与优势效果如下:
C:碳元素对强度和韧性具有较大的影响。C是最重要的强化组元。但是当C含量较高时,增材制造的冷却过程中铁素体和珠光体转变温度升高,同时珠光体比例也随之增加。为了避免铁素体和珠光体的形成,本发明中含C量控制在较低的水平,为0.06%~0.10%。
Mn、Si:锰、硅元素是强化的有效元素。但是过高的Si会引起催化,本发明中,为了提高锰、硅的脱氧作用,并促使形成细小的针状铁素体,规定锰、硅比为(3:1)~(4:1)。锰元素的含量控制在0.70%~1.0%之间,硅含量为0.20%~0.40%之间。
Cr:铬元素为固溶强化元素,以有效提高材料的强度,本发明中含Cr量控制在1.5%~2.5%之间。
Mo:钼元素为固溶强化元素,其主要作用是促进焊缝凝固过中针状铁素体的形成。本发明中含Mo量控制在0.5%~1.0%之间。
Ni:镍元素通过晶粒细化和固溶强化提高金属的强度,通过降低脆性转变温度提高金属的韧性尤其是低温冲击韧性。本发明中含Ni量控制在0.05%~0.10%以下。
P:磷是主要有害元素。磷含量降低到0.015%甚至0.010%将使中心偏析程度降低到最低。本发明中含P量控制在0.01%以下。
S:硫是主要有害元素。本发明中含S量控制在0.005%以下。
实施例1:
一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料,以质量百分比计,包括如下配比:
C:0.06%;Mn:0.70%;Si:0.20%;Cr:1.5%;Mo:0.5%;Ni:0.05%;Nb:0.004%;Cu:0.02%;Ti:0.01%;B:≤0.005%,P≤0.010%;S≤0.005%;其余为Fe。
实施例2:
一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料,以质量百分比计,包括如下配比:
C:0.10%;Mn:1.0%;Si:0.40%;Cr:2.5%;Mo:1.0%;Ni:0.10%;Nb:0.007%;Cu:0.05%;Ti:0.016%;B:≤0.005%,P≤0.010%;S≤0.005%;其余为Fe。
实施例3:
一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料,以质量百分比计,包括如下配比:
C:0.08%;Mn:0.85%;Si:0.30%;Cr:2%;Mo:0.75%;Ni:0.075%;Nb:0.0055%;Cu:0.035%;Ti:0.013%;B:≤0.005%,P≤0.010%;S≤0.005%;其余为Fe。
一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料的使用方法,采用电熔增材制造技术。
实施例4:
电熔增材制造技术的具体方法包括:
步骤一,以质量百分比计,称取C:0.06%~0.10%;Mn:0.70%~1.0%;Si:0.20%~0.40%;Cr:1.5%~2.5%;Mo:0.5%~1.0%;Ni:0.05%~0.10%;Nb:0.004%~0.007%;Cu:0.02%~0.05%;Ti:0.01%~0.016%;B:≤0.005%,P≤0.010%;S≤0.005%;其余为Fe;
步骤二,将材料C、Mn、Si、Cr、Mo、Ni、Nb、Cu、Ti、B、P、S和Fe混合后作为原丝加入到三坐标数字化电熔打印设备1中,再加入10~60目颗粒状氧化物与卤化物作为辅剂;
步骤三,三坐标数字化电熔打印设备1将原丝和辅剂的混合料送入电熔头2中;
步骤四,将基体固定在打印平台3上,并根据三通管件的尺寸选择对应的电熔头2数量和间距;
步骤五,计算机8根据所需三通管件的图纸将轨迹坐标数据解析为机械运动控制程序,并分别控制打印平台3带动主管旋转以及电熔头2运动,计算机8连接远红外测温仪4和冷却装置5,通过远红外测温仪4检测打印平台3的温度,通过冷却装置5控制打印平台3的温度,在基体上完成三通管件的打印。
根据本发明化学成分范围,采用同化学成分体系的原丝,经电熔增材制造后,所制成材料的化学成分和冷裂纹敏感指数Pcm值如表1所示,序号1制成材料的金相图如图2所示,序号2制成材料的金相图如图3所示,序号3制成材料的金相图如图4所示。
表1电熔增材制造材料化学成分
序号 C Si Mn P S Cr Mo Ni P<sub>cm</sub>
1 0.081 0.25 0.88 0.0073 0.0040 2.27 1.0 0.069 0.329
2 0.10 0.27 0.98 0.011 0.0050 1.68 0.72 0.053 0.315
3 0.09 0.26 0.89 0.0087 0.0046 2.20 0.95 0.067 0.331
增材制造后材料的拉伸性能如表2所示。冲击试验和的结果如表3所示。
表2增材制造材料拉伸性能
表3增材制造材料性能
本申请采用低碳的成分设计,控制C元素的含量,进而降低贝氏体的转变温度,避免铁素体和珠光体的形成。但是按照传统材料强化理论分析,C元素含量过低,对材料的强度影响较大,但是在本申请中,结合电熔增材制造技术,有效避免了强度问题,因此本发明中碳元素的含量控制在C:0.06%~0.10%之间,具有低碳的特点。
锰、硅元素是材料强化的有效元素,为了保证材料有足够的强韧性,锰、硅的质量比为(4:1)~(3:1),在该范围内,结晶过程中,可促使形成细小的针状铁素体,提高材料的强度和韧性。因此本发明中锰元素的含量控制在Mn:0.70%~1.0%,Si:0.20%~0.40%。
铬元素和钼元素不仅仅是低碳微合金钢的固溶强化元素,本发明主要利用两种微合金元素在实现低温贝氏体转变的同时,在晶粒内得到细针状的铁素体组织,进而实现材料的高强度,高韧性的特点。因此本发明中铬元素和钼元素的含量分别控制在Cr:1.5%~2.5%;Mo:0.5%~1.0%。
本发明采用低碳和低锰的成分设计,通过合理的锰硅比规定,利用Cr,Mo元素的共同强化作用和电熔增材制造的超高冷却速度达到X100钢级的强度要求,电熔增材制造后的材料抗拉强度达到820~990MPa,屈服强度达到700~820MPa,维氏硬度值≥260HV10,-45℃下夏比冲击韧性值≥60J。

Claims (6)

1.一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料,其特征在于,以质量百分比计,包括如下配比:
C:0.06%~0.10%;Mn:0.70%~1.0%;Si:0.20%~0.40%;Cr:1.5%~2.5%;Mo:0.5%~1.0%;Ni:0.05%~0.10%;Nb:0.004%~0.007%;Cu:0.02%~0.05%;Ti:0.01%~0.016%;B:≤0.005%,P≤0.010%;S≤0.005%;其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料,其特征在于,锰、硅的质量比为(3:1)~(4:1)。
3.权利要求1所述的一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料的使用方法,其特征在于,采用电熔增材制造法制造X100钢级三通管件。
4.根据权利要求3所述的一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料的使用方法,其特征在于,电熔增材制造法的具体方法包括:
步骤一,根据所需配比将材料C、Mn、Si、Cr、Mo、Ni、Nb、Cu、Ti、B、P、S和Fe混合后作为原丝加入到三坐标数字化电熔打印设备(1)中,再加入辅剂;
步骤二,三坐标数字化电熔打印设备(1)将原丝和辅剂的混合料送入电熔头(2)中;
步骤三,将基体固定在打印平台(3)上,并根据三通管件的尺寸选择对应的电熔头(2)数量和间距;
步骤四,计算机(8)根据所需三通管件的图纸将轨迹坐标数据解析为机械运动控制程序,并分别控制打印平台(3)带动主管旋转以及电熔头(2)运动,在基体上完成三通管件的打印。
5.根据权利要求4所述的一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料的使用方法,其特征在于,辅剂采用10~60目颗粒状氧化物与卤化物。
6.根据权利要求4所述的一种电熔增材制造X100钢级三通管件材料的使用方法,其特征在于,计算机(8)连接远红外测温仪(4)和冷却装置(5),通过远红外测温仪(4)检测打印平台(3)的温度,通过冷却装置(5)控制打印平台(3)的温度。
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