CN111318708A - 3d打印制造双层复合管材及其微观组织调控的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印制造双层复合管材及其微观组织调控的方法，采用增材制造技术，采用两种金属粉末制备双层复合管材，将该管材加热至开轧温度，在此开轧温度下，快速对双层复合管材依次进行多道次粗轧、精轧，同时进行扩孔，粗轧时每道次压缩率为30％～50％，精轧总压缩率为20％～50％，以达到破碎晶粒、再结晶、调控复合管材微观组织和扩大管材尺寸的目的，确保在终轧温度时进行最后一道次的精轧作为终轧。本发明结合增材制造和热轧扩孔的方式实现了制备双层复合管材。制备的双层复合管内外层之间结合紧密、缺陷少、无夹杂，而且晶粒细小、分布均匀，改善了复合管材的微观组织，同时减小复合管内外层的厚度，扩大了复合管材尺寸。

Description

3D打印制造双层复合管材及其微观组织调控的方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，是一种3D打印制造双层复合管材及其微观组织调控的方法。
背景技术
传统的管材结构过于单一，组织性能不足以满足环境所需要的要求，通常管材外表会出现生锈、风化等腐蚀现象，使用表现并不能满足人们的愿望。
为应对复杂的环境，保障管材制品的使用寿命，使管材更好地运用到实际生活和生产当中去，双层复合管材应运而生。双层复合管材可以充分发挥内外层材料各自的优势，实现各组元材料资源的最优配置，节约贵重金属材料，实现单一金属不能满足环境所需要的性能要求，以钛-铜双层复合管材为例，外层钛有很好地耐腐蚀性、高强度，耐热性好能够很好地应对外部的环境，内层铜有很好地耐高温性能和导热性非常适合做传送暖气的复合管材。除此之外，还有钢与钛、钢与高温合金、钛与高温合金等内层和外层材料所要满足内外环境的功能材料。
发明内容
本发明目的在于提供一种3D打印热轧复合制备双层复合管材的方法，旨在通过3D打印+热轧扩孔的方式，生产具有优异微观组织及能够应对内外层不同环境的优良性能的双层复合管材，复合管的内外材质可以是钢与钢、钢与钛、钢与高温合金、钛与高温合金、钛与铜等的结合。本发明的3D打印制造的双层复合管材的材质不限于以上所列的四种材料搭配。
为达成上述目的，本发明提出一种3D打印热轧复合制备双层复合管材的方法，首先用金属3D打印机制备双层的复合管材，且内外两层材质不同，内层材料适应内部环境，外层材料适应外部环境，内外层管壁厚度适中。然后采用多道次热轧和扩孔的方式来达到细化晶粒、调控微观组织以及优化管材力学性能的目的，还能扩大管材的尺寸，从而适应更大的市场需求。
本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。
为达成上述目的，本发明提出一种3D打印热轧复合制备双层复合管材及其微观组织调控的方法，包括：
步骤1、采用增材制造技术，先将合金粉末A以空心圆半径为10mm、壁厚10±2mm、高500mm的空心圆柱体为模型进行铺粉形成复合管材的内层(即内层壁厚10±2mm)，然后紧紧围绕着合金粉末A采用材质不同的合金粉末B进行铺粉，铺粉厚度为10±2mm形成复合管材的外层(即外层壁厚10±2mm)，打印出内外材质不同的双层复合管材，其中，合金粉末A和合金粉末B的选取需满足合金粉末A的轧制温度TA和合金粉末B的轧制温度TB之间具有交集，设该交集为TA∩TB；
步骤2、确认双层复合管材的轧制温度，其中，轧制温度T＝TA∩TB，开轧温度Tk选取轧制温度T上限值T上±3℃，终轧温度Tz选取轧制温度T下限值T下+5～10℃；
步骤3、将双层复合管材加热至开轧温度Tk，在此开轧温度下，采用热轧扩孔工艺，快速对双层复合管材依次进行多道次粗轧和多道次精轧，粗轧时每道次压缩率为30％～50％，精轧总压缩率为20％～50％，且确保在终轧温度Tz下进行最后一道次的精轧作为终轧。
进一步的，步骤1中，采用增材制造技术，将两种材质不同的合金粉末A和合金粉末B按内层和外层的先后顺序，打印成材质不同的双层复合管材。
进一步的，步骤3中，多道次粗轧优选2～4道次粗轧。
进一步的，步骤3中，多道次精轧优选3～9道次精轧。
进一步的，步骤3中，采用半径为20mm的扩孔管进行扩孔。
与现有技术相比，本发明的显著的优点在于：(1)本发明结合增材制造和热轧扩孔的方式制备双层复合管材，增材制造打印出来的复合管，内外层之间结合紧密、缺陷少、无夹杂，且工序简单。(2)本发明配合合适的热轧扩孔工艺，可以有效地对复合管材中粗大的晶粒进行破碎、再结晶，而生成尺寸细小、分布均匀的等轴晶粒，从而改善了复合管材的微观组织，优化了复合管材力学性能。(3)同时，热轧扩孔工艺还扩大了管材的尺寸，有效摆脱了金属3D打印设备对工件尺寸的限制。(4)本发明的制备双层复合管材的方法可以满足耐蚀、耐磨、耐高温、抗冲、抗压、抗热变等一种或多种特殊性能的需求。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的通过3D打印制造的双层复合管材在热轧扩孔过程中的微观组织演变示意图。
图2是本发明的通过3D打印制造的双层复合管材在热轧扩孔结束后的成品样图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
根据本发明公开的一种3D打印热轧复合制备双层复合管材及其微观组织调控的方法，通过3D打印技术制备出内外两层的双层复合管材，复合管材中内层与外层的材质即合金粉末A和合金粉末B可以分别是钢与钢、钢与钛、钢与高温合金、钛与高温合金等的复合，且不限于以上所列的四种材料搭配，但是，合金粉末A和合金粉末B的选取需满足合金粉末A的轧制温度TA和合金粉末B的轧制温度TB之间具有交集，因此，在本发明已限定了两种合金粉末的选配范围，即轧制温度范围不存在交集的两种合金粉末不适用于本发明。例如：铝合金的熔点约660℃，远低于钛合金的终轧温度，因此，钛合金与铝合金粉末不存在轧制温度交集，不适用于本发明。
通过3D打印制备的复合管材具有较粗大的晶粒，不能满足工程上较高的性能要求。再结合热轧扩孔工艺，对复合管材进行热加工处理。通过多道次的轧制，将3D打印后的粗大的铸态晶粒进行破碎、再结晶，生成细小的等轴晶，如图1所示。总体上提高复合管材的综合力学性能，最后制备成双层复合管的样品，如图2所示。
为了便于更好的理解，下面结合具体实例对本发明进行进一步说明，在实施例中选取一系列配对的异质合金粉末，如：Q235和316不锈钢(钢与钢)、316和TC4(钢与钛)、316和IN625合金(钢与高温合金)、TC4和IN625合金(钛与高温合金)以及TC4和IN718合金(钛与高温合金)等，热轧复合制备双层复合管材。但合金粉末种类不限于实施例中的所列举的合金成分，且本发明内容包含而不限于实施例中的材质搭配。
【实施一】
异质合金粉末以Q235和316不锈钢(钢与钢)为例，其中，Q235具有优良的综合力学性能，而316不锈钢具有优异的耐蚀性能和耐高温性能。由Q235(内层)和316不锈钢(外层)组成的复合管材兼具优异的力学性能、耐蚀性能和耐高温性能，在工程领域具有较大的应用价值。其中Q235的轧制温度范围为910～1213℃，316不锈钢的轧制温度范围为900～1230℃，两合金轧制温度范围的交集T＝TA∩TB＝910～1213℃。在本实施例中选取1213±3℃为开轧温度，915～920℃为终轧温度。
(1)采用金属3D打印设备，先使Q235合金粉以空心圆半径为10mm、壁厚10mm、高500mm的空心圆柱体为模型进行铺粉，然后紧紧围绕着Q235合金粉采用材质不同的316合金粉进行铺粉，铺粉厚度为10mm，进行增材制造制备复合管材，当把复合管材打印至500mm后，结束制备。
(2)将3D打印制备好的Q235/316复合管材加热至1213±3℃，然后采用热轧扩孔工艺，快速对管材进行2道次粗轧+4道次精轧的同时，采用半径为20mm的扩孔管对管材进行扩孔。第1道次粗轧管壁压至13.00mm厚，压缩率35％；第2道次粗轧管壁压至9.10mm厚，压缩率约30％。粗轧过程将管材的长度延至895.24mm，而后再定精轧，共4道次精轧将9.10mm厚的管材轧制成6.66mm，精轧的总压缩率26.8％。其中，精确控制粗轧与精轧的各个道次之间的时间间隔和温度，确保在915～920℃时进行第4道次精轧作为终轧，其样品示意图如图1所示。
(3)最终轧制后管材的尺寸为内层壁厚约3.35mm，外层壁厚约3.31mm，管长约1.29m。
本实施具体的工艺参数，还可根据合金种类的不同采用相应的工艺参数。
【实施二】
异质合金粉末以316不锈钢和TC4(钢与钛)为例，其中，316不锈钢在具有高力学性能的同时还具有良好的耐蚀性能和耐高温性能；而TC4相比于316不锈钢，具有更加优异的力学性能和耐蚀性能。由316不锈钢(内层)和TC4(外层)组成的复合管材兼具优异的力学性能、耐蚀性能和耐高温性能，能够适应更加苛刻的使用环境，如：在海洋中的耐蚀器件等。在海洋工程领域具有较大的应用价值。其中316不锈钢的轧制温度范围为900～1230℃，TC4钛合金的轧制温度范围为700～1050℃，两合金轧制温度范围的交集T＝TA∩TB＝900～1050℃。在本实施例中选取1050±3℃为开轧温度，905～910℃为终轧温度。
(1)采用金属3D打印设备，先使316合金粉以空心圆半径为10mm、壁厚11mm、高500mm的空心圆柱体为模型进行铺粉，然后紧紧围绕着316合金粉采用材质不同的TC4钛合金粉进行铺粉，铺粉厚度为9mm，进行增材制造制备复合管材，当把复合管材打印至500mm后，结束制备。
(2)将3D打印制备好的316/TC4复合管材加热至1050±3℃，然后采用热轧扩孔工艺，快速对管材进行2道次粗轧+4道次精轧的同时，采用半径为20mm的扩孔管对管材进行扩孔。第1道次粗轧管壁压至13.00mm厚，压缩率35％；第2道次粗轧管壁压至9.10mm厚，压缩率约30％。粗轧过程将管材的长度延至895.24mm，而后再定精轧，共4道次精轧将9.10mm厚的管材轧制成6.67mm，精轧的总压缩率26.7％。其中，精确控制粗轧与精轧的各个道次之间的时间间隔和温度，确保在915～920℃时进行第4道次精轧作为终轧。
(3)最终轧制后管材的尺寸为内层壁厚约3.80mm，外层壁厚约2.87mm，管长约1.28m。
本实施具体的工艺参数，还可根据合金种类的不同采用相应的工艺参数。
【实施三】
异质合金粉末以316不锈钢和IN625(钢与高温合金)为例，其中，316不锈钢在具有高力学性能的同时还具有良好的耐蚀性能和耐高温性能；而IN625相比于316不锈钢，具有更加优异的耐高温性能。由316不锈钢(内层)和IN625(外层)组成的复合管材兼具优异的力学性能、耐蚀性能和耐高温性能，能够适应更加苛刻的使用环境，如：在海洋中的耐蚀器件等。在海洋工程领域具有较大的应用价值。其中316不锈钢的轧制温度范围为900～1230℃，IN625高温合金的轧制温度范围为930～1200℃，两合金轧制温度范围的交集T＝TA∩TB＝930～1200℃。在本实施例中选取1200±3℃为开轧温度，935～940℃为终轧温度。
(1)采用金属3D打印设备，先使316合金粉以空心圆半径为10mm、壁厚12mm、高500mm的空心圆柱体为模型进行铺粉，然后紧紧围绕着316合金粉采用材质不同的IN625高温合金粉进行铺粉，铺粉厚度为8mm，进行增材制造制备复合管材，当把复合管材打印至500mm后，结束制备。
(2)将3D打印制备好的316/IN625复合管材加热至1200±3℃，然后采用热轧扩孔工艺，快速对管材进行2道次粗轧+4道次精轧的同时，采用半径为20mm的扩孔管对管材进行扩孔。第1道次粗轧管壁压至13.00mm厚，压缩率35％；第2道次粗轧管壁压至9.10mm厚，压缩率约30％。粗轧过程将管材的长度延至895.24mm，而后再定精轧，共4道次精轧将9.10mm厚的管材轧制成7.14mm，精轧的总压缩率21.5％。其中，精确控制粗轧与精轧的各个道次之间的时间间隔和温度，确保在935～940℃时进行第4道次精轧作为终轧。
(3)最终轧制后管材的尺寸为内层壁厚约3.98mm，外层壁厚约3.16mm，管长1.19m。
本实施具体的工艺参数，还可根据合金种类的不同采用相应的工艺参数。
【实施例四】
异质合金粉末以TC4钛合金和IN625(钛与高温合金)为例，其中，TC4在具有高力学性能的同时还具有良好的耐蚀性能；而IN625相比于TC4钛合金，具有更加优异的耐高温性能。由TC4(内层)和IN625(外层)组成的复合管材兼具优异的力学性能、耐蚀性能和耐高温性能，能够适应更加苛刻的使用环境，如：在海洋中的耐蚀器件等。在海洋工程领域具有较大的应用价值。其中TC4钛合金的轧制温度范围为700～1050℃，IN625高温合金的轧制温度范围为930～1200℃，两合金轧制温度范围的交集T＝TA∩TB＝930～1050℃。在本实施例中选取1050±3℃为开轧温度，935～940℃为终轧温度。
(1)采用金属3D打印设备，先使TC4合金粉以空心圆半径为10mm、壁厚9mm、高500mm的空心圆柱体为模型进行铺粉，然后紧紧围绕着316合金粉采用材质不同的IN625高温合金粉进行铺粉，铺粉厚度为11mm，进行增材制造制备复合管材，当把复合管材打印至500mm后，结束制备。
(2)将3D打印制备好的TC4/IN625复合管材加热至1050±3℃，然后采用热轧扩孔工艺，快速对管材进行2道次粗轧+4道次精轧的同时，采用半径为20mm的扩孔管对管材进行扩孔。第1道次粗轧管壁压至13.00mm厚，压缩率35％；第2道次粗轧管壁压至9.10mm厚，压缩率约30％。粗轧过程将管材的长度延至895.24mm，而后再定精轧，共4道次精轧将9.10mm厚的管材轧制成6.67mm，精轧的总压缩率26.7％。其中，精确控制粗轧与精轧的各个道次之间的时间间隔和温度，确保在935～940℃时进行第4道次精轧作为终轧。
(3)最终轧制后管材的尺寸为内层壁厚约3.10mm，外层壁厚约3.57mm，管长约1.28m。
本实施具体的工艺参数，还可根据合金种类的不同采用相应的工艺参数。
【实施例五】
异质合金粉末以TC4钛合金和IN718(钛与高温合金)为例，其中，TC4在具有高力学性能的同时还具有良好的耐蚀性能；而IN625相比于TC4钛合金，具有更加优异的耐高温性能。由TC4(内层)和IN718(外层)组成的复合管材兼具优异的力学性能、耐蚀性能和耐高温性能，能够适应更加苛刻的使用环境，如：在海洋中的耐蚀器件等。在海洋工程领域具有较大的应用价值。其中TC4钛合金的轧制温度范围为700～1050℃，IN718高温合金的轧制温度范围为930～1200℃，两合金轧制温度范围的交集T＝TA∩TB＝930～1050℃。在本实施例中选取1050±3℃为开轧温度，935～940℃为终轧温度。
(1)采用金属3D打印设备，先使TC4合金粉以空心圆半径为10mm、壁厚8mm、高500mm的空心圆柱体为模型进行铺粉，然后紧紧围绕着316合金粉采用材质不同的IN718高温合金粉进行铺粉，铺粉厚度为12mm，进行增材制造制备复合管材，当把复合管材打印至500mm后，结束制备。
(2)将3D打印制备好的TC4/IN718复合管材加热至1050±3℃，然后采用热轧扩孔工艺，快速对管材进行2道次粗轧+4道次精轧的同时，采用半径为20mm的扩孔管对管材进行扩孔。第1道次粗轧管壁压至13.00mm厚，压缩率35％；第2道次粗轧管壁压至9.10mm厚，压缩率约30％。粗轧过程将管材的长度延至895.24mm，而后再定精轧，共4道次精轧将9.10mm厚的管材轧制成6.00mm，精轧的总压缩率34.1％。其中，精确控制粗轧与精轧的各个道次之间的时间间隔和温度，确保在935～940℃时进行第4道次精轧作为终轧。
(3)最终轧制后管材的尺寸为内层壁厚约2.68mm，外层壁厚约3.32mm，管长约1.45m。
本实施具体的工艺参数，还可根据合金种类的不同采用相应的工艺参数。
在增材制造领域，柱状晶和粗大原始晶粒的形成其根源在于冶金过程的热力学动力问题，增材制造过程微小熔池内的超常冶金条件和循环沉积导致温度和成分过冷不足，且非自发形核质点降低是核心问题。以上方法利用热轧扩孔工艺，对增材制造的柱状晶和粗大原始晶粒进行破碎、再结晶，生成尺寸细小的等轴晶粒，以实现对增材制造复合管材中微观组织的精准控制。
各实施例复合管材的晶粒大小与力学性能的热轧前后对比如表1。
表1各复合管材的晶粒大小与力学性能的热轧前后对比
Figure BDA0001908173770000091
由于合金材料的强度与晶粒尺度的关系符合Hall-Petch关系，晶粒越细，合金的强度就越高；而且只有晶粒细化，才能同时提高材料的强度和塑性。在本发明前述的实施例中，后处理-热轧扩孔工艺可以有效的细化晶粒，改善组织，提高材料性能。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种3D打印制造双层复合管材及微观组织调控的方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤1、采用增材制造技术，先将合金粉末A以空心圆柱体为模型进行铺粉形成复合管材的内层，然后围绕着合金粉末A采用材质不同的合金粉末B进行铺粉，形成复合管材的外层，打印出内外材质不同的双层复合管材，其中，合金粉末A和合金粉末B的选取需满足合金粉末A的轧制温度TA和合金粉末B的轧制温度TB之间具有交集，设该交集为TA∩TB；
步骤2、确认双层复合管材的轧制温度，其中，轧制温度T＝TA∩TB，开轧温度Tk选取轧制温度T上限值T上±3℃，终轧温度Tz选取轧制温度T下限值T 下+5～10℃；
步骤3、将双层复合管材加热至开轧温度Tk，在此开轧温度下，采用热轧扩孔工艺，快速对双层复合管材依次进行多道次粗轧和多道次精轧，粗轧时每道次压缩率为30％～50％，精轧总压缩率为20％～50％，且确保在终轧温度Tz下进行最后一道次精轧。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，复合管材的内层壁厚为10±2mm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，复合管材的外层壁厚为10±2mm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，多道次粗轧为2～4道次粗轧。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，多道次精轧为3～9道次。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，多道次精轧为4～6道次。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每一道次轧制的时间间隔为10s。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，粗轧时每道次压缩率为30％～40％。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，精轧总压缩率为20％～40％。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用半径为20mm的扩孔管进行扩孔。
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