CN111590079B

CN111590079B - 一种纳米氧化物弥散强化钢件及其快速增材制造方法

Info

Publication number: CN111590079B
Application number: CN202010383759.8A
Authority: CN
Inventors: 严有为
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2040-05-08
Also published as: CN111590079A

Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，其公开了一种纳米氧化物弥散强化钢件及其快速增材制造方法，所述方法包括以下步骤：(1)将合金钢粉及纳米氧化物粉进行球磨混合以得到混合粉体；(2)将钢带包裹混合粉体，并通过成型拉丝得到药芯丝材；(3)以药芯丝材为原料，利用电弧熔丝制造设备按照待制造零件的三维模型对应的机器人代码在基板上进行多道多层电弧熔丝增材制造，以得到纳米氧化物弥散强化钢件。本发明利用电弧熔丝小熔池熔炼及其快速冷却凝固的特性，抑制了纳米氧化物的长大与聚集，且利用增材制造无需模具及成形效率高的特点，实现了大型复杂金属构件的制备，提高了制备效率，为纳米ODS钢提供了一条大规模制备的新途径。

Description

一种纳米氧化物弥散强化钢件及其快速增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种纳米氧化物弥散强化钢件及其快速增材制造方法。

背景技术

氧化物弥散强化(Oxide Dispersion Strengthened，ODS)钢的组织结构特征是基体中弥散分布着大量的纳米氧化物粒子。这些高熔点和热稳定性好的第二相纳米氧化物粒子能有效阻碍位错和晶界滑移，从而赋予材料优良的抗高温蠕变性能。而且，纳米氧化物粒子与基体之间形成的大量界面，可以吸收辐照过程中产生的He泡而形成He陷阱，明显提高其抗辐照性能。因此，ODS钢在核电能源、石油化工、动力机械等领域有着很大的应用前景。

ODS钢目前普遍采用传统的粉末冶金方法制备，即首先通过高能球磨合金和氧化物粉末以获得过饱和固溶体粉体，随后对粉体进行热固化成型及后续的热处理以在基体中弥散析出大量纳米氧化物粒子。在粉末球磨过程中，由于原子以固相方式扩散，故形成过饱和固溶体所需时间一般从几十小时到上百小时，从而降低了制备效率，提高了制备成本，并不可避免地引入杂质污染。而且，随后的热等静压、热挤压等固化成型工艺一般难以直接制备大型复杂的构件。上述不足在很大程度上限制了ODS钢的实际生产及其应用。相应地，本领域存在着发展一种效率高、成本低的纳米氧化物弥散强化钢件及其快速增材制造方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种纳米氧化物弥散强化钢件及其快速增材制造方法，其采用电弧熔丝小熔池冶炼及其快速冷却凝固的特性，抑制了纳米粒子的聚集与长大，保证了钢基体中弥散分布大量的纳米氧化物粒子，同时该方法还利用增材制造无需模具且成形效率高的特点，实现了大型复杂金属构件的制备，该方法优化了已有的ODS钢制备工艺，提高了制备效率，为纳米ODS钢提供了一条大规模制备的新途径。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将合金钢粉及纳米氧化物粉进行球磨混合以得到混合粉体；

(2)将钢带包裹所述混合粉体，并通过成型拉丝得到药芯丝材；

(3)以所述药芯丝材为原料，利用电弧熔丝制造设备按照待制造零件的三维模型对应的机器人代码在基板上进行多道多层电弧熔丝增材制造，以得到纳米氧化物弥散强化钢件。

进一步地，所述合金钢粉及所述纳米氧化物粉球磨混合过程中还加入了过程控制剂，所述过程控制剂为乙醇或者硬脂酸，其在所述混合粉体中所占的质量百分比为1wt％～10wt％。

进一步地，所述合金钢粉为不锈钢粉或者其他特定用途的合金钢粉，其平均粒径小于30μm。

进一步地，所述纳米氧化物粉为稀土氧化物粉、金属氧化物粉或者类金属氧化物粉，其平均粒径小于40nm。

进一步地，所述纳米氧化物粉占所述混合粉体的质量百分比为1wt％～10wt％。

进一步地，球磨混合时间为1小时～10小时。

进一步地，所述钢带为宽12mm、厚2mm的冷轧钢带，制备出的药芯丝材的直径为1mm～2mm，粉体填充率为10％～30％。

进一步地，电弧熔丝增材制造时采用的工艺参数为：电流150～200A，电压15～25V，焊枪移动速度1mm/s～10mm/s。

进一步地，步骤(3)是在惰性气氛中进行的，采用的惰性气体为纯Ar+20％CO₂混合气体，流量为10L/min～20L/min，多道多层增材制造中，每层中的道与道之间的搭接量为20％～40％，每层的增材高度为2mm～5mm。

按照本发明的另一个方面，提供了一种纳米氧化物弥散强化钢件，所述纳米氧化物弥散强化钢件是采用如上所述的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法制备而成的。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的纳米氧化物弥散强化钢件及其快速增材制造方法主要具有以下有益效果：

1.在现有粉末冶金法制备ODS钢过程中，经过高能球磨获得非平衡态的过饱和固溶体粉体是其中的重要环节，但该环节需耗时几十甚至上百小时，而本发明只需对原料粉末进行球磨混合以得到混合粉体，不必要获得过饱和固溶体粉体，球磨混料时间仅为1h～10h，比上述获得过饱和固溶体所需的球磨时间低得多，因此，本发明获得混合粉体的制备时间短，且操作简单。

2.本发明球磨混合过程中还需加入过程控制剂，所述过程控制剂的含量为1wt％～10wt％，所述过程控制剂为乙醇或硬脂酸，使得混料球磨过程更稳定，所获取的混合粉体混合更均匀。

3.本发明可对药芯丝材的组成和成分进行设计调整，以满足ODS钢不同服役性能要求，具有更广的实际应用范围。

4.本发明获得的金属药芯丝材直径细小(≤2mm)，在电弧熔丝增材制造中，连续输送的丝材在电弧热的作用下同步熔化，形成的熔池细小且冷却凝固快速，具有小熔池熔炼与铸造的特点，可抑制由药芯丝材引入的纳米粒子的聚集与长大，制备的材料组织中纳米粒子尺寸细小且分布均匀，并解决了大型金属构件铸造过程中成分偏析的问题。

5.本发明根据逐层沉积原理，用电弧热熔化金属丝材，在软件程序的控制下，由线-面-体逐渐成形所需金属构件，无需模具且效率高、成本低，特别在制造大型复杂金属构件上具有独特的优势，解决了传统粉末冶金法难以制备大型复杂构件的难题。

6.本发明所提供ODS钢构件的成形过程是在软件程序的控制下进行的，能实现机械化和规模化生产。

附图说明

图1是本发明提供的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法的流程示意图；

图2中的(a)、(b)分别是本发明实施例2制备得到的纳米氧化物弥散强化钢件中纳米氧化物的形貌扫描电镜SEM图及能谱分析EDS结果图；

图3是本发明实施例3制备得到的纳米氧化物弥散强化钢件中纳米氧化物的形貌扫描电镜SEM图；

图4是本发明实施例4制备得到的纳米氧化物弥散强化钢件中纳米氧化物的形貌扫描电镜SEM图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在各类氧化物中，氧化钇(Y₂O₃)熔点高，热稳定性好，是当前ODS钢中广泛采用的氧化物增强粒子；同时，316不锈钢具有良好的综合性能。因此，此处具体实施例均选用市售316不锈钢粉和纳米Y₂O₃粉为原料，具有代表性但不限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明提供的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法主要包括以下步骤：

步骤一，将合金钢粉、纳米氧化物粉及过程控制剂进行球磨混合以得到混合粉体。

具体地，将合金钢粉和纳米氧化物粉在过程控制剂作用下进行球磨混合，以得到混合粉体。其中，所述过程控制剂占所述混合粉体的质量百分比为1wt％～10wt％，其为乙醇或者硬脂酸；球磨混合的时间为1h～10h；所述合金钢粉为不锈钢粉或者其他特定用途的合金钢粉，其平均粒径小于30μm；所述纳米氧化物粉为高熔点、高稳定性的稀土氧化物(如Y₂O₃)、金属氧化物(如Al₂O₃)或类金属氧化物(如SiO₂)粉，其平均粒径小于40nm；所述混合粉体中氧化物粉质量含量为1wt％～10wt％。

步骤二，采用钢带包裹所述混合粉体，并通过成型拉丝得到药芯丝材。

具体地，所述钢带为宽12mm、厚2mm的冷轧钢带，所述药芯丝材的直径为1mm～2mm；所述药芯丝材中混合粉体的填充率为10％～30％。

步骤三，以所述药芯丝材为原料，利用电弧熔丝制造设备按照待制造零件的三维模型对应的机器人代码在基板上进行多道多层电弧熔丝增材制造，以得到纳米氧化物弥散强化钢件。

具体地，将得到的药芯丝材，利用电弧熔丝制造装备，在合适工艺参数与惰性气体保护下，按照待制造零件的三维模型生成机器人代码，在基板上进行多道多层电弧熔丝增材制造。打印成形后，经过打磨抛光即可得到纳米氧化物弥散强化钢件。其中，所述的电弧熔丝增材制造工艺参数设定为：电流150～200A，电压15～25V，焊枪移动速度1mm/s～10mm/s；所述的惰性气体为纯Ar+20％CO₂混合气体，流量为10L/min～20L/min；所述多道多层增材制造中，每层中的道与道之间的搭接量为20％～40％，每层的增材高度为2mm～5mm。

本发明所用电弧熔丝增材制造技术具有无需模具且成形效率高、成本低等优势，因而可以实现大型复杂金属构件的大规模制备；所制备出的纳米ODS钢件具有氧化物高密度弥散分布的微观结构特性，所述纳米氧化物粒径在40nm左右，因而具有优异的抗高温蠕变性能和抗辐照性能，可应用于核电能源、石油化工、动力机械等领域。

本发明还提供了一种纳米氧化物弥散强化钢件，所述纳米氧化物弥散强化钢件是采用如上所述的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法制备而成的。

以下以几个实施例来对本发明进行进一步的详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法主要包括以下步骤：

首先，以316不锈钢粉末和纳米Y₂O₃粉末为原料，其中Y₂O₃的掺入量为1wt％，同时添加1wt％含量硬脂酸作为过程控制剂，全部加入不锈钢球磨罐中，抽至真空，在行星式球磨机上球磨混合1h，得到混合粉体。然后，将混合粉体通过成型机用钢带包裹成型后，再经过拉丝机多道模具减径得到直径为1.5mm的金属药芯丝材，其中粉体填充率为10％。最后，将得到的药芯丝材装入电弧熔丝装置，设定工作电流为150A，工作电压为20V，焊枪移动速度为5mm/s，每道与前一道的搭接量为30％，增材层高为5mm，在流量为10L/min的纯Ar+20％CO₂混合气体保护下，按照零件模型代码在基板上进行多道多层电弧熔丝增材制造，所得试样再通过打磨抛光即可得到纳米ODS钢构件。

该构件的外径为450mm，内径为300mm，高为250mm；制备的构件形态完整，无明显孔洞等缺陷，利用超声波探伤和磁粉探伤对制备得到的构件进行无损检测，未发现气孔、夹渣和裂纹等。

实施例2

本发明实施例2提供的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法主要包括以下步骤：

首先，以316不锈钢粉末和纳米Y₂O₃粉末为原料，其中Y₂O₃的掺入量为5wt％，同时添加10wt％含量硬脂酸作为过程控制剂，将以上原料全部加入不锈钢球磨罐中，抽至真空，在行星式球磨机上球磨混合5h，以得到混合粉体。然后将混合粉体通过成型机用钢带包裹成型后，再经过拉丝机多道模具减径得到直径为1mm的金属药芯丝材，其中粉体填充率为15％。最后，将得到的药芯丝材装入电弧熔丝装置，设定工作电流为150A，工作电压为25V，焊枪移动速度为10mm/s，每道与前一道的搭接量为20％，增材层高为3mm，在流量为15L/min的纯Ar+20％CO₂混合气体保护下，按照待制造零件模型代码在基板上进行多道多层电弧熔丝增材制造，所得试样再通过打磨抛光即可得到纳米ODS钢构件。

如图2所示，制备的ODS钢基体中含有大量粒径在40nm左右的粒子，且这些粒子分布均匀无明显的聚集现象；粒子仅含有Y和O元素。

实施例3

本发明实施例3提供的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法主要包括以下步骤：

首先，以316不锈钢粉末和纳米Y₂O₃粉末为原料，其中Y₂O₃的掺入量为5wt％，同时添加5wt％含量硬脂酸作为过程控制剂，将以上原料全部加入不锈钢球磨罐中，抽至真空，在行星式球磨机上球磨混合10h，以得到混合粉体。然后将混合粉体通过成型机用钢带包裹成型后，再经过拉丝机多道模具减径得到直径为2mm的金属药芯丝材，其中粉体填充率为20％。最后，将得到的药芯丝材装入电弧熔丝装置，设定工作电流为200A，工作电压为20V，焊枪移动速度为1mm/s，每道与前一道的搭接量为30％，增材层高为2mm，在流量为20L/min的纯Ar+20％CO₂混合气体保护下，按照待制造零件模型代码在基板上进行多道多层电弧熔丝增材制造，所得试样再通过打磨抛光即可得到纳米ODS钢构件。

请参阅图3，制备的ODS钢基体中含有大量粒径在40nm左右的粒子，且这些粒子分布均匀且无明显的聚集现象。

实施例4

本发明实施例4提供的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法主要包括以下步骤：

首先，以316不锈钢粉末和纳米Y₂O₃粉末为原料，其中Y₂O₃的掺入量为10wt％，同时添加10wt％含量硬脂酸作为过程控制剂，将以上原料全部加入不锈钢球磨罐中，抽至真空，在行星式球磨机上球磨混合5h，以得到混合粉体。然后将混合粉体通过成型机用钢带包裹成型后，再经过拉丝机多道模具减径得到直径为2mm的金属药芯丝材，其中粉体填充率为30％。最后，将得到的药芯丝材装入电弧熔丝装置，设定工作电流为200A，工作电压为15V，焊枪移动速度为2mm/s，每道与前一道的搭接量为40％，增材层高为2mm，在流量为20L/min的纯Ar+20％CO₂混合气体保护下，按照待制造零件模型代码在基板上进行多道多层电弧熔丝增材制造，所得试样再通过打磨抛光即可得到纳米ODS钢构件。

请参阅图4，基体中含有大量弥散分布的纳米粒子，粒径在40nm左右。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）将合金钢粉及纳米氧化物粉进行球磨混合以得到混合粉体；所述纳米氧化物粉为稀土氧化物粉，其平均粒径小于40nm;

（2）将钢带包裹所述混合粉体，并通过成型拉丝得到药芯丝材；所述药芯丝材的直径为1mm~2mm;

（3）以所述药芯丝材为原料，利用电弧熔丝制造设备按照待制造零件的三维模型对应的机器人代码在基板上进行多道多层电弧熔丝增材制造，以得到纳米氧化物弥散强化钢件; 在电弧熔丝增材制造中，连续输送的丝材在电弧热的作用下同步熔化，形成的熔池细小且冷却凝固快速，抑制由药芯丝材引入的纳米粒子的聚集与长大。

2.如权利要求1所述的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法，其特征在于，所述合金钢粉及所述纳米氧化物粉球磨混合过程中还加入了过程控制剂，所述过程控制剂为乙醇或者硬脂酸，其在所述混合粉体中所占的质量百分比为1wt%~10wt%。

3.如权利要求1所述的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法，其特征在于，所述合金钢粉为不锈钢粉，其平均粒径小于30μm。

4.如权利要求1所述的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法，其特征在于，所述纳米氧化物粉占所述混合粉体的质量百分比为1wt%~10wt%。

5.如权利要求1-4任一项所述的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法，其特征在于，球磨混合时间为1小时~10小时。

6.如权利要求1-4任一项所述的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法，其特征在于，所述钢带为宽12mm、厚2mm的冷轧钢带，制备出的药芯丝材的粉体填充率为10%~30%。

7. 如权利要求1-4任一项所述的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法，其特征在于，电弧熔丝增材制造时采用的工艺参数为：电流150~200A，电压15~25V，焊枪移动速度1mm/s ~10mm/s。

8. 如权利要求1所述的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法，其特征在于，步骤（3）是在惰性气氛中进行的，采用的惰性气体为纯Ar + 20%CO₂混合气体，流量为10L/min~20L/min，多道多层增材制造中，每层中的道与道之间的搭接量为20%~40%，每层的增材高度为2mm~5mm。

9.一种纳米氧化物弥散强化钢件，其特征在于，所述纳米氧化物弥散强化钢件是采用权利要求1-8任一项所述的纳米氧化物弥散强化钢件的快速增材制造方法制备而成的。