CN112831721A - 一种增材制造超高强塑积钢材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增材制造超高强塑积钢材料及其制备方法，属于金属材料增材制造(3D打印)领域，由以下质量分数的组分制备而成：0.20‑0.58％C，5.5‑8.9％Ni，0.35‑2.8％Mn，0.20‑1.3％Si，0.3‑1.5％Cr，0.50‑0.60％Mo，0.54‑1.08％V，余量为Fe，所述增材制造超高强钢回火后屈服强度≥927Mpa，抗拉强度≥1650MPa，总延伸≥15.2％，强塑积≥25.41GPa％，室温冲击韧性≥33.6J/cm2。本发明克服了强度‑塑性，强度‑韧性此消彼长难题，获得了高塑韧的增材制造超高强钢(抗拉强度高达1760MPa)，强塑积高达28GPa％。

Description

一种增材制造超高强塑积钢材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料增材制造(3D打印)领域，具体的涉及一种增材制造超高强塑积钢材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着增材制造技术的发展，其被广泛应用于奥氏体不锈钢及马氏体钢的生产制造，如增材制造奥氏体不锈钢，强度达到600MPa左右，延伸率达到50％左右，强塑积达到约30GPa％，虽然其强塑积很高，但是奥氏体不锈钢强度级别较低，限制了其应用(Y.M.Wang,T.Voisin,J.T.McKeown,J.Ye,N.P.Calta,Z.Li,Z.Zeng,Y.Zhang,W.Chen,T.T.Roehling,Additively manufactured hierarchical stainless steels with highstrength and ductility,Nature materials 17(1)(2018)63.)。而高强度级别的增材制造钢，往往强塑积较低，即强度提高塑性下降严重，导致强塑积较低，如增材制造18Ni300马氏体钢，其直接打印态强度达到1200MPa左右，延伸率约10％，强塑积只有12GPa％，为了获得超高强，人们对增材制造马氏体钢，采用高温固溶加长时间时效处理，工序复杂(Y.Bai,D.Wang,Y.Yang,H.Wang,Effect of heat treatment on the microstructure andmechanical properties of maraging steel by selective laser melting,MaterialsScience and Engineering:A 760(2019)105-117.)，而经过时效热处理后的增材制造马氏体钢虽然通过析出强化提高了强度，但是析出物对塑韧性恶化较严重，其在经过时效处理后强度达到2000MPa左右，但是塑性恶化严重其延伸率只有2％左右，强塑积低至6GPa％，室温冲击韧性只有约5J(Y.Bai,Y.Yang,D.Wang,M.Zhang,Influence mechanism ofparameters process and mechanical properties evolution mechanism of maragingsteel 300 by selective laser melting,Materials Science and Engineering:A 703(2017)116-123.)。塑韧性恶化严重限制了增材制造高强钢的发展和应用。目前国外用增材制造原位回火热处理方法获得了抗拉强度达到1300MPa，延伸率约为10％的大马士革钢，强塑积达到约13GPa％(R.Seede,D.Shoukr,B.Zhang,A.Whitt,S.Gibbons,P.J.Flater,A.Elwany,R.Arroyave,I.Karaman,An Ultra-High Strength Martensitic SteelFabricated using Selective Laser Melting Additive Manufacturing:Densification,Microstructure,and Mechanical Properties,Acta Mater.186(2020)199-214)，虽然其强塑性综合力学性能比增材制造马氏体时效钢好，但是其强度级别仍然较低，且强塑积仍然较低(13GPa％)，而且其采用层间扫描停留来达到制造中的自回火，需要精确控制层间扫描停留时间及控制自回火层数如每隔多少层进行扫描停留，工序复杂。
由于增材制造采用激光加热冷却，其超快加热冷却速率的特点虽然可以细化材料组织优化性能，但是对于制备超高强钢而言，由于其超快冷却易产生内应力导致裂纹或开裂，使增材制造超高强钢成为难点，如用增材制造生产的H13及M2模具钢就面临打印过程易开裂且塑韧性恶化严重的技术难点。而国内外关于开发无裂纹且具有高强塑积(≥25GPa％)的低成本增材制造超高强钢(抗拉强度≥1600MPa)的研发工作仍属空白，因此开发无裂纹且具有超高强塑积的增材制造超高强钢具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供一种增材制造超高强塑积钢材料及其制备方法，打破强度-塑性，强度-韧性此消彼长规律，获得具有超高强塑积的增材制造超高强钢。
本发明采用的技术方案如下：
一种增材制造超高强塑积钢材料，由以下质量分数的组分制备而成：0.20-0.58％C，5.5-8.9％Ni，0.35-2.8％Mn，0.20-1.3％Si，0.3-1.5％Cr，0.50-0.60％Mo，0.54-1.08％V，余量为Fe，所述增材制造超高强钢回火后屈服强度≥927Mpa，抗拉强度≥1650MPa，总延伸率≥15.2％，强塑积≥25.41GPa％，室温冲击韧性≥33.6J/cm2。
优选地，由以下质量分数的组分制备而成：0.25-0.44％C，4.98-8.32％Ni，0.88-2.34％Mn，0.69-0.76％Si，0.77-0.96％Cr，0.50-0.56％Mo，0.54-1.08％V，余量为Fe。
优选地，由以下质量分数的组分制备而成：0.25％C，5.24％Ni，0.93％Mn，0.76％Si，0.85Cr，0.50％Mo，0.54％V，余量为Fe，所述增材制造超高强钢回火后屈服强度为927MPa，抗拉强度为1700MPa，总延伸为15.2％，强塑积为25.84GPa％，室温冲击韧性为33.6J/cm2。
优选地，由以下质量分数的组分制备而成：0.38％C，8.32％Ni，2.34％Mn，0.69％Si，0.96Cr，0.56％Mo，0.72％V，余量为Fe，所述增材制造超高强钢回火后屈服强度为1070MPa，抗拉强度为1760MPa，总延伸率为16.2％，强塑积为28.51GPa％，室温冲击韧性为40J/cm2。
优选地，由以下质量分数的组分制备而成：0.44％C，4.98％Ni，0.88％Mn，1.2％Si，0.77Cr，0.52％Mo，1.08％V，余量为Fe，所述增材制造超高强钢回火后屈服强度为1040MPa，抗拉强度为1650MPa，总延伸率为15.4％，强塑积为25.41GPa％，室温冲击韧性为42.5J/cm2。
一种增材制造超高强塑积钢材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：对上述增材超高强塑积钢材料的合金组分用选择性激光熔化制造设备进行3D打印，获得含有大量亚稳残余奥氏体的无裂纹增材制造超高强钢；
步骤二：对步骤一中打印后的增材超高强塑积钢材料进行低温回火热处理，实现C配分，得到含有稳定的残余奥氏体的多相组织增材超高强塑积钢材料。
优选地，步骤一中选择性激光参数如下：激光功率160-200W，扫描速度700-1200mm/s，扫描间距0.03-0.07mm，铺粉厚度0.01-0.05mm。
优选地，低温回火热处理以10-30℃/min的加热速度加热至200-300℃，保温20-360min，低温回火使C元素完成配分，后迅速淬入常温态的水中，得到含有稳定的残余奥氏体的多相组织增材超高强塑积钢材料。
优选地，低温回火热处理加热至220-260℃，保温30-180min，低温回火使C元素完成配分，后迅速淬入常温态的水中，得到含有稳定残余奥氏体的多相组织增材超高强塑积钢材料。
优选地，所述加热装置为电阻式加热炉、燃料加热炉或感应加热炉。
本发明的目的在于提出一种增材制造超高强塑积钢的制备方法，首先通过在增材制造过程中获得含有大量亚稳残余奥氏体的无裂纹增材制造超高强钢，然后对其进行特殊的低温回火热处理使亚稳残余奥氏体转化为稳定的残余奥氏体，使其中稳定的残余奥氏体通过发生马氏体相变产生相变诱发塑性效应，打破强度-塑性，强度-韧性此消彼长规律，获得具有超高强塑积的增材制造超高强钢，该发明制备的增材制造超高强钢，不仅拥有超高强度而且具有优良的塑性和冲击韧性。
与现有的技术相比本发明的有益效果是：
1)与现有技术相比，本发明在增材制造过程中获得含有大量亚稳残余奥氏体的无裂纹增材制造超高强钢，进而对其进行低温回火C配分热处理对残余奥氏体的稳定性及含量进行调控，获得稳定的残余奥氏体，使残余奥氏体更好的发生相变诱发塑性效应，稳定发挥加工硬化作用，获得具有超高强塑积的增材制造超高强钢；
2)与现有技术相比，本发明克服了强度-塑性，强度-韧性此消彼长难题，获得了高塑韧的增材制造超高强钢，强塑积高达28GPa％，并且该发明制备方法简单，具有大的工艺窗口，用该发明制备的高塑韧超高强钢具有非常广泛的应用前景。
附图说明
图1是发明实施例1所生产的增材制造超高强塑积钢在低温回火前、后的残余奥氏体分布图，白色代表残余奥氏体；
图2是发明实施例1所生产的增材制造超高强塑积钢在低温回火前、后的残余奥氏体的X射线衍射结果示意图；
图3是发明实施例1所生产的增材制造超高强塑积钢在低温回火前、后的工程应力应变曲线图；
图4是发明实施例1所生产的增材制造超高强塑积钢在低温回火前、后的加工硬化曲线图；
图5是发明实施例2所生产的增材制造超高强塑积钢在低温回火前、后的残余奥氏体分布图，白色代表残余奥氏体；
图6是发明实施例2所生产的增材制造超高强塑积钢在低温回火前、后的残余奥氏体的X射线衍射结果示意图；
图7是发明实施例2所生产的增材制造超高强塑积钢在低温回火前、后的工程应力应变曲线图；
图8是发明实施例2所生产的增材制造超高强塑积钢在低温回火前、后的加工硬化曲线图；
图9是发明实施例3所生产的增材制造超高强塑积钢在低温回火前、后的残余奥氏体的X射线衍射结果示意图；
图10是发明实施例3所生产的增材制造超高强塑积钢在低温回火前、后的工程应力应变曲线图；
图11是发明实施例3所生产的增材制造超高强塑积钢在低温回火前、后的加工硬化曲线图。
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，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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
采用合金元素含量如表1所示的铁基合金粉末，将其用选择性激光熔化3D打印设备(HBD100)进行增材制造，选择性激光熔化增材制造参数如下：激光功率180W，扫描速度900mm/s，扫描间距0.05mm，铺粉厚度0.03mm。将打印后的增材制造高强钢在设定炉温为260℃的电阻式加热炉中保温30分钟进行低温回火C配分，然后水淬至室温。获得如表2所示力学性能的增材制造超高强钢。从表2可知，在打印态(即低温回火前)获得：抗拉强度达到1600MPa，延伸率7.5％，强塑积达到12GPa％的无裂纹增材制造超高强钢，室温下V型缺口夏比冲击达到31.8J/cm2，其在低温回火后的抗拉强度达到1700MPa，延伸率15.2％，强塑积为25.84GPa％，室温下V型缺口夏比冲击达到33.6J/cm2，具有很好的强塑韧综合力学性能，克服了强度-塑性，强度-韧性此消彼长规律，获得了强塑韧均有提高的增材制造超高强塑积钢。
表1实施例1铁基合金粉的成分(质量分数)
Figure BDA0002873016260000061
表2实施例1增材制造超高强钢的力学性能
Figure BDA0002873016260000062
实施例2
采用合金元素含量如表3所示的铁基合金粉末，将其用选择性激光熔化3D打印设备(HBD100)进行增材制造，选择性激光熔化增材制造参数如下：激光功率180W，扫描速度1200mm/s，扫描间距0.05mm，铺粉厚度0.03mm。将打印后的增材制造高强钢在设定炉温为260℃的电阻式加热炉中保温60分钟进行低温回火C配分，然后水淬至室温。获得如表4所示力学性能的增材制造超高强钢。从表4可知，上述实例在打印态抗拉强度达到1620MPa，延伸率7.5％，强塑积达到12.15GPa％，室温下V型缺口夏比冲击达到33.5J/cm2，其在低温回火后得到强塑韧均提高的超高强塑积为钢，抗拉强度达到1760MPa，延伸率16.2％，强塑积达到28.51GPa％，室温下V型缺口夏比冲击达到40.0J/cm2，获得了具有高塑韧的增材制造超高强钢且其克服强度-塑性，强度-韧性此消彼长规律，具有优越的综合力学性能。
表3实施例2铁基合金粉的成分(质量分数)
Figure BDA0002873016260000071
表4实施例2增材制造超高强钢的力学性能
Figure BDA0002873016260000072
实施例3
采用合金元素含量为上述实施例3中表5所示的铁基合金粉末，用选择性激光熔化3D打印设备(HBD100)进行增材制造，选择性激光熔化增材制造参数如下：激光功率180W，扫描速度900mm/s，扫描间距0.05mm，铺粉厚度0.03mm。将打印后的增材制造高强钢在设定炉温为220℃的电阻式加热炉中保温360分钟进行低温回火C配分，然后水淬至室温。获得如表6所示力学性能的增材制造超高强钢。从表6可知，上述实例增材制造超高强钢在打印态抗拉强度达到1640MPa，延伸率4.6％，强塑积达到7.54GPa％，室温下V型缺口夏比冲击达到32.2J/cm2，其在低温回火后得到强塑韧均有提高的超高强塑积为钢，其中抗拉强度达到1650MPa，延伸率15.4％，强塑积达到25.41GPa％，室温下V型缺口夏比冲击达到42.5J/cm2，获得了具有优越的综合力学性能的高塑韧增材制造超高强钢，且克服了强度-塑性，强度-韧性此消彼长规律。
表5实施例3铁基合金粉的成分(质量分数)
铁基合金粉 C Ni Mn Si Cr Mo V Fe
含量 0.44％ 4.98％ 0.88％ 1.2％ 0.77％ 0.52％ 1.08％ 余量
表6实施例3增材制造超高强钢的力学性能
Figure BDA0002873016260000073
Figure BDA0002873016260000081
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种增材制造超高强塑积钢材料，其特征在于，由以下质量分数的组分制备而成：0.20-0.58％C，5.5-8.9％Ni，0.35-2.8％Mn，0.20-1.3％Si，0.3-1.5％Cr，0.50-0.60％Mo，0.54-1.08％V，余量为Fe，所述增材制造超高强钢回火后屈服强度≥927Mpa，抗拉强度≥1650MPa，总延伸率≥15.2％，强塑积≥25.41GPa％，室温冲击韧性≥33.6J/cm2。
2.根据权利要求1所述的一种增材制造超高强塑积钢材料，其特征在于，由以下质量分数的组分制备而成：0.25-0.44％C，4.98-8.32％Ni，0.88-2.34％Mn，0.69-0.76％Si，0.77-0.96％Cr，0.50-0.56％Mo，0.54-1.08％V，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种增材制造超高强塑积钢材料，其特征在于，由以下质量分数的组分制备而成：0.25％C，5.24％Ni，0.93％Mn，0.76％Si，0.85Cr，0.50％Mo，0.54％V，余量为Fe，所述增材制造超高强钢回火后屈服强度为927MPa，抗拉强度为1700MPa，总延伸率为15.2％，强塑积为25.84GPa％，室温冲击韧性为33.6J/cm2。
4.根据权利要求1所述的一种增材制造超高强塑积钢材料，其特征在于，由以下质量分数的组分制备而成：0.38％C，8.32％Ni，2.34％Mn，0.69％Si，0.96Cr，0.56％Mo，0.72％V，余量为Fe，所述增材制造超高强钢回火后屈服强度为1070MPa，抗拉强度为1760MPa，总延伸率为16.2％，强塑积为28.51GPa％，室温冲击韧性为40J/cm2。
5.根据权利要求1所述的一种增材制造超高强塑积钢材料，其特征在于，由以下质量分数的组分制备而成：0.44％C，4.98％Ni，0.88％Mn，1.2％Si，0.77Cr，0.52％Mo，1.08％V，余量为Fe，所述增材制造超高强钢回火后屈服强度为1040MPa，抗拉强度为1650MPa，总延伸率为15.4％，强塑积为25.41GPa％，室温冲击韧性为42.5J/cm2。
6.基于权利要求1-5任一项所述的一种增材制造超高强塑积钢材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对上述增材超高强塑积钢材料的合金组分用选择性激光熔化制造设备进行3D打印，获得含有大量亚稳残余奥氏体的无裂纹增材制造超高强钢；
步骤二：对步骤一中打印后的增材超高强塑积钢材料进行低温回火热处理，实现C配分，得到含有稳定的残余奥氏体的多相组织增材超高强塑积钢材料。
7.根据权利要求6所述的一种增材制造超高强塑积钢材料的制备方法，其特征在于，步骤一中选择性激光参数如下：激光功率160-200W，扫描速度700-1100mm/s，扫描间距0.03-0.07mm，铺粉厚度0.01-0.05mm。
8.根据权利要求6所述的一种增材制造超高强塑积钢材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述低温回火热处理具体为：以10-30℃/min的加热速度加热至200-300℃，保温20-360min，低温回火使C元素完成配分，后迅速淬入常温态的水中，得到含有稳定的残余奥氏体的多相组织增材超高强塑积钢材料。
9.根据权利要求8所述的一种增材制造超高强塑积钢材料的制备方法，其特征在于，步骤二中低温回火热处理具体为：加热至220-260℃，保温30-180min，低温回火使C元素完成配分，后迅速淬入常温态的水中，得到含有稳定残余奥氏体的多相组织增材超高强塑积钢材料。
10.根据权利要求8或9所述的一种增材制造超高强塑积钢材料的制备方法，其特征在于，所述加热装置为电阻式加热炉、燃料加热炉或感应加热炉。
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