CN113319429B - 一种控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材及制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材及制备和应用，以质量百分比计，包括以下配比：C：0.03％～0.10％；Si：≤0.4％；Mn：0.5％～1.5％；P：≤0.010％；S：≤0.005％；Nb：0.07％～0.12％；Ni：1.6％～4.0％；Mo：≤0.4％；Cr：0.01％～0.20％；V：≤0.02％；Al：≤0.05％；Cu：≤0.03％；Ti：0.006％～0.02％；B：≤0.005％，其余为Fe。在不同增材制造的工艺下都具有良好的冲击韧性，并且低温韧性随温度的变化较小，可用于低温环境下油气输送领域产品增材制造。

Description

一种控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材及制备和应用
技术领域
本发明属于增材制造打印材料领域，涉及一种控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材及制备和应用。
背景技术
增材制造作为三维数字化的最终呈现方式，由于可实现复杂形状和位置的柔性现场打印，已经成为高端装备制造的重要手段。增材制造材料主要分为金属粉末材料和金属丝材两大类。其中金属丝材的增材制造更适用于中到大型装备的快速制造。
增材制造用金属丝材通常要求具有良好的焊接性能。目前，国内激光、电子束和电弧增材制造的丝材主要以钛合金，镍基合金和碳钢为主。由于增材制造的快速加热和冷却的工艺特性，导致打印产品的冲击韧性显著降低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材及制备和应用，在不同增材制造的工艺下都具有良好的冲击韧性，并且低温韧性随温度的变化较小，可用于低温环境下油气输送领域产品增材制造。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材，以质量百分比计，包括以下配比：
C：0.03％～0.10％；Si：≤0.4％；Mn：0.5％～1.5％；P：≤0.010％；S：≤0.005％；Nb：0.07％～0.12％；Ni：1.6％～4.0％；Mo：≤0.4％；Cr：0.01％～0.20％；V：≤0.02％；Al：≤0.05％；Cu：≤0.03％；Ti：0.006％～0.02％；B：≤0.005％，其余为Fe。
优选的，C元素含量为0.03％～0.10％。
进一步，采用低锰高铌合金，其中Mn元素含量为1.0％～1.5％，Nb元素含量为0.07％～0.12％，同时Mn/Nb比小于25。
优选的，采用高镍合金，Ni元素含量为1.6％～4.0％。
优选的，Mo含量≤0.4％。
一种控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材的制备方法，按照上述任意一项所述原材料及配比关系，放入至电炉中冶炼焊丝钢，冶炼后通过拉拔镀铜工艺制成焊丝。
一种上述任意一项所述控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材在增材制造中的应用。
优选的，采用激光增材制造，打印出产品的抗拉强度为800～950Mpa，-60℃的冲击韧性大于100J。
优选的，采用CMT增材制造，打印出产品的抗拉强度为650～750MPa，-60℃的冲击韧性大于150J。
优选的，采用埋弧增材制造，打印出的产品的抗拉强度为650～750MPa，-60℃的冲击韧性大于150J。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明控制打印材料中碳元素含量在0.03％～0.10％，碳元素含量低于0.10％，保证材料的可焊性和裂纹敏感性，能够适应增材制造多次重复加热和冷却的热循环过程，同时适应包含激光、电弧(埋弧、CMT)等多种增材制造工艺，保证产品的最终组织为细小粒装贝氏体晶粒中的针状铁素体组织；采用低锰高铌的合金设计，Mn元素含量控制在1.5％以下，避免多次循环加热条件下MnS夹杂物的形成，避免其推迟铌元素的碳氮析出，Nb元素的含量在0.07％以上，替代Mn元素固溶强化、延迟奥氏体相变的作用；采用高镍的合金设计，Ni元素含量在1.6％～4.0％，镍元素通过晶粒细化和固溶强化提高焊缝金属的强度，通过降低脆性转变温度提高焊缝金属的韧性尤其是低温冲击韧性，为了保证增材制造打印产品在低温环境下使用的冲击韧性，Ni元素含量在1.6％以上，同时根据不同的增材工艺选择和产品使用环境选择其含量，成本控制其含量在4.0％一下；用Mo、Cr、Al、V、Cu和Ti等合金元素的固溶强化和弥散强化能力，结合增材制造技术的高速加热和快速冷却机制，保证打印材料的抗拉强度，但是在增材制造多次重复加热时的工艺下，钼元素会导致焊缝金属韧性降低，因此Mo量控制在≤0.4％以下。
本发明的增材制造打印材料，通过激光增材制造打印出的产品，抗拉强度为800～950MPa，满足与油气输送领域X80及以下钢级管线管连接匹配的性能要求，即X80管线钢标准要求：抗拉强度在625MPa～825MPa间；-60℃的冲击韧性为100J以上，满足油气输送领域低温服役冲击韧性要求，即X80管线钢标准要求：-45℃的夏比冲击韧性≥60J。
本发明的增材制造打印材料，通过CMT增材制造打印出的产品，抗拉强度为650～750MPa，满足与油气输送领域X80及以下钢级管线管连接匹配的性能要求，即X80管线钢标准要求：抗拉强度在625MPa～825MPa间；-60℃的冲击韧性在150J以上，满足油气输送领域低温服役冲击韧性要求，即X80管线钢标准要求：-45℃的夏比冲击韧性≥60J。
本发明的增材制造打印材料，通过CMT增材制造打印出的产品，抗拉强度为650～750MPa，满足与油气输送领域X80及以下钢级管线管连接匹配的性能要求，即X80管线钢标准要求：抗拉强度在625MPa～825MPa间；-60℃的冲击韧性在150J以上，满足油气输送领域低温服役冲击韧性要求，即X80管线钢标准要求：-45℃的夏比冲击韧性≥60J。
附图说明
图1为本发明增材制造打印材料高温膨胀量曲线图；
图2为本发明激光增材打印后金相组织图；
图3为本发明的CMT增材打印后金相组织图；
图4为本发明的埋弧增材打印后金相组织。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材，以质量百分比计，包括以下配比：
C：0.03％～0.10％；Si：≤0.4％；Mn：0.5％～1.5％；P：≤0.010％；S：≤0.005％；
Nb：0.07％～0.12％；Ni：1.6％～4.0％；Mo：≤0.4％；Cr：0.01％～0.20％；；V：≤0.02％；Al：≤0.05％；Cu：≤0.03％；Ti：0.006％～0.02％；B：≤0.005％，其余为Fe。Mn和Nb之比小于25。
实施例1
以质量百分比计，包括以下原材料配比：
C：0.03％；Si：0.35％；Mn：1.5％；P：0.0052％；S：0.0031％；Nb：0.07％；Ni：3.0％；Mo：0.4％；Cr：0.15％；V：0.0049％；Al：0.022％；Cu：0.0064％；Ti：0.01％；B：0.004％，其余为Fe。
实施例2
以质量百分比计，包括以下原材料配比：
C：0.08％；Si：0.3％；Mn：1％；P：0.01％；S：0.0034％；Nb：0.1％；Ni：3％；Mo：0.3％；Cr：0.1％；V：0.0051％；Al：0.049％；Cu：0.038％；Ti：0.022％；B：0.0025％，其余为Fe。
实施例3
以质量百分比计，包括以下原材料配比：
C：0.03％；Si：0.35％；Mn：1.5％；P：0.0052％；S：0.0031％；Nb：0.07％；Ni：3.0％；Mo：0.4％；Cr：0.15％；V：0.014％；Al：0.022％；Cu：0.0064％；Ti：0.01％；B：0.004％，其余为Fe。
实施例4
以质量百分比计，包括以下原材料配比：
C：0.1％；Si：0.4％；Mn：0.5％；P：0.0052％；S：0.005％；Nb：0.12％；Ni：4.0％；Mo：0.4％；Cr：0.2％；V：0.02％；Al：0.05％；Cu：0.03％；Ti：0.02％；B：0.005％，其余为Fe。
实施例5
以质量百分比计，包括以下原材料配比：
C：0.1％；Si：0.2％；Mn：0.5％；P：0.001％；S：0.001％；Nb：0.1％；Ni：1.6％；Mo：0.1％；Cr：0.01％；V：0.002％；Al：0.005％；Cu：0.03％；Ti：0.006％；B：0.0001％，其余为Fe。
本发明的主要优势体现在：
(1)严格控制打印材料中碳元素含量在0.03％～0.10％。碳元素含量低于0.10％，保证材料的可焊性和裂纹敏感性，能够适应增材制造多次重复加热和冷却的热循环过程，同时适应包含激光、电弧(埋弧、CMT)等多种增材制造工艺，保证产品的最终组织为细小粒装贝氏体晶粒中的针状铁素体组织。
(2)本发明采用低锰高铌的合金设计，其中锰元素1.0％～1.5％，铌元素0.07％～0.12％，同时Mn/Nb比控制在25以下。Mn元素含量控制在1.5％以下，避免多次循环加热条件下MnS夹杂物的形成，避免其推迟铌元素的碳氮析出。铌元素的含量在0.07％以上，替代Mn元素固溶强化、延迟奥氏体相变的作用。
通过实验研究，当锰/铌比越低，其在加热阶段，奥氏体相变后晶粒尺寸随温度增加的幅度越慢，在Mn/Nb比控制在15左右后，其晶粒生长速度降低，并在1140度左右奥氏体区域发生微小相变。具体如图1所示。晶粒尺寸是影响冲击韧性的首要因素。在增材制造的多次加热循环过程中，控制加热过程中原始奥氏体的晶粒长大，由于遗传效应减小冷却过程转化组织的晶粒尺寸，这是本发明控制晶粒尺寸，提高产品冲击韧性的重要手段。
(3)本发明采用高镍的合金设计，Ni元素含量在1.6％～4.0％。镍元素通过晶粒细化和固溶强化提高焊缝金属的强度，通过降低脆性转变温度提高焊缝金属的韧性尤其是低温冲击韧性。为了保证增材制造打印产品在低温环境下使用的冲击韧性，Ni元素含量在1.6％以上，同时根据不同的增材工艺选择和产品使用环境选择其含量，成本控制其含量在4.0％一下。
(4)利用Mo、Cr、Al、V、Cu和Ti等合金元素的固溶强化和弥散强化能力，结合增材制造技术的高速加热和快速冷却机制，保证打印材料的抗拉强度。但是在增材制造多次重复加热时的工艺下，钼元素会导致焊缝金属韧性降低,Mo量控制在≤0.4％以下。
本发明的目的在于提供控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材，其通过成分设计控制晶粒长大，适用于低温环境用低碳钢增材制造产品的打印。
(1)根据实施例1化学成分范围，采用电炉冶炼焊丝钢，冶炼后通过拉拔镀铜工艺制成Φ1mm的焊丝，用于激光增材制造试块打印和性能评价分析。具体化学成见表1。
利用YLS-4000多模光纤激光器，搭配YW52焊接头进行焊丝的激光增材打印，如图2所示。激光增材制造的工艺参数为：即离焦量25mm，激光功率3.5kW，送丝速度2.2m/min，打印速度1.2m/min。打印试块的拉伸性能和冲击韧性如表2所示。
(2)根据实施例2化学成分范围，采用电炉冶炼焊丝钢，冶炼后通过拉拔镀铜工艺制成Φ2mm的焊丝，用于CMT增材制造试块打印和性能评价分析。具体化学成分见表1。
利用福尼斯CMT增材制造焊接系统，搭配机器人焊枪进行打印，如图3所示。CMT增材制造的工艺参数为：打印速度0.24m/min，送丝速度5m/min，电流165A，电压15.2V。打印试块的拉伸性能和冲击韧性如表2所示。
(3)根据实施例3化学成分范围，采用电炉冶炼焊丝钢，冶炼后通过拉拔镀铜工艺制成Φ4mm的焊丝，用于埋弧增材制造试块打印和性能评价分析。具体化学成分见表1。
利用埋弧增材制造焊接系统，搭配10-40目的颗粒状氧化物与卤化物辅剂进行打印，如图3所示。埋弧增材制造的工艺参数为：打印速度0.7m/min，电流700A，电压30V。打印试块的拉伸性能和冲击韧性如表2所示。
表1低温环境用增材制造低碳微合金钢打印材料化学成分
Figure BDA0003047092870000071
Figure BDA0003047092870000081
表2低温环境用增材制造低碳微合金钢打印材料在不同工艺下试块力学性能
Figure BDA0003047092870000082
本发明的增材制造打印材料，在不同的增材制造工艺下：激光增材制造，打印产品的抗拉强度在800～950MPa；CMT增材制造，打印产品的抗拉强度在650～750MPa；埋弧增材制造，打印产品的抗拉强度在650～750MPa，完全满足与油气输送领域X80及以下钢级管线管连接匹配的性能要求。(X80管线钢标准要求：抗拉强度在625MPa～825MPa间)。
本发明的增材制造打印材料，在不同的增材制造工艺下：激光增材制造，打印产品-60℃的冲击韧性为100J以上；CMT增材制造，打印产品-60℃的冲击韧性在150J以上；在埋弧增材制造，打印产品-60℃的冲击韧性在150J以上，满足油气输送领域低温服役冲击韧性要求(X80管线钢标准要求：-45℃的夏比冲击韧性≥60J)。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材的制备方法，其特征在于，以质量百分比计，包括以下配比：
C：0.03%~0.10%；Si：≤0.4%；Mn：0.5%~1.5%；P：≤0.010%；S：≤0.005%；Nb：0.07%~0.12%；Ni：1.6%~4.0%；Mo：≤0.4%；Cr：0.01%~0.20%；V：≤0.02%；Al：≤0.05%；Cu：≤0.03%；Ti：0.006%~0.02%；B：≤0.005%，其余为Fe；
采用低锰高铌合金，Mn/Nb比小于25；采用高镍合金，Ni元素含量为1.6%~4.0%；
按照上述原材料及配比关系，放入至电炉中冶炼焊丝钢，冶炼后通过拉拔镀铜工艺制成焊丝。
2.一种权利要求1所述制备方法 得到的控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材在增材制造中的应用。
3.根据权利要求2所述的控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材在增材制造中的应用，其特征在于，采用激光增材制造，打印出产品的抗拉强度为800~950Mpa，-60℃的冲击韧性大于100J。
4.根据权利要求2所述的控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材在增材制造中的应用，其特征在于，采用CMT增材制造，打印出产品的抗拉强度为650~750MPa，-60℃的冲击韧性大于150J。
5.根据权利要求2所述的控制晶粒尺寸的低温增材制造用丝材在增材制造中的应用，其特征在于，采用埋弧增材制造，打印出的产品的抗拉强度为650~750MPa，-60℃的冲击韧性大于150J。
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