CN113399779B - 用于奥氏体不锈钢增材制造的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一个目的在于提供一种用于奥氏体不锈钢增材制造的方法，其能够实现在保证高效率增材制造的同时，能够有效提升增材制造奥氏体不锈钢零件的力学性能。本发明的另一个目的在于提供一种用于奥氏体不锈钢增材制造的装置。为实现前述目的的用于奥氏体不锈钢增材制造的方法包括：获取待成形零件的三维模型；将三维模型切片分层；逐层打印三维模型，其中每打印三维模型的一层后，对已打印的零件部分进行降温处理，直至零件部分的表面温度降低至第一温度以下后，继续打印三维模型的下一层；将打印完成的零件加热至第二温度区间内进行保温；其中，第一温度为600℃，第二温度区间低于零件的固溶热处理的温度区间。

Description

用于奥氏体不锈钢增材制造的装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种用于奥氏体不锈钢增材制造的方法。

背景技术

奥氏体不锈钢是一种在常温下具有稳定奥氏体组织的不锈钢，其具有良好的耐腐蚀性能、高温力学性能、可加工性和焊接性，广泛应用于航天、航空、能源、船舶和化工等领域。奥氏体不锈钢无磁性而且韧性和塑性较高，但强度较低，不能通过固溶或者相变使之强化，只能通过冷轧、热轧和锻造等变形加工提高其强度。现有的奥氏体不锈钢热处理工艺是将其加热到固溶温度区间保温一段时间后快速冷却，其目的是将加工中产生的碳化物以及σ相等溶解，获得单一的奥氏体组织，以保证良好的耐腐蚀性能。而当温度过高或者保温时间过长，则会导致晶粒长大降低强度和塑性。

增材制造是一种通过逐层熔化沉积材料制造三维实物的技术，其中金属增材制造技术是将快速原型技术和金属熔覆技术相结合的一种先进制造技术。该技术使用激光、电子束和电弧等热源按照扫描路径逐道逐层熔化沉积金属粉末或者丝材，直至形成需要进行少量加工的零件毛坯。增材制造技术最大的特点是制造过程无需专用的模具，增加了制造工艺的生产效率和柔性，又极大地节省了工装和生产成本。

为了提高成形效率，缩短制造周期，一般采用较大功率的热源对奥氏体不锈钢零件进行增材制造。然而发明人发现，现有对奥氏体不锈钢零件进行增材制造的方法常常会导致零件内部晶粒粗大，进而降低了零件的力学性能，又由于增材制造奥氏体不锈钢零件无法进行变形加工提高强度，在传统的1000～1050℃温度下的固溶处理会降低其强度。现有对于奥氏体不锈钢零件进行增材制造的方法缺乏提升成形效率的同时、有效提升增材制造奥氏体不锈钢零件的力学性能的方法，严重制约了增材制造奥氏体不锈钢在航天、航空、能源、船舶和化工等领域的发展和应用。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种用于奥氏体不锈钢增材制造的方法，其能够实现在保证高效率增材制造的同时，能够有效提升增材制造奥氏体不锈钢零件的力学性能。

本发明的另一个目的在于提供一种用于奥氏体不锈钢增材制造的装置，其能够采用前述奥氏体不锈钢增材制造的方法成形零件。

为实现前述目的的一种用于奥氏体不锈钢增材制造的方法，包括：

获取待成形零件的三维模型；

将所述三维模型切片分层，并针对每一层进行打印路径规划；

采用电弧熔丝增材制造工艺逐层打印所述三维模型，其中每打印所述三维模型的一层后，对已打印的零件部分进行降温处理，直至所述零件部分的表面温度降低至第一温度以下后，继续打印所述三维模型的下一层；

将打印完成的零件加热至第二温度区间内进行保温；

其中，所述第一温度为600℃，所述第二温度区间低于所述零件的固溶热处理的温度区间。

在一个或多个实施方式中，所述第二温度区间为600℃至800℃。

在一个或多个实施方式中，所述降温处理包括：对所述已打印的零件部分的表面吹拂低温惰性气体。

在一个或多个实施方式中，所述惰性气体为氩气、氦气及其混合气体。

在一个或多个实施方式中，同时对所述已打印的零件部分的上表面以及侧面吹拂低温惰性气体。

在一个或多个实施方式中，通过温度检测单元对所述已打印的零件部分的表面温度进行监测。

在一个或多个实施方式中，所述温度检测单元为红外测温装置。

在一个或多个实施方式中，所述电弧熔丝增材制造工艺的加工参数包括：

电弧电流为150A至350A，电弧电压为18V至30V，扫面速度400mm/min至800mm/min，送丝速度为5m/min至12m/min，丝材直径为0.8mm至1.2mm；其中，所述三维模型切片分层后的每层厚度为1.2mm至2.2mm。

在一个或多个实施方式中，所述方法用于制备316L奥氏体不锈钢或304L奥氏体不锈钢零件。

为实现前述另一目的的用于奥氏体不锈钢增材制造的装置，其采用如前所述的用于奥氏体不锈钢增材制造的方法制备零件；

所述装置包括：

成形基板，用于承载所述待成形零件；

电弧焊枪，设置于所述成形基板上侧，用于采用电弧熔丝增材制造工艺逐层打印所述待成形零件；以及，

冷却气流装置，设置于所述待成形零件外周测，用于通入惰性气体。

本发明的增益效果在于：本用于奥氏体不锈钢增材制造的方法，在打印过程中的每层成形结束后，持续对成形层表面吹低温惰性气体，加快成形层冷却速度，同时采用红外检测手段检测成形层上表面温度，当温度低于设定值600摄氏度后，再进行下一层的成形。采用上述控温手段，可以细化奥氏体晶粒，同时使得大量高温铁素体相以骨骼状保留在晶粒内部。零件成形结束后，将零件加热到低于固溶温度的范围内(600℃～800℃)进行保温，使得部分残余铁素体转变为σ相弥散分布在奥氏体晶粒内部，解决了增材制造奥氏体不锈钢零件无法通过有效途径强化的缺点，起到强化作用，提升零件力学性能，从而为实现奥氏体不锈钢零件的高效高性能增材制造提供基础。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1示意性地示出了用于奥氏体不锈钢增材制造的装置一个实施方式的示意图；

图2示出了用于奥氏体不锈钢增材制造的方法的流程示意图；

图3示出了增材制造后的316L奥氏体不锈钢零件沉积态特征；

图4示出了增材制造后的316L奥氏体不锈钢零件热处理后的组织形貌特征。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本申请的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

需要注意的是，在使用到的情况下，如下描述中的上、下、左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。

本文中的术语解释如下：铁素体：一种体心立方结构的固溶体；奥氏体：一种面心立方结构的固溶体；σ相：一种硬而脆的金属间化合物；奥氏体不锈钢：一种在常温下平衡相为全奥氏体的不锈钢；固溶强化：通过添加合金元素原子到基体元素原子中提高合金强度；沉淀强化：通过沉淀第二相提高合金强度。

请首先参见图1，其示意性地示出了用于奥氏体不锈钢增材制造的装置一个实施方式的示意图，其中，用于奥氏体不锈钢增材制造的装置1包括：成形基板10、电弧焊枪11以及冷却气流装置12。

其中，待成形零件2由成形基板10承载，电弧焊枪11设置于成形基板10的上侧，其用于采用电弧熔丝增材制造工艺逐层打印待成形零件2。具体而言，电弧焊枪11将金属丝材或者金属粉末熔化，由下往上逐层按既定的成形路径堆积，以形成待成形零件2。冷却气流装置12设置于待成形零件2的外周测，用于向待成形零件2通入惰性气体，以实现对待成形零件2的冷却。其中，如图所示的实施方式中，冷却气流装置12包括设置于待成形零件2上方的第一冷却气流装置12a以及设置于待成形零件2侧面的第二冷却气流装置12b，其分别用于对待成形零件2的上表面以及侧面进行吹气以实现冷却。在其他与图示不同的实施方式中，冷却气流装置12可以包括多个设置在待成形零件2周向侧面的冷却装置。

图2示出了用于奥氏体不锈钢增材制造的方法的流程示意图，请结合参见图1以及图2。

用于奥氏体不锈钢增材制造的方法包括：

首先进行步骤S1，获取待成形零件的三维模型，具体地，可以通过三维扫描等方式获得零件的三维模型，并将三维模型在AUTOCAD/UG等三维制图软件中进行表达。

随后，进行步骤S2，将获取的三维模型切片分层，具体而言，该切片分层操作可以是在AUTOCAD/UG等三维制图软件中按照设定的层厚进行分层。其中，该设定的层厚可以是根据打印所用的丝材直径来决定。

随后进行步骤S3，对切片分层后的三维模型中的每一层进行打印路径规划。

随后采用电弧熔丝增材制造工艺逐层打印三维模型，具体地，其包括步骤S4，打印三维模型的一层；步骤S6，对已打印的零件部分进行降温处理；随后，在步骤S8判断已打印的零件部分的表面温度是否降低至第一温度以下，若步骤S8判断结果为是，则执行步骤S9：判断零件是否成形完毕，若零件未打印完毕，则进行步骤S5:提升Z轴高度，即使电弧焊枪11的Z轴高度按照设定的层厚升高一层的距离后，继续进行步骤S4：打印三维模型的一层；若零件已打印完毕，转到步骤S10。若步骤S8判断的结果为否，则转到步骤S6，继续对已打印的零件进行降温处理。

当零件已打印完毕，随后，执行步骤S10，将打印完成的零件加热到第二温度区间进行保温。

其中，步骤S8中的判断对象第一温度为600℃，第二温度区间为低于零件的正常固溶热处理的温度区间。具体地，对于奥氏体不锈钢，传统的固溶热处理的温度区间为1000℃至1050℃之间，对应地，选择600℃至800℃为第二温度区间。

在一个实施方式中，降温处理是通过对已打印的零件部分的表面吹拂低温惰性气体的方式来实现。其中，在一个实施方式中，吹入的惰性气体为氩气。在其他一些实施方式中，吹入的气体也可以是氦气或是氩气与氦气的混合气体。

在一个实施方式中，同时对已打印的零件部分的上表面以及侧面吹拂低温惰性气体，具体地，可以参见图1可知，第一冷却气流装置12a用于对已打印的零件部分的上表面吹拂惰性气体，第二冷却气流装置12b用于对已打印的零件部分的侧面吹拂惰性气体。

在一个实施方式中，如图1所示的用于奥氏体不锈钢增材制造的装置还包括温度检测单元，步骤S6之后还包括步骤S7：通过温度检测单元对已打印的零件部分的表面温度进行监测，从而能够判断其表面温度是否已经降低至第一温度以下。在一个实施方式中，温度检测单元为红外测温装置，其实一种非接触式的温度检测装置，能够实现快速高效地对零件表面的温度进行测量。在一些其他的实施方式中，温度检测单元也可以是其他接触式温度检测装置。

在一个实施方式中，电弧熔丝增材制造工艺的加工参数包括：电弧电流为150A至350A，电弧电压为18V至30V，扫面速度400mm/min至800mm/min，送丝速度为5m/min至12m/min，丝材直径为0.8mm至1.2mm；三维模型切片分层后的每层厚度为1.2mm至2.2mm。采用上述参数进行电弧熔丝增材制造能够实现对奥氏体不锈钢零件的高效增材制造。

在一个实施方式中，前述一个或多个实施方式中的增材制造的方法用于制备316L奥氏体不锈钢或304L奥氏体不锈钢零件。

本用于奥氏体不锈钢增材制造的方法，在打印过程中的每层成形结束后，持续对成形层表面吹低温惰性气体，加快成形层冷却速度，同时采用红外检测手段检测成形层上表面温度，当温度低于设定值600摄氏度后，再进行下一层的成形。采用上述控温手段，可以细化奥氏体晶粒，同时使得大量高温铁素体相以骨骼状保留在晶粒内部。零件成形结束后，将零件加热到低于固溶温度的范围内(600℃～800℃)进行保温，使得部分残余铁素体转变为σ相弥散分布在奥氏体晶粒内部，解决了增材制造奥氏体不锈钢零件无法通过有效途径强化的缺点，起到强化作用，提升零件力学性能，从而为实现奥氏体不锈钢零件的高效高性能增材制造提供基础。

以下实施方式1-3分别采用上述用于奥氏体不锈钢增材制造的方法来进行奥氏体不锈钢零件的增材制造成形。

实施方式1

实施方式1中采用316L奥氏体不锈钢作为成形材料，其采用的电弧熔丝增材制造工艺的加工参数为：丝材直径1.2mm。电弧电流350A，电弧电压30V，电弧扫描速度为800mm/min，送丝速度12m/min，层厚2.2mm。

在每层成形结束后，使用低温氩气对成形层表面进行吹气降温，气流量40L/min，采用红外测温装置对成形层上表面进行测温，当温度低于600℃时开始下一层成形制造。

增材制造零件成形完成后，将成形零件放入气氛保护热处理炉中，保护气氛为氩气，加热到800℃保温1小时后水冷。

采用实施例1增材制造后的316L奥氏体不锈钢零件沉积态特征如图3所示，沉积态组织为骨骼状铁素体3分布在奥氏体基体上。图4则示出了热处理后的组织形貌特征，经过热处理后形成骨骼状σ相4和球状铁素体5弥散分布在奥氏体基体上，通过对比可见，经过热处理后，在晶粒内部形成弥散分布的σ相强化零件，能够有效提升零件的力学性能。

如下表1示出了采用实施方式1的增材制造方法与原有增材制造方法的零件在在室温下力学性能上的比较：

表1

由上表1可见，实施方式1的增材制造方法与原有增材制造方法的相比，零件抗拉强度和屈服强度明显提升，分别提升了9.4％以及15.9％。通过实施方式1的增材制造方法相比传统的增材制造方法显著提升了零件的力学性能。

实施方式2

实施方式2中采用316L奥氏体不锈钢作为成形材料，其采用的电弧熔丝增材制造工艺的加工参数为：丝材直径1.2mm。电弧电流150A，电弧电压18V，电弧扫描速度为480mm/min，送丝速度5m/min，层厚1.5mm。

在每层成形结束后，使用低温氩气对成形层表面进行吹气降温，气流量40L/min，采用红外测温装置对成形层上表面进行测温，当温度低于600℃时开始下一层成形制造。

增材制造零件成形完成后，将成形零件放入气氛保护热处理炉中，保护气氛为氩气，加热到800℃保温1小时后水冷。

如下表2示出了采用实施方式2的增材制造方法与原有增材制造方法的零件在在室温下力学性能上的比较：

表2

由上表2可见，实施方式2的增材制造方法与原有增材制造方法的相比，零件抗拉强度和屈服强度同样明显提升，分别提升了7.4％以及11.1％。通过实施方式2的增材制造方法相比传统的增材制造方法显著提升了零件的力学性能。

实施方式3

实施方式3中采用304L奥氏体不锈钢作为成形材料，其采用的电弧熔丝增材制造工艺的加工参数为：丝材直径0.8mm。电弧电流150A，电弧电压18V，电弧扫描速度为400mm/min，送丝速度5m/min，层厚1.2mm。

在每层成形结束后，使用低温氩气对成形层表面进行吹气降温，气流量40L/min，采用红外测温装置对成形层上表面进行测温，当温度低于500℃时开始下一层成形制造。

增材制造零件成形完成后，将成形零件放入气氛保护热处理炉中，保护气氛为氩气，加热到800℃保温1小时后水冷。

如下表2示出了采用实施方式2的增材制造方法与原有增材制造方法的零件在在室温下力学性能上的比较：

表3

由上表3可见，实施方式3的增材制造方法与原有增材制造方法的相比，零件抗拉强度和屈服强度同样明显提升，分别提升了9.1％以及8.8％。通过实施方式3的增材制造方法相比传统的增材制造方法显著提升了零件的力学性能。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于奥氏体不锈钢增材制造的方法，其特征在于，包括：

获取待成形零件的三维模型；

将所述三维模型切片分层，并针对每一层进行打印路径规划；

采用电弧熔丝增材制造工艺逐层打印所述三维模型，其中每打印所述三维模型的一层后，对已打印的零件部分进行降温处理，直至所述零件部分的表面温度降低至第一温度以下后，继续打印所述三维模型的下一层；

将打印完成的零件加热至第二温度区间内进行保温；

所述电弧熔丝增材制造工艺的加工参数包括：电弧电流为150A至350A，电弧电压为18V至30V，扫描速度400mm/min至800mm/min，送丝速度为5m/min至12m/min，丝材直径为0.8mm至1.2mm；其中，所述三维模型切片分层后的每层厚度为1.2mm至2.2mm；

其中，所述第一温度为600℃，所述第二温度区间低于所述零件的固溶热处理的温度区间，所述降温处理包括对所述已打印的零件部分的表面吹拂低温惰性气体，所述第二温度区间为600℃至800℃。

2.如权利要求1所述的用于奥氏体不锈钢增材制造的方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气、氦气及其混合气体。

3.如权利要求1所述的用于奥氏体不锈钢增材制造的方法，其特征在于，同时对所述已打印的零件部分的上表面以及侧面吹拂低温惰性气体。

4.如权利要求1所述的用于奥氏体不锈钢增材制造的方法，其特征在于，通过温度检测单元对所述已打印的零件部分的表面温度进行监测。

5.如权利要求4所述的用于奥氏体不锈钢增材制造的方法，其特征在于，所述温度检测单元为红外测温装置。

6.如权利要求1所述的用于奥氏体不锈钢增材制造的方法，其特征在于，所述方法用于制备316L奥氏体不锈钢或304L奥氏体不锈钢零件。

7.如权利要求1所述的用于奥氏体不锈钢增材制造的方法，其特征在于，采用用于奥氏体不锈钢增材制造的装置制备零件，所述用于奥氏体不锈钢增材制造的装置包括：

成形基板，用于承载所述待成形零件；

电弧焊枪，设置于所述成形基板上侧，用于采用电弧熔丝增材制造工艺逐层打印所述待成形零件；以及，

冷却气流装置，设置于所述待成形零件外周侧，用于通入惰性气体。