CN113751720A - 一种制备复杂形状b2相强化铁基合金的零件方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于先进金属材料制备研究领域，特别提供了一种制备复杂形状B2相强化铁基合金的零件方法。该方法的步骤如下：将铁基中间合金粉与羰基铁粉混合处理，得到高球形度的整形喂料颗粒；将得到高球形度的整形喂料颗粒进行低温打印，得到具有复杂形状的打印坯体；将得到具有复杂形状的打印坯体进行脱脂和烧结，获得具有复杂形状的B2相强化铁基合金零件。本发明的有益效果是：该方法不需要使用球形粉为原料，对粉末本身的流动性没有要求，大大节约制备成本。通过异质粉末配比和烧结过程中瞬时液相的设计，可以得到获得接近全致密的均匀细晶组织的产品。得到产品具有致密度高，B2相粒径细小、分布均匀和体积分数高等特征。

Description

一种制备复杂形状B2相强化铁基合金的零件方法

技术领域

本发明属于先进析出沉淀强化铁基合金制备研究领域，特别提供了一种制备复杂形状B2相强化铁基合金的零件方法。

背景技术

FeCrAl基合金具有低密度、低热膨胀系数、高热导率和较好的力学性能，因而在航空航天、汽车工业、能源动力和核工业领域有着广泛的应用。FeCrAl基合金中Cr含量的提升能够显著提高合金抗氧化性，目前已开发出9Cr-ODS、12Cr-ODS、高Cr(12-17Cr)ODS等一系列合金，但是Cr含量过高会导致富Cr的α′相析出和时效脆性。通过添加Al元素能够降低Cr元素用量和抑制α′相析出，同时在高温服役的过程中在表面形成氧化铝致密氧化膜，进一步提高合金的抗腐蚀性能。然而，由于缺乏有效的强化相，FeCrAl三元合金仍然有力学性能不足的问题，影响其在工业上的更广泛应用。因此，开发具有高体积分数析出相的FeCrAl基合金已成为国内外学术界和工业界争相突破的难题之一。

在铁基合金中，使用B2型析出相提升合金的力学性能具有独特优势。B2-NiAl相的点阵常数为0.2886nm，B2-CoAl相的点阵常数为0.2862nm，B2-FeAl相的点阵常数为0.2892nm，均与bcc-Fe基体的点阵常数(0.2866nm)非常相近，有形成共格界面的界面的潜力。故通过合适的合金元素设计和热处理工艺调整，可以形成具有大量B2型析出相强化的铁基合金，从而有效提升合金的力学性能。然而近期研究结果显示，B2相的引入虽然可以有效提升铁素体基合金的室温高温强度，但很难以避免脆性问题，而在合金中引入奥氏体是在不损失合金强度的前提下提升合金塑性的有效途径。

复杂形状的FeCrAl基合金产品的先进成形技术一直是国际研究热点。3D打印(增材制造)是当今材料近终成形技术最重要的发展领域，非常适合制备单件或小批量的较大尺寸零件。但目前3D打印技术主要以高能激光或电子束熔融(SLM)打印为主，工作温度高，打印效率低。特别是引入了B2强化相和奥氏体增韧相铁基合金中，由于B2相、铁素体和奥氏体密度差异较大，在SLM过程中反复循环热处理过程中发生的相变产生严重的相变应力，造成合金的变形甚至开裂，严重影响成品率。

发明内容

本发明公开了一种制备复杂形状B2相强化铁基合金的零件方法，以解决现有技术的上述技术问题以及其他潜在问题中的任意问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是一种制备复杂形状B2相强化铁基合金的零件方法：首先将铁基中间合金粉和羰基铁粉末均匀混合，然后混合粉末与少量粘结剂在一定温度下下进行表面处理，再把经过覆膜处理后的粉末整形处理为球形喂料颗粒，接着以球形喂料作为粉末床，采用低功率热源对粉层进行选区扫描，将粉末表面的粘结剂融合，逐层打印后得到三维实体。最后再脱脂、烧结步骤，制备得到的合金零件具有致密度高，B2相粒径细小、分布均匀和体积分数高等特征。

因此，本发明提供一种制备复杂形状B2相强化铁基合金的零件方法，所述方法包括如下步骤：a、原料粉末混合：铁基中间合金粉和羰基铁粉均匀混合后得到原料粉末。设计的铁基中间合金具有较低的熔点，在烧结过程中可以形成瞬时液相强化烧结过程，同时使用细粒径的羰基铁粉也可以提高烧结活性，以有效解决低温喂料打印坯体密度低，难以获得高致密度零件的问题。b、宽粒度分布喂料颗粒的制备：将步骤a得到的混合粉末与一定粘结剂在160-180℃下混炼处理1-6小时后得到表面涂覆均匀粘结剂的混合粉末颗粒，破碎后得到形状不规则的且具有宽粒度分布的喂料颗粒。粘结剂需要无毒性且好脱除，同时，为了方便后续整形成球形，粘结剂需要具有一定的塑性。c、喂料造粒：将步骤b得到的表面涂覆均匀粘结剂的混合粉末颗粒通过悬浮式整形处理，得到高球形度的整形喂料颗粒。高球形度的外形使喂料颗粒具备良好的流动性，可以保证低温打印“铺粉”过程的顺利进行。d、造粒粉末的低温打印：将步骤c得到高球形度的整形喂料颗粒进行低温打印，得到具有复杂形状的打印坯体。e、复杂形状的打印坯体的脱脂和烧结：将步骤d得到的打印坯体经过脱脂和烧结后获得具有复杂形状的B2相强化铁基合金零件。

在一种具体的实施方式中，步骤a中，铁基中间合金粉的成分为Fe-(10-30wt.％)Cr-(0.65-16wt.％)Al-(6.5-30wt.％)Co-(6.5-30wt.％)Ni-(0-4.5wt.％)Ti-(0-6wt.％)Mo-(0.1-4wt.％)B，优选成分为Fe-(11-28wt.％)Cr-(3.75-12wt.％)Al-(10-30wt.％)Co-(6.25-30wt.％)Ni-(0-3wt.％)Ti-(0-4wt.％)Mo-(0.1-3wt.％)B。

在一种具体的实施方式中，步骤a中，铁基中间合金粉末的平均粒径为5-53μm，优选10-38μm。

在一种具体的实施方式中，步骤a中，羰基铁粉的平均粒径为1.6-10μm。

在一种具体的实施方式中，步骤a中，铁基中间合金粉末与羰基铁粉的质量比为(1-4):1。

在一种具体的实施方式，步骤a中，粘结剂与混合粉末的质量比为(0.5-2):33。

在一种具体的实施方式中，步骤b中，所述粘结剂为热塑性粘结剂，所述热塑性粘结剂基于聚合物的功能基团进行设计，为多组元粘结剂体系，基体组元为热塑性聚合物：包括聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)其中的一种或两者的混合物；增韧组元为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)；粘结剂辅助脱除组元为石蜡(PW)；基体组元的质量分数为50-60％，增韧组元的质量分数为15-30％，粘结剂辅助脱除的含量为10-35％。

在一种具体的实施方式中，步骤a中，粘结剂与混合粉末的质量比为(0.5-1):33。

在一种具体的实施方式中，步骤c中，悬浮式整形处理温度为60-120℃，处理时间为12-48小时。

在一种具体的实施方式中，步骤d中，激光器功率为12-48W，铺粉厚度为75-250μm，扫描速度为400-1200mm/s。

在一种具体的实施方式中，步骤e中，烧结温度为1180-1350℃，保温时间为1-6小时，气氛为真空或者氩气。

在一中具体的实施方案中，步骤e中，铁基合金零件的成分为：Fe-(8-15wt.％)Cr-(0.5-8wt.％)Al-(5-15wt.％)Co-(5-15wt.％)Ni-(0-2wt.％)Ti-(0-3wt.％)Mo-(0.05-2wt.％)B。

本发明的优点：

1、本发明不需要使用球形粉为原料，对粉末本身的流动性没有要求，大大节约制备成本。

2、本方法通过异质粉末配比和烧结过程中瞬时液相的设计，可以得到获得大于99％的均匀细晶组织的产品。

3、本发明可设计性强，是一种可以低成本制备单件或小中批量的较大尺寸零件的方法。

附图说明

图1为本发明一种制备复杂形状B2相强化铁基合金的零件方法的工艺流程图。

图2为采用本发明方法制备得到的铁基合金中B2相的形貌示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明一种制备复杂形状B2相强化铁基合金的零件方法，该方法具体包括以下步骤：

S1)将铁基中间合金粉末与羰基铁粉混合处理，得到高球形度的整形喂料颗粒；

S2)将S1)得到高球形度的整形喂料颗粒进行低温打印，得到具有复杂形状的打印坯体；

S3)将S2)得到具有复杂形状的打印坯体进行脱脂和烧结，获得具有复杂形状的B2相强化铁基合金零件。

所述S1)的具体步骤为：

S1.1)铁基中间合金粉末和羰基铁粉均匀混合后得到原料粉末；

S1.2)将S1.1)得到的原料粉末与粘结剂在一定的温度下进行混炼处理，再通过整形处理，得到高球形度的整形喂料颗粒。

所述S1.1)中的铁基中间合金粉与羰基铁粉的质量比为(1-4):1，铁基中间合金粉的平均粒径为5-53μm，羰基铁粉的平均粒径为1.6-10μm。

所述S1.1)中铁基中间合金粉的平均粒径为10-38μm；

所述铁基中间合金粉的成分为：Cr：8-15wt.％、Al：0.65-16wt.％、Co：6.5-30wt.％、Ni：6.5-30wt.％、Ti：0-4.5wt.％、Mo：0-6wt.％和B：0.1-4wt.％，余量为Fe。

所述S1.1)中所述铁基中间合金粉的成分为：Cr：11-28wt.％、Al：3.75-12wt.％、Co：10-30wt.％、Ni：6.25-30wt.％、Ti：0-:3wt.％、Mo：0-4wt.％和B：0.1-3wt.％，余量为Fe。

所述S1.2)中粘结剂添加量与混合粉末的质量比为(0.5-2):33；悬浮式整形处理温度为60-120℃，处理时间为12-48小时。

所述粘结剂为热塑性粘结剂，热塑性粘结剂基于聚合物的功能基团进行设计，为多组元粘结剂体系，基体组元为热塑性聚合物：包括聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)其中的一种或两者的混合物；增韧组元为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)；粘结剂辅助脱除组元为：石蜡(PW)。

所述热塑性粘结剂的各个组分的质量百分数为：基体组元的质量分数为50-60％，增韧组元的质量分数为15-30％，粘结剂辅助脱除的含量为10-35％。

所述S1.2)中粘结剂添加量与混合粉末的质量比为(0.5-1):33。

所述S2)的具体工艺为：激光器功率为12-48W，铺粉厚度为75-250μm，扫描速度为400-1200mm/s。

所述S3)的具体工艺为：烧结温度为1180-1350℃，保温时间为1-6小时，气氛为真空或者氩气。

所述S3)中铁基合金零件的成分为：Cr：8-15wt.％、Al：0.5-8wt.％、Co：5-15wt.％、Ni：5-15wt.％、Ti：0-2wt.％、Mo：0-3wt.％和B：0.05-2wt.％，余量为Fe。

实施例1：成分为Fe-10wt.％Cr-4wt.％Al-5wt.％Co-15wt.％Ni-2wt.％Mo-0.6wt.％B合金零件的制备

将成分为Fe-12.5wt.％Cr-5wt.％Al-6.25wt.％Co-18.75wt.％Ni-2.5wt.％Mo-0.75wt.％B的铁基母合金粉和羰基铁粉以质量比为4:1混合均匀备用，其中铁基母合金粉平均粒径为30μm，羰基铁粉的平均粒径为10μm。将混合均匀的粉末与40wt.％PE-20wt.％PP-25wt.％EVA-15wt.％PW粘结剂以质量比为33:0.6混合，并在160-180℃下混炼处理2小时表面涂覆均匀粘结剂的混合粉末颗粒。将形状不规则喂料在80℃，60r/min的转速下处理12小时后得到造粒的球形喂料颗粒。将球形喂料颗粒在激光器功率为24W，铺粉厚度为220μm，扫描速度为400mm/s的工艺下进行低温打印，得到具有复杂形状的打印坯体。将打印坯体经过脱脂后在1230℃烧结4小时后得到具有复杂形状的Fe-10wt.％Cr-4wt.％Al-5wt.％Co-15wt.％Ni-2wt.％Mo-0.6wt.％B铁基合金零件。

实施例2：成分为Fe-8wt.％Cr-5wt.％Al-10wt.％Co-1wt.％Ti-12.5wt.％Ni-2.5wt.％Mo-0.4wt.％B合金零件的制备

将成分为Fe-16wt.％Cr-10wt.％Al-20wt.％Co-25wt.％Ni-5wt.％Mo-0.8wt.％B的铁基母合金粉和羰基铁粉以质量比为1:1混合均匀备用，其中铁基母合金粉平均粒径为26μm，羰基铁粉的平均粒径为8μm。将混合均匀的粉末与50wt.％PE-20wt.％EVA-20wt.％PW粘结剂以质量比为33:1.2混合，并在160-180℃下混炼处理2小时表面涂覆均匀粘结剂的混合粉末颗粒。将形状不规则喂料在80℃，75r/min的转速下处理24小时后得到造粒的球形喂料。将造粒球形喂料在激光器功率为30W，铺粉厚度为180μm，扫描速度为500mm/s的工艺下进行低温打印，得到具有复杂形状的打印坯体。将打印坯体经过脱脂后在1180℃烧结6小时后得到具有复杂形状的B2相强化Fe-8wt.％Cr-5wt.％Al-10wt.％Co-1wt.％Ti-12.5wt.％Ni-2.5wt.％Mo-0.4wt.％B铁基合金零件。

实施例3：成分为Fe-14wt.％Cr-6wt.％Al-12.5wt.％Co-2wt.％Ti-12.5wt.％Ni-2wt.％Mo-0.3wt.％B合金零件的制备

将成分为Fe-19.6wt.％Cr-8.4wt.％Al-17.5wt.％Co-2.8wt.％Ti-17.5wt.％Ni-2.8wt.％Mo-0.42wt.％B的铁基母合金粉和羰基铁粉以质量比为2.5:1混合均匀备用，其中铁基母合金粉平均粒径为26μm，羰基铁粉的平均粒径为8μm。将混合均匀的粉末与60wt.％PE-15wt.％EVA-25wt.％PW粘结剂以质量比为33:1.5混合，并在160-180℃下混炼处理2小时表面涂覆均匀粘结剂的混合粉末颗粒。将形状不规则喂料在100℃，90r/min的转速下处理30小时后得到造粒的粉末颗粒。将造粒粉末在激光器功率为36W，铺粉厚度为120μm，扫描速度为800mm/s的工艺下进行低温打印，得到具有复杂形状的打印坯体。将打印坯体经过脱脂后在1320℃烧结3小时后得到具有复杂形状的B2相强化铁基合金零件。

实施例4：成分为Fe-16wt.％Cr-4.5wt.％Al-10wt.％Co-0.5wt.％Ti-10wt.％Ni-1wt.％Mo-0.18wt.％B合金零件的制备

将成分为Fe-21.3wt.％Cr-6wt.％Al-13.3wt.％Co-0.67wt.％Ti-13.3wt.％Ni-1.33wt.％Mo-0.24wt.％B的铁基母合金粉和羰基铁粉以质量比为3:1混合均匀备用，其中铁基母合金粉平均粒径为10μm，羰基铁粉的平均粒径为2μm。将混合均匀的粉末与60wt.％PP-20wt.％EVA-20wt.％PW粘结剂以质量比为33:2混合，并在160-180℃下混炼处理2小时表面涂覆均匀粘结剂的混合粉末颗粒。将形状不规则喂料在120℃，120r/min的转速下处理36小时后得到造粒的粉末颗粒。将造粒粉末在激光器功率为48W，铺粉厚度为75μm，扫描速度为1000mm/s的工艺下进行低温打印，得到具有复杂形状的打印坯体。将打印坯体经过脱脂后在1350℃烧结2小时后得到具有复杂形状的B2相强化铁基合金零件。

本发明提出一种制备复杂形状B2相强化铁基合金的方法，其中B2相体积分数高于30％。通过造粒获得由“粉末-粘结剂”组成的细粒径球形喂料颗粒，以球形喂料作为粉末床，采用低功率热源对粉层进行选区扫描，将粉末表面的粘结剂融合，逐层打印后得到三维实体。然后进行脱脂和烧结步骤得到具有复杂形状的B2相强化铁基合金零件。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种制备复杂形状B2相强化铁基合金的零件方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1)将铁基中间合金粉与羰基铁粉混合处理，得到高球形度的整形喂料颗粒；

S2)将S1)得到高球形度的整形喂料颗粒进行低温打印，得到具有复杂形状的打印坯体；

S3)将S2)得到具有复杂形状的打印坯体进行脱脂和烧结，获得具有复杂形状的B2相强化铁基合金零件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1)的具体步骤为：

S1.1)铁基中间合金粉和羰基铁粉均匀混合后得到原料粉末；

S1.2)将S1.1)得到的原料粉末与粘结剂在一定的温度下进行混炼处理，再通过整形处理，得到高球形度的整形喂料颗粒。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1.1)中的铁基中间合金粉与羰基铁粉的质量比为(1-4):1，铁基中间合金粉的平均粒径为5-53μm，羰基铁粉的平均粒径为1.6-10μm。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1.1)中铁基中间合金粉末的平均粒径为10-38μm；

所述铁基中间合金粉的成分为：Cr：10-30wt.％、Al：0.65-16wt.％、Co：6.5-30wt.％、Ni：6.5-30wt.％、Ti：0-4.5wt.％、Mo：0-6wt.％、B:0.1-4wt.％，余量为Fe。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1.1)中所述铁基中间合金粉的成分为：Cr：11-28wt.％、Al：3.75-12wt.％、Co：10-30wt.％、Ni：6.25-30wt.％、Ti：0-3wt.％、Mo：0-4wt.％、B：0.1-3wt.％，余量为Fe。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1.2)中粘结剂添加量与原料粉末的质量比为(0.5-2):33，悬浮式整形处理温度为60-120℃，处理时间为12-48小时。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1.2)中粘结剂与原料粉末的质量比为(0.5-1):33。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2)的具体工艺为：激光器功率为12-48W，铺粉厚度为150-250μm，扫描速度为400-1200mm/s。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3)的具体工艺为：烧结温度为1180-1350℃，保温时间为1-6小时，气氛为真空或者氩气。

10.一种复杂形状B2相强化铁基合金的零件，其特征在于，所述复杂形状B2相强化铁基合金的零件采用如权利要求1-9任意一项所述的方法制备得到。

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