CN114107827B

CN114107827B - 一种3d打印用双相不锈钢粉末及其制备和打印方法

Info

Publication number: CN114107827B
Application number: CN202111492875.4A
Authority: CN
Inventors: 向红亮; 俞荣鑫
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2021-12-08
Filing date: 2021-12-08
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2041-12-08
Also published as: CN114107827A

Abstract

本发明公开了一种3D打印用双相不锈钢粉末及其制备和打印方法。粉末的化学成分按质量百分比分为：C≤0.02%、Si≤0.45%、Mn≤1.0%、S≤0.02%、P≤0.03%、Ni：4.5~6.5%、Cr：21~23%、Mo：2.5~3.5%、N：0.1~0.3%，余下成分为Fe以及不可避免的杂质。本发明的制造工艺包括：采用真空感应炉制备母合金，真空感应熔炼气雾化法制粉，超声波振动筛分粉末，选区激光熔化成形零件。本发明具有粉末纯度高、球形度好，3D打印过程中变形小无开裂，打印成品力学性能好等特点，满足装备制造业，航天航空，海洋工程，汽车工业等相关领域对高品质钢的需求，具有显著的经济和社会效益。

Description

一种3D打印用双相不锈钢粉末及其制备和打印方法

技术领域

本发明属于金属材料及3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印用双相不锈钢粉末及其制备和打印方法。

背景技术

双相不锈钢（Duplex Stainless Steel，DSS）兼具铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，具有良好的综合力学性能和优秀的耐腐蚀性能，广泛运用于石油化工、装备制造业、航天航空、海洋工程、汽车工业等行业。随着工业的高速发展，对高品质双相不锈钢的需求日益增长，开发高品质双相不锈钢在复杂零件上的应用技术已成为时下的研究热点。

选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术是基于计算机系统构建的三维模型，采用激光作为能量源，由下而上逐层累积材料以成形实体零件的工艺过程。其在成形金属零件上具有显著优势，如成形件致密度高，机械性能优异；成形件尺寸精度高，能直接成形复杂精密结构；原料利用率高等优势，已广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。因此，采用选区激光熔化技术成形双相不锈钢为成形高品质双相不锈钢指出了一条新方向，极大推动了双相不锈钢在宽领域、深层次的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印用双相不锈钢粉末及其制备和打印方法，通过母合金设计以及适当的制粉工艺，制备出一种3D打印用双相不锈钢粉末，并通过合理的3D打印工艺成形材料。为实现上述目的，本发明采用如下技术路线：

所述的双相不锈钢粉末的成分及其质量百分比为：C≤0.02%、Si≤0.45%、Mn≤1.0%、S≤0.02%、P≤0.03%、Ni：4.5~6.5%、Cr：21~23%、Mo：2.5~3.5%、N：0.1~0.3%，其余为Fe以及不可避免杂质。

下面，对本发明的3D打印用双相不锈钢粉末的化学成分作用作详细叙述：

C：C元素具有提高双相不锈钢强度以及扩大奥氏体相区的作用，但对双相不锈钢的塑韧性以及耐蚀性有不利影响。因此，碳含量应控制在0.02%以下。

Si：Si元素具有提高双相不锈钢耐蚀性的作用，但过高的Si含量会使钢加快析出有害相如σ相，导致材料使用性能下降。因此，硅含量应控制在0.45%以下。

Mn：Mn元素具有稳定奥氏体相和改善双相不锈钢热塑性的作用，能部分代替Ni元素，从而降低生产成本，但过高的Ni含量会促进σ等有害相形成并损害钢的耐蚀性。因此，锰含量应控制在1.0%以下。

S和P：S元素和P元素会显著降低双相不锈钢的塑韧性和焊接性能。因此，硫含量和磷含量应分别控制在0.02%以及0.03%以下。

Ni：Ni元素具有强促进奥氏体形成的作用，对于维持双相不锈钢的相平衡有重要作用，但市场上镍的价格较高。综合考虑，镍含量应控制在4.5~6.5%。

Cr和Mo：Cr元素和Mo元素都具有稳定铁素体相和改善双相不锈钢耐蚀性的作用，但两者含量过高时会使双相不锈钢中脆性相析出增多，影响钢的使用性能。综合考虑，铬含量应该控制在21~23%，钼含量应该控制在2.5~3.5%。

N：N元素具有强稳定奥氏体的作用，可部分替代Ni，进一步降低双相不锈钢的生产成本。因此，氮含量应该控制在0.1~0.3%

所述的3D打印用双相不锈钢粉末为球形粉末状，其粒径分布在10~53μm，氧含量低于600ppm。

本发明所涉及的3D打印用双相不锈钢粉末的制备方法如下：

步骤一：母合金制备。母合金成分及其质量百分比为C≤0.02%、Si≤0.45%、Mn≤1.0%、S≤0.02%、P≤0.03%、Ni：4.5~6.5%、Cr：21~23%、Mo：2.5~3.5%、N：0.1~0.3%，其余为Fe以及不可避免杂质。根据上述成分配料，原料加入真空感应炉熔炼，熔炼后真空下浇铸得到母合金，之后切除母合金头尾的缺陷部位，并对合金棒料进行抛丸清理；

步骤二：真空熔炼气雾化制粉。将母合金放入熔炼坩埚后，对熔炼室进行抽真空，当压力降至1Pa以下时，再缓慢通入纯度在99.99%以上的氩气直至室内压力恢复，对粉末母合金进行感应加热，加热温度至1600~1650℃，待粉末母合金完全熔化后，将熔化金属液倒入漏包，进行超音速气雾化制粉：雾化介质为纯度在99.99%以上的氩气，雾化压力为5~6MPa，雾化金属粉末在冷却室中冷却，并收集于集粉罐中；

步骤三：粉末筛分与收集。粉末采用超声波振动筛分机进行筛分，保护气为氩气，筛分的粉末粒度区间为10~53μm。

本发明所涉及的3D打印用双相不锈钢粉末的成形方法如下：本发明采用选区激光熔化技术成形材料。其工艺参数如下：扫描策略采用蛇形扫描且层间转角为90°，激光功率为90~100W，扫描速度为700~800mm/s，扫描间距为90~100μm，铺粉厚度为20~30μm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：粉末纯度高、球形度好，3D打印过程中变形小无开裂，打印成品力学性能好等特点，满足装备制造业，航天航空，海洋工程，汽车工业等相关领域对高品质钢的需求，具备显著的经济和社会效益。

附图说明

图1为实施例1双相不锈钢粉末宏观形貌图，显示粉末表面特征。

图2为实施例1双相不锈钢SLM打印件OM图，显示打印件组织特征。

图3为实施例2双相不锈钢粉末宏观形貌图，显示粉末表面特征。

图4为实施例2双相不锈钢SLM打印件OM图，显示打印件组织特征。

图5为拉伸试样尺寸图，显示拉伸试样尺寸。

具体实施方式

为使本发明所述的内容更易于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但不限制本发明的范围。

实施例：

一种3D打印用双相不锈钢粉末制备及打印方法，其具体步骤如下：

步骤一：母合金制备。母合金成分及其质量百分比为C≤0.02%、Si≤0.45%、Mn≤1.0%、S≤0.02%、P≤0.03%、Ni：4.5~6.5%、Cr：21~23%、Mo：2.5~3.5%、N：0.1~0.3%，其余为Fe以及不可避免杂质。根据上述成分配料，原料加入真空感应炉熔炼，熔炼后真空下浇铸得到母合金，母合金实际成分及其质量百分比如表1所示。切除母合金头尾的缺陷部位，并对母合金棒料进行抛丸清理；

步骤二：真空熔炼气雾化制粉。将母合金放入熔炼坩埚后，对熔炼室进行抽真空，当压力降至1Pa以下时，再缓慢通入纯度在99.99%以上的氩气直至室内压力恢复，对母合金进行感应加热，加热温度至1600~1650℃，待母合金完全熔化后，将熔化金属液倒入漏包，进行超音速气雾化制粉：雾化介质为纯度在99.99%以上的氩气，雾化压力为5~6MPa，雾化金属粉末在冷却室中冷却，并收集于集粉罐中；

步骤三：粉末筛分与收集。粉末采用超声波振动筛分机进行筛分，保护气为氩气，筛分的粉末粒度区间为10~53μm。粉末化学成分及其质量百分比如表2所示。粉末粒度分布如表3所示。

步骤四：零件打印。采用选区激光熔化技术打印粉末，其工艺参数如下：扫描策略为蛇形扫描且层间转角为90°，激光功率为95W，扫描速度为700mm/s，扫描间距为100μm，铺粉厚度为25μm。直接打印成形硬度试样与拉伸试样：硬度试样尺寸为10mm×10mm×12mm，拉伸试样依据GB/T228.1-2010制备，尺寸如图5所示。

步骤五：热处理。采用线切割将零件从基板中切割下来，在1000℃下固溶两小时后水冷。

采用万能拉伸试验机，对标准拉伸试样进行抗拉强度测试。采用洛氏硬度计对硬度试样进行HRC硬度测试。测试结果如表4所示。为方便比较本发明力学性能特点，在表4中列出00Cr22Ni5Mo3N钢的室温力学性能，其材料标准为棒材GB 1220-2007。

对比例1：

一种商用316L不锈钢粉末打印方法。

零件打印：采用选区激光熔化技术打印粉末，其工艺参数如下：激光功率为255W，扫描速度为1083mm/s，扫描间距为100μm，铺粉厚度为25μm。在基板上打印成形出标准拉伸试样(20 mm×2.2 mm×2.1 mm)，拉伸测试在力学性能试验机（岛津 AG-100NX）上进行。

对比例2：

一种3D打印用奥氏体不锈钢粉末制备及打印方法，其具体步骤如下：

步骤一：粉末制备。奥氏体不锈钢成分及其质量百分比为C≤0.03%、Si：0.3~0.65%、Mn：1.8~2.5%、S≤0.015%、P≤0.028%、Ni：11~14%、Cr：16~18%、Mo：3~4%、Cu≤0.75%、V：0.3~0.7%，其余为Fe以及不可避免杂质。根据上述成分配料，原料加入熔炼炉中进行熔炼，采用气雾化技术制成不锈钢粉末。筛分粉末，选取粒度区间为15~53μm的粉末用于3D打印；

步骤二：零件打印。采用选区激光熔化技术打印粉末，其工艺参数如下：光斑直径为180μm，扫描策略为岛状扫描，激光功率为100W，扫描速度为370mm/s，扫描间距为120μm。在基板上打印成形出一个尺寸为10×10×10cm的块体试样。根据国家标准，将块体切割成标准拉伸试样，并进行拉伸性能实验。

表1实施例及对比例母合金成分及其质量百分比(wt.%)，余量为Fe

表2实施例及对比例粉末成分及其质量百分比（wt.%)，余量为Fe

表3实施例粉末粒度分布

表4实施例及对比例打印件力学性能

由表4可见，本发明利用选区激光熔化成形技术制备的双相不锈钢打印件力学性能优异，硬度、抗拉强度、屈服强度、延伸率均显著优于传统00Cr22Ni5Mo3N钢。其原因主要有以下两点：细晶强化和位错强化。选区激光熔化成形时，较高的冷却速率使晶粒得到了细化，晶粒细化不仅提高了合金的强度，同时也使其具有良好的塑性。此外，高密度的位错会阻碍位错运动，进一步提高材料的拉伸性能。而相较于对比例1及对比例2，本发明从组分上减少了Ni含量。在保证产品力学性能前提下，有效降低了生产成本，提高了经济效益。

综上，本发明具有粉末纯度高、球形度好，打印件力学性能优秀等特点，适用于装备制造业，航空航天，海洋工程汽车工业等相关领域对高品质钢的需求，具备显著的经济和社会效益。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种3D打印用双相不锈钢粉末的打印方法，其特征在于，所述的3D打印用双相不锈钢粉末的成分及其质量百分比为：C≤0.02%、Si≤0.45%、Mn≤1.0%、S≤0.02%、P≤0.03%、Ni：4.5~6.5%、Cr：21~23%、Mo：2.5~3.5%、N：0.1~0.3%，其余为Fe以及不可避免杂质；

所述的3D打印用双相不锈钢粉末为球形粉末状，其粒径分布在10~53μm，氧含量低于600ppm；

所述的3D打印用双相不锈钢粉末的制备方法，该方法按照下述步骤进行：

步骤一：母合金制备：母合金成分及其质量百分比为C≤0.02%、Si≤0.45%、Mn≤1.0%、S≤0.02%、P≤0.03%、Ni：4.5~6.5%、Cr：21~23%、Mo：2.5~3.5%、N：0.1~0.3%，其余为Fe以及不可避免杂质，根据上述成分配料，原料加入真空感应炉熔炼，熔炼后在真空下浇铸得到母合金，之后将母合金切除头尾的缺陷部位，并对合金棒料进行抛丸清理；

步骤二：真空熔炼气雾化法制粉：采用真空熔炼气雾化法将母合金制成3D打印用双相不锈钢粉末，熔炼温度为1600~1650℃，雾化设备为超音速雾化器，雾化压力为5~6MPa，雾化介质为氩气，雾化粉末冷却后落入集粉罐中；

步骤三：粉末筛分与收集：粉末采用超声波振动筛分机进行筛分，保护气为氩气，筛分的粉末粒度区间为10~53μm；

所述的3D打印用双相不锈钢粉末采用选区激光熔化技术打印；

选区激光熔化技术工艺中，打印设备的成形室采用氩气保护且氧含量小于0.1%；

选区激光熔化技术工艺中，扫描策略采用蛇形扫描且层间转角为90°，激光功率为90~100W，扫描速度为700~800mm/s，扫描间距为90~100μm，铺粉厚度为20~30μm。