CN114131047A - 一种梯度不锈钢材料及其激光近净成型制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种梯度不锈钢材料及其激光近净成型制造方法，制造方法包括如下步骤：通过主控制器将待成型件的三维模型转化为激光近净成型的加工路径与金属粉料熔化堆积模型，设定各梯度层组分配比、设定激光功率以及通过双粉筒同轴送粉方式输送至成型位置的金属粉料的送粉率，确定激光近净成型加工路径上的加工参数，其中，金属粉料分别为马氏体不锈钢粉料和奥氏体不锈钢粉料；对基材进行预处理；惰性气体保护下，在基材表面连续逐层激光扫描熔化金属粉料，经过多层扫描熔化沉积形成梯度不锈钢材料。本发明以马氏体不锈钢作为主要强度来源，奥氏体不锈钢作为韧性来源，通过激光近净成型技术制备出兼具高强度和高韧性的不锈钢梯度材料。

Description

一种梯度不锈钢材料及其激光近净成型制造方法
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，具体而言，涉及一种梯度不锈钢材料及其激光近净成型制造方法。
背景技术
增材制造技术在过去十年中已被广泛用于制造具有复杂设计的金属部件，与传统制造技术相比，增材制造实现了逐层沉积策略，在制造近净成型产品时可以保证更高的精度，制造传统加工路线无法实现的非常复杂的几何形状组件。激光近净成型技术(LaserEngineered Net Shaping，LENS)作为金属增材制造的关键技术，根据零件形体采用三维软件构建CAD模型，在没有模具的情况下最终获得所需的构件，实现快速、全致密近净成形。
马氏体不锈钢具有高强度和高硬度的特点，表现出硬而脆的特性，常用于外科手术器械、机器部件等要求较高的应用领域。然而全固溶马氏体碳含量越高，固溶强化效果越好，但韧性呈现下降趋势，加工性和焊接性将严重降低。也就是说，市面现有的钢结构成分主要是以铁素体基体中分散渗碳体颗粒，该结构并不能同时满足装备制造业等高强度以及高韧性的相关要求。
因此，如何利用激光近净成型技术开发兼具高强度和高韧性的马氏体不锈钢/奥氏体不锈钢材料，是目前极有价值的研究课题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种梯度不锈钢材料及其激光近净成型制造方法，以解决现有马氏体不锈钢材料高脆性和低韧性的缺陷问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种梯度不锈钢材料激光近净成型制造方法，包括如下步骤：
S1、通过主控制器将待成型件的三维模型转化为激光近净成型的加工路径与金属粉料熔化堆积模型，设定各梯度层组分配比、设定激光功率以及通过双粉筒同轴送粉方式输送至成型位置的所述金属粉料的送粉率，确定激光近净成型加工路径上的加工参数，其中，所述金属粉料分别为马氏体不锈钢粉料和奥氏体不锈钢粉料；
S2、对基材进行预处理；
S3、惰性气体保护下，在所述基材表面连续逐层激光扫描熔化所述金属粉料，经过多层扫描熔化沉积形成梯度不锈钢材料。
在上述技术方案中，可选地，步骤S1中，所述激光功率为200-400W，所述送粉率为0-10g/min，所述梯度层厚度为0.1-0.5mm，所述加工参数包括扫描速度为500-1200mm/min、扫描宽度为0.1-1mm。
在上述技术方案中，可选地，所述马氏体不锈钢粉料的型号包括431、420、414和410中的至少一种，所述奥氏体不锈钢粉料的型号包括304、321、316和310中的至少一种。
在上述技术方案中，可选地，步骤S1中，所述设定各梯度层组分配比包括：延所述基材向外表面方向，各所述梯度层中所述马氏体不锈钢粉料的占比逐渐降低、所述奥氏体不锈钢粉料的占比逐渐增加。
在上述技术方案中，可选地，与所述基材相邻的梯度层中所述马氏体不锈钢粉料的占比为100％。
在上述技术方案中，可选地，所述梯度不锈钢材料外表面梯度层中所述奥氏体不锈钢粉料占比为100％。
在上述技术方案中，可选地，延所述基材向外表面方向，相邻梯度层中所述马氏体不锈钢粉料的占比差值为1-30％。
在上述技术方案中，可选地，步骤S2中，所述对基材进行预处理包括将所述基材的表面进行打磨、除锈去油后，用酒精清洗备用。
在上述技术方案中，可选地，步骤S3中，所述惰性气体为氩气，制造体系的氧气浓度小于或等于1000ppm。
本发明第二目的在于提供一种梯度不锈钢材料，采用如上述所述的梯度不锈钢材料激光近净成型制造方法制造。
相对于现有技术，本发明提供的不锈钢梯度材料材料及其制造方法与应用具有以下优势：
(1)本发明采用激光近净成型技术制备马氏体/奥氏体不锈钢梯度材料，与铸造或化学气相沉积等传统制造技术相比，激光近净成型技术能够实现金属零件的无模制造，节约成本，缩短生产周期；同时激光近净成型技术是无需后处理的金属直接成型方法，成型得到的零件组织致密，力学性能高，并可实现非均质和梯度材料零件的制造。
(2)本发明制备不锈钢梯度材料，组分结构和物性参数都呈现连续变化，可提高界面区域材料的强度，并且同一材料的两侧具有不同的性质和功能，因此这一特性使梯度材料具有在某些恶劣条件下正常和重复工作的潜在优势。
(3)本发明采用高强度的马氏体不锈钢和可塑性强的奥氏体不锈钢作为梯度材料的原料，使不锈钢梯度材料整体的韧性增加，最终制备出具有高强度和高韧性的马氏体不锈钢/奥氏体不锈钢梯度材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一些简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所述不锈钢梯度材料结构示意图；
图2为本发明实施例1-4所述不锈钢梯度材料的真应力-应变曲线图；
图3为本发明实施例1-4所述不锈钢梯度材料的拉伸断口形貌扫描图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
应当说明的是，在本申请实施例的描述中，术语“一些具体实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本实施例所述的“在...范围内”包括两端的端值，如“在1至100范围内”，包括1与100两端数值。
不锈钢因价格便宜并具有较高的强度和硬度，在工模具等工业生产领域有十分广泛的应用。然而，高的含碳量往往导致其固有塑性变形能力及韧性较差，无法通过大变形冷加工等工艺将其制造成复杂形状构件。与传统加工技术相比，激光近净成型技术充分利用了同轴送粉和在线成型两种方法的优势，通过熔化已输送到基材表面的金属粉末，来逐层堆积以制造致密度和强度均较高的金属的零部件，可有效实现金属材料的成型。
功能梯度材料的微观结构和化学成分是由材料从一个部分到另一个部分的一个或多个维度的渐进变化定义的，并导致性能的受控变化。这一特性使功能梯度材料具有在某些恶劣条件下正常和重复工作的潜在优势，而这通常是铸造或化学气相沉积等传统制造技术无法获得的。然而，目前关于利用激光近净成型技术，调控两种粉料的配比来制备梯度不锈钢材料的研究还较少。
梯度结构是一种成分、组织或相逐渐向另一成分、组织或相过渡的结构。这种结构不仅能有效避免尺寸突变引起的性能突变，还能使材料具有不同特征尺寸的结构相互协调，使材料的整体性能和使役性能得到极大优化和提升，具有良好的韧性、耐磨性、耐腐蚀性、高疲劳强度等性能。
为解决上述问题，本发明实施例提供了一种梯度不锈钢材料激光近净成型制造方法，包括如下步骤：
S1、通过主控制器将待成型件的三维模型转化为激光近净成型的加工路径与金属粉料熔化堆积模型，设定各梯度层组分配比、设定激光功率以及通过双粉筒同轴送粉方式输送至成型位置的金属粉料的送粉率，确定激光近净成型加工路径上的加工参数，其中，金属粉料分别为马氏体不锈钢粉料和奥氏体不锈钢粉料；
S2、对基材进行预处理；
S3、惰性气体保护下，在基材表面连续逐层激光扫描熔化金属粉料，经过多层扫描熔化沉积形成梯度不锈钢材料。
本发明实施例采用激光近净成型技术制备马氏体/奥氏体梯度不锈钢材料，与铸造或化学气相沉积等传统制造技术相比，激光近净成型技术能够实现金属零件的无模制造，节约成本，缩短生产周期；同时激光近净成型技术是无需后处理的金属直接成型方法，成型得到的零件组织致密，力学性能很高，并可实现非均质和梯度材料零件的制造。
在上述技术方案中，具体地，步骤S1中，激光功率为200-400W，送粉率为0-10g/min，梯度层厚度为0.1-0.5mm，加工参数包括扫描速度为500-1200mm/min、扫描宽度为0.1-2mm。
马氏体不锈钢粉料的型号包括431、420、414和410中的至少一种，具有较高的硬度，为梯度不锈钢材料的强度来源。奥氏体不锈钢粉料的型号包括304、321、316和310中的至少一种，为在常温下具有奥氏体组织的不锈钢，强度较低，具有高韧性和塑性。
其中，金属粉料的粒径尺度均为微米级。
结合图1所示，步骤S1中所述设定各梯度层组分配比包括：延基材向外表面方向，各梯度层中马氏体不锈钢粉料的占比逐渐降低、奥氏体不锈钢粉料的占比逐渐增加。
本发明实施例采用高强度的马氏体不锈钢和可塑性强的奥氏体不锈钢作为梯度材料的原料，马氏体不锈钢为整个梯度材料的主要强度来源，而可塑性强的奥氏体相则在组织变形过程中发生相变诱导塑性效应，从而使功能梯度材料整体的韧性增加，最终制备出兼具高强度和高韧性的梯度不锈钢材料。
优选地，与基材相邻的梯度层中马氏体不锈钢粉料的占比为100％。
进一步地，梯度不锈钢材料外表面梯度层中奥氏体不锈钢粉料占比为100％。
进一步地，延基材向外表面方向，相邻梯度层中马氏体不锈钢粉料的占比差值为1-30％。
进一步地，延基材向外表面方向，相邻梯度层中奥氏体不锈钢粉料的占比差值为1-30％。
例如，如图1所示，以5个梯度层为例，至下而上包括不锈钢基板、100％马氏体不锈钢粉料、75％马氏+25％奥氏、50％马氏+50％奥氏、25％马氏+75％奥氏、100％奥氏不锈钢粉料。当然，也可以为其它配比，具体可根据实际需求设定，双金属的打印通过双粉筒同时送粉，可以做到粉末配比的精确调控。
具体的，步骤S2中，对基材进行预处理包括将基材的表面进行打磨、除锈去油后，用酒精清洗备用。其中，基材为低合金不锈钢基板。
具体地，步骤S3中，惰性气体为氩气，制造体系的氧气浓度小于或等于1000ppm。
本发明另一实施例提供了一种梯度不锈钢材料，采用如上述所述的梯度不锈钢材料激光近净成型制造方法制造。
本发明实施例提供的梯度不锈钢材料，组分结构和物性参数都呈现连续变化，可提高界面区域材料的强度，并且同一材料的两侧具有不同的性质和功能，这一特性使梯度材料具有在某些恶劣条件下正常和重复工作的潜在优势。
在上述实施方式的基础上，本发明给出如下梯度不锈钢材料激光近净成型制造方法的具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按质量计算。
实施例1
本实施例提供了一种梯度不锈钢材料激光近净成型制造方法，包括如下步骤：
1)使用400W光纤激光器LENS150系统，将梯度不锈钢材料三维模型导入LENS操作系统中。为了避免氧化和促进沉积，使用惰性气体氩气为保护气体填充在系统舱中，使氧气浓度水平保持在1000ppm以下。
将420马氏体不锈钢粉末和304奥氏体不锈钢粉末分别装入原料粉筒中，根据设计的梯度材料的各层组分配比，采用双粉筒同时送粉进行粉末混合，设定100％马氏体不锈钢沉积层激光功率为335W，扫描速率为800mm/min，层厚为0.25mm，扫描宽度为0.1mm；马氏体不锈钢/奥氏体不锈钢梯度层沉积层激光功率为325W，扫描速率为850mm/min，层厚为0.25mm，扫描宽度为0.1mm；设定100％奥氏体不锈钢沉积层激光功率为315W，扫描速率为950mm/min，层厚为0.25mm，扫描宽度为0.1mm；设定马氏体不锈钢粉筒送粉速率为0-5.5g/min，设定奥氏体不锈钢粉筒送粉速率为0-5g/min。
2)样品沉积在打磨好的不锈钢基板上，按照加工轨迹，不锈钢粉末逐层沉积，沿着样品的构建方向，马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢的含量呈现梯度式的变化，最终得到尺寸为48mm×20mm×20mm的方形块体结构梯度不锈钢材料。
上述制造方法中，100％420马氏体不锈钢沉积60层，马氏体不锈钢/奥氏体不锈钢梯度区域共沉积72层，每个梯度层沉积24层，100％304奥氏体不锈钢沉积60层，沉积层高度为0.2mm，相邻梯度区域马氏体不锈钢质量百分比降低25％，奥氏体不锈钢质量百分比增加25％。
经测试，实施例1制得的梯度不锈钢材料的抗拉强度为615MPa、延伸率为19％。
实施例2
本实施例提供了一种梯度不锈钢材料激光近净成型制造方法，与实施例1的区别在于：
步骤1)中，将420马氏体不锈钢粉末和321奥氏体不锈钢粉末分别装入原料粉筒中，根据设计的梯度材料的各层组分配比，采用双粉筒同时送粉进行粉末混合；设定100％马氏体不锈钢沉积层激光功率为335W，扫描速率为800mm/min，层厚为0.3mm，扫描宽度为0.15mm；马氏体不锈钢/奥氏体不锈钢梯度层沉积层激光功率为330W，扫描速率为850mm/min，层厚为0.25mm，扫描宽度为0.2mm；设定100％奥氏体不锈钢沉积层激光功率为325W，扫描速率为950mm/min，层厚为0.25mm，扫描宽度为0.1mm。设定马氏体不锈钢粉筒送粉速率为0-4.5g/min，设定奥氏体不锈钢粉筒送粉速率为0-3.5g/min；
其余步骤和参数与实施例1相同。
上述制造方法中，100％420马氏体不锈钢沉积60层，马氏体不锈钢/奥氏体不锈钢梯度区域共沉积72层，每个梯度层沉积24层，100％321奥氏体不锈钢沉积60层，沉积层高度为0.2mm，相邻梯度区域马氏体不锈钢质量百分比降低25％，奥氏体不锈钢质量百分比增加25％。
经测试，实施例2制得的梯度不锈钢材料的抗拉强度为568MPa、延伸率为21％。
实施例3
本实施例提供了一种梯度不锈钢材料激光近净成型制造方法，与实施例1的区别在于：
步骤1)中，将414马氏体不锈钢粉末和304奥氏体不锈钢粉末分别装入原料粉筒中，根据设计的功能梯度材料的各层组分配比，采用双粉筒同时送粉进行粉末混合，设定100％马氏体不锈钢沉积层激光功率为330W，扫描速率为800mm/min，层厚为0.25mm，扫描宽度为0.1mm；马氏体不锈钢/奥氏体不锈钢梯度层沉积层激光功率为325W，扫描速率为850mm/min，层厚为0.25mm，扫描宽度为0.1mm；设定100％奥氏体不锈钢沉积层激光功率为315W，扫描速率为950mm/min，层厚为0.25mm，扫描宽度为0.1mm。设定马氏体不锈钢粉筒送粉速率为0-5.5g/min，设定奥氏体不锈钢粉筒送粉速率为0-5g/min；
其余步骤和参数与实施例1相同。
上述制造方法中，100％414马氏体不锈钢沉积60层，马氏体不锈钢/奥氏体不锈钢梯度区域共沉积72层，每个梯度层沉积24层，100％304奥氏体不锈钢沉积60层，沉积层高度为0.2mm，相邻梯度区域马氏体不锈钢质量百分比降低25％，奥氏体不锈钢质量百分比增加25％。
经测试，实施例3制得的梯度不锈钢材料的抗拉强度为545MPa、延伸率为22％。
实施例4
本实施例提供了一种梯度不锈钢材料激光近净成型制造方法，与实施例1的区别在于：
步骤1)中，将414马氏体不锈钢粉末和321奥氏体不锈钢粉末分别装入原料粉筒中，根据设计的梯度材料的各层组分配比，采用双粉筒同时送粉进行粉末混合，设定100％马氏体不锈钢沉积层激光功率为330W，扫描速率为800mm/min，层厚为0.25mm，扫描宽度为0.1mm；马氏体不锈钢/奥氏体不锈钢梯度层沉积层激光功率为325W，扫描速率为850mm/min，层厚为0.25mm，扫描宽度为0.1mm；设定100％奥氏体不锈钢沉积层激光功率为325W，扫描速率为950mm/min，层厚为0.25mm，扫描宽度为0.1mm。设定马氏体不锈钢粉筒送粉速率为0-5.5g/min，设定奥氏体不锈钢粉筒送粉速率为0-5g/min；
其余步骤和参数与实施例1相同。
上述制造方法中，100％414马氏体不锈钢沉积60层，马氏体不锈钢/奥氏体不锈钢梯度区域共沉积72层，每个梯度层沉积24层，100％321奥氏体不锈钢沉积60层，沉积层高度为0.2mm，相邻梯度区域马氏体不锈钢质量百分比降低25％，奥氏体不锈钢质量百分比增加25％。
经测试，实施例4制得的梯度不锈钢材料的抗拉强度为530MPa、延伸率为24％。
对实施例1-4制备的梯度不锈钢材料进行性能和结构测试，得到如图2-3所示的结果图。
图2为实施例1-4所述不锈钢梯度材料的真应力-应变曲线图，从图2可以看出，实施例1-4所制得的梯度不锈钢材料抗拉强度均大于530MPa，延伸率均大于19％。
图3为实施例1-4所述不锈钢梯度材料的拉伸断口形貌扫描图，从图3可以看出，实施例1-4的断口形貌均展现出杯状韧窝的典型特征，表明实施例1-4的断裂形式均为塑性断裂。
实施例5
本实施例提供了一种梯度不锈钢材料激光近净成型制造方法，与实施例1的区别在于：
所述制造方法中，100％420马氏体不锈钢沉积51层，马氏体不锈钢/奥氏体不锈钢梯度区域共沉积90层，每个梯度层沉积10层，100％304奥氏体不锈钢沉积51层，沉积层高度为0.2mm，相邻梯度区域马氏体不锈钢质量百分比降低10％，奥氏体不锈钢质量百分比增加10％；
其余步骤和参数与实施例1相同。
经测试，实施例5制得的梯度不锈钢材料的抗拉强度为602MPa、延伸率为17％。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种梯度不锈钢材料激光近净成型制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过主控制器将待成型件的三维模型转化为激光近净成型的加工路径与金属粉料熔化堆积模型，设定各梯度层组分配比、设定激光功率以及通过双粉筒同轴送粉方式输送至成型位置的所述金属粉料的送粉率，确定激光近净成型加工路径上的加工参数，其中，所述金属粉料分别为马氏体不锈钢粉料和奥氏体不锈钢粉料；
S2、对基材进行预处理；
S3、惰性气体保护下，在所述基材表面连续逐层激光扫描熔化所述金属粉料，经过多层扫描熔化沉积形成梯度不锈钢材料。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤S1中，所述激光功率为200-400W，所述送粉率为0-10g/min，所述梯度层厚度为0.1-0.5mm，所述加工参数包括扫描速度为500-1200mm/min、扫描宽度为0.1-1mm。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述马氏体不锈钢粉料的型号包括431、420、414和410中的至少一种，所述奥氏体不锈钢粉料的型号包括304、321、316和310中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤S1中，所述设定各梯度层组分配比包括：延所述基材向外表面方向，各所述梯度层中所述马氏体不锈钢粉料的占比逐渐降低、所述奥氏体不锈钢粉料的占比逐渐增加。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，与所述基材相邻的梯度层中所述马氏体不锈钢粉料的占比为100％。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述梯度不锈钢材料外表面梯度层中所述奥氏体不锈钢粉料占比为100％。
7.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，延所述基材向外表面方向，相邻梯度层中所述马氏体不锈钢粉料的占比差值为1-30％。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的制造方法，其特征在于，步骤S2中，所述对基材进行预处理包括将所述基材的表面进行打磨、除锈去油后，用酒精清洗备用。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，步骤S3中，所述惰性气体为氩气，制造体系的氧气浓度小于或等于1000ppm。
10.一种梯度不锈钢材料，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的梯度不锈钢材料激光近净成型制造方法制造。
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