CN114226708B - 用于3d打印的钢粉末及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于3D打印的钢粉末，其按重量百分比计包括以下组分：Mn 0.2‑1.5％，Ni 5‑10％，Cr 12‑20％，C≤0.1％，Si≤1％，P≤0.05％，S≤0.03％，Al 0.5‑2％，W 0‑3％，Nb 0.01‑0.3％，余量为Fe。本发明还公开了一种该钢粉末的制备方法，一种基于该钢粉末的3D打印方法及一种由该粉末打印得到的钢构件。实施本发明，可得到抗拉强度≥1500MPa，常温延伸率≥28％；在600℃，应力为200MPa条件下持久断裂时间≥50h，断后延伸率≥15％，断面收缩率≥80％的钢构件。

Description

用于3D打印的钢粉末及其制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种用于3D打印的钢粉末及其制备方法。
背景技术
金属领域的增材制造（俗称3D打印）一般是将金属粉末通过熔融、烧结等方式进行逐层堆积，然后冷却得到构件。这种制造方式可实现复杂构件的制造，也可以形成具有梯度的功能构件，在高端材料领域具有极大的应用前景。但现有的用于增材制造的钢粉末，在激光熔化过程中由于温度梯度等的因素，导致界面结合差，难以形成梯度稳定、连续的功能构件，进而影响了钢构件的强度和抗蠕变能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于3D打印的钢粉末，其打印得到的钢构件的强度高，抗蠕变能力强。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种用于3D打印的钢粉末的制备方法。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种3D打印方法。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种钢构件。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于3D打印的钢粉末，其按重量百分比计包括以下组分：
Mn 0.2-1.5%，Ni 5-10%，Cr 12-20%，C≤0.1%，Si≤1%，P≤0.05%，S≤0.03%，Al0.5-2%，W 0-3%，Nb 0.01-0.3%，余量为Fe。
作为上述技术方案的改进，按重量百分比计包括以下组分：
Mn 0.2-0.5%，Ni 5-7%，Cr 16.5-20%，C≤0.1%，Si≤1%，P≤0.035%，S≤0.03%，Al1.4-1.8%，W 1.2-2.5%，Nb 0.1-0.25%，余量为Fe。
作为上述技术方案的改进，按重量百分比计包括以下组分：
Mn 1.0-1.5%，Ni 7.5-10%，Cr 12-16%，C≤0.1%，Si≤1%，P≤0.035%，S≤0.03%，Al0.5-1%，W 0-0.5%，Nb 0.2-0.3%，余量为Fe。
相应的，本申请还公开了一种上述的用于3D打印的钢粉末的制备方法，其包括：
（1）按组分配比称量原料，真空熔炼得到合金液；
（2）将所述合金液通过预设气体雾化制粉，得到用于3D打印的钢粉末成品。
作为上述技术方案的改进，第一钢粉末的制备方法包括：
（1）按组分配比称量原料，在1300-1400℃下真空熔炼得到合金液；
其中，原料配比为：Mn 0.2-0.5%，Ni 5-7%，Cr 16.5-20%，C≤0.1%，Si≤1%，P≤0.035%，S≤0.03%，Al 1.4-1.8%，W 1.2-2.5%，Nb 0.1-0.25%，余量为Fe；
（2）将所述合金液在通过氩气雾化，即得到用于3D打印的钢粉末成品，其中雾化压力为2-5MPa。
作为上述技术方案的改进，第二钢粉末的制备方法包括：
（1）按组分配比称量原料，在1200-1300℃下真空熔炼得到合金液；
其中，原料配比为：Mn 1.0-1.5%，Ni 7.5-10%，Cr 12-16%，C≤0.1%，Si≤1%，P≤0.035%，S≤0.03%，Al 0.5-1%，W 0-0.5%，Nb 0.2-0.3%，余量为Fe；
（2）将所述合金液在通过氮气雾化，即得到用于3D打印的钢粉末成品，其中雾化压力为2-5MPa。
相应的，本发明还公开了一种3D打印方法，其采用上述的制备方法制备而得的钢粉末进行打印，所述钢粉末的粒径为30-50μm。
作为上述技术方案的改进，包括：
（1）提供基板；
（2）采用热源熔化第一钢粉末，在所述基板上堆积钢构件的底层；
（3）将第一钢粉末与第二钢粉末混合，得到混合粉末；采用热源熔化所述混合粉末，在所述底层上堆积第一过渡层；
（4）采用热源熔化第二钢粉末，在所述第一过渡层上堆积钢构件的芯体；
（5）采用热源熔化所述混合粉末，在所述芯体外周堆积形成包裹所述芯体的第二过渡层；
（6）采用热源熔化第一钢粉末，在所述第二过渡层外周形成包裹第二过渡层的面层。
作为上述技术方案的改进，采用激光粉末床进行3D打印，激光功率为500-1200W，激光扫描速度为500-1000mm/s，沉积层厚为20-100μm，打印过程中采用氩气气氛保护。
相应的，本发明还公开了一种钢构件，其由上述的打印方法打印而得。
实施本发明，具有以下有益效果：
1. 本发明中的用于3D打印的钢粉末，其组分配比为：Mn 0.2-1.5%，Ni 5-10%，Cr12-20%，C≤0.1%，Si≤1%，P≤0.05%，S≤0.03%，Al 0.5-2%，W 0-3%，Nb 0.01-0.3%，余量为Fe。基于以上组分的钢粉末，在打印后得到样品的抗拉强度≥1500MPa，常温延伸率≥28%；在600℃，应力为200MPa条件下持久断裂时间≥50h，断后延伸率≥15%，断面收缩率≥80%。
2. 本发明采用氮气雾化的钢粉末形成钢构件的芯体，其主要为奥氏体组织；采用氩气雾化的钢粉末形成钢构件的外表层，其主要为马氏体组织；在外表层与芯体之间采用两者的混合粉末。进而形成了具有良好界面结合的，高强度、高抗蠕变能力的钢构件，该钢构件呈外硬内软的梯度结构，其在600℃，应力为200MPa条件下断后延伸率≥20%，断面收缩率≥90%。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述。
本发明公开了一种用于3D打印的钢粉末，其按重量百分比计包括以下组分：
Mn 0.2-1.5%，Ni 5-10%，Cr 12-20%，C≤0.1%，Si≤1%，P≤0.05%，S≤0.03%，Al0.5-2%，W 0-3%，Nb 0.01-0.3%，余量为Fe。
其中，Mn可提升钢的热加工性能，减少3D打印过程中熔池温度梯度与压力梯度的不利影响。Mn的含量为0.2-1.5%，示例性的为0.3%、0.4%、0.7%、1.2%或1.3%，但不限于此。
其中，Ni可提升钢的韧性和耐热能力。Ni的含量为5-10%，示例性的为5.5%、6.5%、7.5%、8.5%或9%，但不限于此。
其中，Cr可显著提升合金的强度、硬度、抗氧化性和耐腐蚀性。Cr的含量为12-20%，示例性的为13%、14%、15%、16%、17%、18%或19%，但不限于此。
其中， C可提升钢的强度，但会降低塑性。为此，控制其含量为≤0.1%，示例性的为0.02%、0.04%、0.05%、0.06%或0.08%，但不限于此。
其中，Si可与W、Cr等结合，提升抗腐蚀性能。具体的， Si的含量≤1%，优选的为0.05%-0.8%，示例性的为0.08%、0.1%、0.2%、0.4%、0.5%、0.7%或0.75%，但不限于此。
其中，S和P属于有害杂质，会降低塑性。S和P一般由原料的杂质引入，一般控制P的含量低于0.05%，S的含量均低于0.03%。
其中，Al可细化钢结构中的晶粒，提升高温延伸率，断裂伸长率。具体的，Al的含量为0.5-2%，示例性的为0.55%、0.7%、1.3%、1.45%、1.6%或1.8%，但不限于此。
其中，W可提升钢的硬度以及高温强度。具体的，W的含量为0-3%，示例性的为0.05%、0.5%、1%、1.5%、2%或2.4%，但不限于此。
其中，Nb可改善高温成型性能，但其会降低钢的塑性。为此，控制Nb的含量为0.01%-0.3%，示例性的为0.07%、0.1%、0.12%、0.14%、0.15%、0.22%或0.25%，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例中，用于3D打印的钢粉末按重量百分比计包括以下组分：Mn 0.2-0.5%，Ni 5-7%，Cr 16.5-20%，C≤0.1%，Si≤1%，P≤0.035%，S≤0.03%，Al1.4-1.8%，W 1.2-2.5%，Nb 0.1-0.25%，余量为Fe。该配比的钢粉末在制备过程中采用氩气雾化，其得到的成品为马氏体组织。进一步优选的，用于3D打印的钢粉末按重量百分比计包括以下组分：Mn 0.3%，Ni 6.5%，Cr 18%，C≤0.09%，Si 0.5%，P≤0.035%，S≤0.03%，Al1.5%，W 1.8%，Nb 0.15%，余量为Fe。
优选的，在本发明的另一个实施例中，用于3D打印的钢粉末按重量百分比计包括以下组分：Mn 1.0-1.5%，Ni 7.5-10%，Cr 12-16%，C≤0.1%，Si≤1%，P≤0.035%，S≤0.03%，Al 0.5-1%，W 0-0.5%，Nb 0.2-0.3%，余量为Fe。该配比的钢粉末在制备过程中采用氮气雾化，其得到的成品为奥氏体组织。进一步优选的，用于3D打印的钢粉末按重量百分比计包括以下组分：Mn 1%，Ni 7.75%，Cr 16%，C≤0.09%，Si 0.7%，P≤0.035%，S≤0.03%，Al 0.75%，W0.1%，Nb 0.28%，余量为Fe。上述钢粉末中Mn、Ni含量加高，更有奥氏体倾向。
相应的，本发明还公开了一种上述的用于3D打印的钢粉末的制备方法，其特包括以下步骤：
（1）按组分配比称量原料，真空熔炼得到合金液；
（2）将熔炼后的合金液通过预设气体雾化制粉，得到用于3D打印的钢粉末成品。
具体的，在本发明的一个实施例中，当原料配比如下时，熔炼温度为1300-1400℃，并通过氩气雾化，雾化压力为2-5MPa。
原料配比为：Mn 0.2-0.5%，Ni 5-7%，Cr 16.5-20%，C≤0.1%，Si≤1%，P≤0.035%，S≤0.03%，Al 1.4-1.8%，W 1.2-2.5%，Nb 0.1-0.25%，余量为Fe。
具体的，在本发明的另一个实施例中，当原料配比如下时，熔炼温度为1200-1300℃，并通过氮气雾化，雾化压力为2-5MPa。
Mn 1.0-1.5%，Ni 7.5-10%，Cr 12-16%，C≤0.1%，Si≤1%，P≤0.035%，S≤0.03%，Al0.5-1%，W 0-0.5%，Nb 0.2-0.3%，余量为Fe。
相应的，本发明还公开了一种3D打印方法，其采用上述的制备方法制备而得的钢粉末进行打印，该钢粉末的粒径为30-50μm，但不限于此。
具体的，可采用激光选区熔化法、电子束选区熔化法或直接激光沉积法进行打印，但不限于此。
在本发明的一个实施例中，采用直接激光沉积法进行打印，采用上述成分的钢粉末打印得到的钢构件的抗拉强度≥1500MPa，常温延伸率≥28%；在600℃，应力为200MPa条件下持久断裂时间≥50h，断后延伸率≥15%，断面收缩率≥80%。
具体的，直接激光沉积法的工艺参数为：激光功率为500-1200W，激光扫描速度为500-1000mm/s，沉积层厚为20-100μm，打印过程中采用氩气气氛保护。
进一步的，在本发明的另一个实施例中，打印方法包括以下步骤：
S1：提供基板；
具体的，基板可为304钢板、316钢板，但不限于此。在打印前，应预热基板，预热温度应低于基板熔化温度至少200℃。
S2：采用热源熔化氩气雾化的钢粉末，在基板上堆积钢构件的底层；
具体的，底层的沉积层数≥3层，优选的，底层的沉积层数为4-10层。
S3：将氩气雾化的钢粉末和氮气雾化的钢粉末混合，得到混合粉末；采用热源熔化所述混合粉末，在底层上堆积第一过渡层；
具体的，第一过渡层的沉积层数≥3层，优选的为3-10层，示例性的为3层、5层、7层或9层。每层第一过渡层中，氩气雾化的钢粉末与氮气雾化的钢粉末的比例相同或不同。优选的，每层第一过渡层中，氩气雾化的钢粉末与氮气雾化的钢粉末的比例不同。具体的，由底层至芯部的第一过渡层中，氩气雾化的钢粉末的含量逐步下降，氮气雾化的刚粉末的含量逐步上升。采用上述配比后，可形成连续、自然的过渡结构，提升钢构件的强度和抗蠕变性能。
S4：采用热源熔化氮气雾化的钢粉末，在第一过渡层上堆积钢构件的芯体；
S5：采用热源熔化步骤S3得到的混合粉末，在芯体外周堆积形成包裹所述芯体的第二过渡层；
具体的，第二过渡层的结构设置如第一过渡层的结构，在此不再赘述。
S6：采用热源熔化氩气雾化的钢粉末，在第二过渡层外周形成包裹第二过渡层的面层。
具体的，在本实施例中，采用直接激光沉积法形成底层、第一过渡层、芯体、第二过渡层和面层。其中，直接激光沉积法的工艺参数为：激光功率为500-1200W，激光扫描速度为500-1000mm/s，沉积层厚为20-100μm，打印过程中采用氩气气氛保护。
基于上述实施例打印得到的钢构件，呈外硬内软的梯度结构，其在600℃，应力为200MPa条件下断后延伸率≥20%，断面收缩率≥90%。
下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
本实施例提供一种钢构件，其制备方法为：
（1）按组分配比称量原料，在1300℃下真空熔炼得到合金液；
其中，原料配比为：Mn 1.3%，Ni 8%，Cr 14.5%，C 0.08%，Si 0.9%，P 0.04%，S0.03%，Al 0.6%，W1%，Nb 0.2%，余量为Fe；
（2）将合金液通过氮气雾化，雾化压力为2MPa，得到钢粉末（平均粒径为40μm）；
（3）采用激光粉末床打印，得到钢构件。打印参数为：激光功率为600W，激光扫描速度为800mm/s，沉积层厚为30μm，打印过程中采用氩气气氛保护。
实施例2
本实施例提供一种钢构件，其制备方法为：
（1）按组分配比称量原料，在1220℃下真空熔炼得到合金液；
其中，原料配比为：Mn 0.25%，Ni 6.3%，Cr 18.5%，C 0.05%，Si 0.4%，P 0.03%，S0.03%，Al 1.6%，W 0.3%，Nb 0.05%，余量为Fe；
（2）将合金液通过氩气雾化，雾化压力为3MPa，得到钢粉末（平均粒径为45μm）；
（3）采用激光粉末床打印，得到钢构件。打印参数为：激光功率为500W，激光扫描速度为600mm/s，沉积层厚为50μm，打印过程中采用氩气气氛保护。
实施例3
本实施例提供一种钢构件，其制备方法为：
（1）按组分配比称量原料，在1330℃下真空熔炼得到第一合金液；
其中，原料配比为：Mn 0.3%，Ni 6.5%，Cr 18%，C 0.09%，Si 0.5%，P 0.035%，S0.03%，Al 1.5%，W 1.8%，Nb 0.15%，余量为Fe；
（2）按组分配比称量原料，在1210℃下真空熔炼得到第二合金液；
其中，原料配比为：Mn 1%，Ni 7.75%，Cr 16%，C 0.09%，Si 0.7%，P 0.035%，S0.03%，Al 0.75%，W 0.1%，Nb 0.28%，余量为Fe；
（4）将第一合金液通过氩气雾化，雾化压力为3MPa，得到第一钢粉末（平均粒径为45μm）；将第二合金液通过氮气雾化，雾化压力为3MPa，得到第二钢粉末（平均粒径为42μm）；
（5）提供304钢材质基板，预热至300℃；
（6）采用热源熔化第一钢粉末，在基板上堆积3层底层；
（7）将第一钢粉末和第二钢粉末依次按照4:1,3:2,1:1,2:3,4:1的比例混合，得到四种混合粉末，然后采用四种混合粉末依次打印五层第一过渡层；由底层至芯体的第一过渡层中，第一钢粉末的占比逐渐减小；
（8）采用热源熔化如第二钢粉末，在第一过渡层上堆积钢构件的芯体；
（9）采用热源熔化步骤（7）得到的混合粉末，在芯体外周堆积形成包裹芯体的第二过渡层；其中，由芯体至面层的第二过渡层中，第一钢粉末的占比逐渐增加；
（10）采用热源熔化第一钢粉末，在第二过渡层外周形成包裹第二过渡层的面层。
其中，步骤（6）-（10）中，采用激光粉末床打印。打印参数为：激光功率为1000W，激光扫描速度为700mm/s，沉积层厚为40μm，打印过程中采用氩气气氛保护。
实施例4
本实施例提供一种钢构件，其制备方法为：
（1）按组分配比称量原料，在1350℃下真空熔炼得到第一合金液；
其中，原料配比为：Mn 0.65%，Ni 6.4%，Cr 17.5%，C 0.06%，Si 0.6%，P 0.03%，S0.03%，Al 1.8%，W 2.3%，Nb 0.05%，余量为Fe；
（2）按组分配比称量原料，在1210℃下真空熔炼得到第二合金液；
其中，原料配比为：Mn 1%，Ni 7.75%，Cr 16%，C 0.09%，Si 0.7%，P 0.035%，S0.03%，Al 0.75%，W 0.1%，Nb 0.28%，余量为Fe；
（4）将第一合金液通过氩气雾化，雾化压力为3MPa，得到第一钢粉末（平均粒径为40μm）；将第二合金液通过氮气雾化，雾化压力为3MPa，得到第二钢粉末（平均粒径为42μm）；
（5）提供304钢材质基板，预热至400℃；
（6）采用热源熔化第一钢粉末，在基板上堆积5层底层；
（7）将第一钢粉末和第二钢粉末依次按照4:1,3:2,1:1,2:3,4:1的比例混合，得到四种混合粉末，然后采用四种混合粉末依次打印五层第一过渡层；由底层至芯体的第一过渡层中，第一钢粉末的占比逐渐减小；
（8）采用热源熔化如第二钢粉末，在第一过渡层上堆积钢构件的芯体；
（9）采用热源熔化步骤（7）得到的混合粉末，在芯体外周堆积形成包裹芯体的第二过渡层；其中，由芯体至面层的第二过渡层中，第一钢粉末的占比逐渐增加；
（10）采用热源熔化第一钢粉末，在第二过渡层外周形成包裹第二过渡层的面层。
其中，步骤（6）-（10）中，采用激光粉末床打印。打印参数为：激光功率为1000W，激光扫描速度为700mm/s，沉积层厚为40μm，打印过程中采用氩气气氛保护。
将实施例1-4得到的钢构件做检测，其结果如下表所示：
Figure SMS_1
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种3D打印方法，其特征在于，包括：
（1）提供基板；
（2）采用热源熔化第一钢粉末，在所述基板上堆积钢构件的底层；
（3）将第一钢粉末与第二钢粉末混合，得到混合粉末；采用热源熔化所述混合粉末，在所述底层上堆积第一过渡层；
（4）采用热源熔化第二钢粉末，在所述第一过渡层上堆积钢构件的芯体；
（5）采用热源熔化所述混合粉末，在所述芯体外周堆积形成包裹所述芯体的第二过渡层；
（6）采用热源熔化第一钢粉末，在所述第二过渡层外周形成包裹所述第二过渡层的面层；
其中，所述第一钢粉末、第二钢粉末的粒径为30-50μm；
其中，所述第一钢粉末的制备方法为：
（i）按组分配比称量原料，在1300-1400℃下真空熔炼得到合金液；
其中，原料配比为：Mn 0.2-0.5%，Ni 5-7%，Cr 16.5-20%，C≤0.1%，Si≤1%，P≤0.035%，S≤0.03%，Al 1.4-1.8%，W 1.2-2.5%，Nb 0.1-0.25%，余量为Fe；
（ii）将所述合金液在通过氩气雾化，即得到第一钢粉末成品；其中，雾化压力为2-5MPa；
所述第二钢粉末的制备方法为：
（一）按组分配比称量原料，在1200-1300℃下真空熔炼得到合金液；
其中，原料配比为：Mn 1.0-1.5%，Ni 7.5-10%，Cr 12-16%，C≤0.1%，Si≤1%，P≤0.035%，S≤0.03%，Al 0.5-1%，W 0-0.5%，Nb 0.2-0.3%，余量为Fe；
（二）将所述合金液在通过氮气雾化，即得到第二钢粉末成品；其中，雾化压力为2-5MPa。
2.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，采用激光粉末床进行3D打印，激光功率为500-1200W，激光扫描速度为500-1000mm/s，沉积层厚为20-100μm，打印过程中采用氩气气氛保护。
3.一种钢构件，其特征在于，其由如权利要求1或2所述的3D打印方法打印而得。
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