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
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:
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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