CN114871446A

CN114871446A - 一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法

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Publication number: CN114871446A
Application number: CN202210600693.2A
Authority: CN
Inventors: 黄春平; 黄麒敏; 梁仁瑜; 刘丰刚; 刘奋成; 牛鹏亮
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2022-05-30
Filing date: 2022-05-30
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2042-05-30
Also published as: CN114871446B

Abstract

本发明公开了一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法，属于激光增材制造技术领域。本发明通过在激光增材制造原始合金钢粉末中预添加适当比例的单质粉末，使用机械混合的方法使几种粉末混合均匀；然后在激光增材制造系统上采用同步送粉的方法进行激光沉积，沉积过程全程使用氩气进行保护。本发明方法可以抵消激光增材制造过程中产生的元素烧损效应，恢复合金钢零件在激光增材制造过程中因元素烧损而造成的力学性能损失，实现对激光增材制造合金钢零件性能的调控，为激光增材制造零件力学性能的优化提供了新的解决方案。

Description

一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法

技术领域

本发明属于激光增材制造技术领域，具体涉及一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法。

背景技术

高强度合金钢具有良好的强度、塑性及韧性，综合力学性能优异，被广泛应用于制造一些如动车车轴、发动机曲轴和连杆等大型承载件和关键结构件。这些大型承载件和关键结构件通常使用传统的铸造跟锻造工艺生产，生产工艺中容易出现缩松、缩孔和裂纹等缺陷，并且有生产工序多、模具成本高、设计周期长等问题，尤其对有复杂内腔结构的零件无能为力，难以满足现代工业快速响应制造的需求。激光增材制造技术具有能量密度高、热输入小、材料稀释率低、基体变形小等优势，可以实现金属零件的无模具、短周期、数字化、高性能成形制造。

国内外对于激光增材制造所使用的球形粉末并无专业标准，各种粉末的制备多采用同成分的锻件磨制，如采用气雾化法或等离子旋转电极法制备，或使用合金成分相对应的单质粉末进行机械混合来进行制备。激光作为高能束流，一方面提供了融化粉末材料所需的能量，但另一方面却又无法精确控制多余能量，从而对材料成分造成破坏。数千度的高温下，某一些低熔沸点的金属元素在激光增材制造过程中难免遭受不可逆损失；最终使得激光增材制造出的零件的化学成分发生变化，进而导致零件的力学性能劣化，难以达到最初的设计要求。

目前对于激光增材制造的合金钢零件性能的优化主要集中在原始粉末中添加其他合金粉末，申请号201710706803.2公开了一种改善激光增材制造合金结构钢组织和力学性能方法，其中提出了一种利用混合不锈钢粉末改善合金钢粉末的自熔性能的工艺方法，其获得了组织致密均匀和综合力学性能良好的激光增材合金钢，强度提升值在50％-250％；然而，该方法在改善激光增材制造合金结构钢组织和力学性能的同时，也改变了合金的原有成分，相当于制造出了一种新的合金钢零件。

发明内容

为了解决激光增材制造合金钢零件因合金元素烧损而导致零件力学性能劣化的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法。本发明通过计算和预实验设计调控，在原始合金粉末中添加单质粉末从而抵消高功率激光增材制造过程发生的合金元素烧损，恢复合金高强钢组织的硬度、塑性、韧性等，实现了对合金钢零件力学性能的调控。

本发明具体是通过如下技术方案实现的：

本发明提供了一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法，包括以下步骤：

1)取合金钢同组分及含量的粉末作为原始合金粉末备用；

2)通过计算和预实验设计调控得到单质粉末，将其与原始合金粉末混合均匀，得到激光增材制造用合金钢粉末，真空密封备用；

3)将步骤2)激光增材制造用合金钢粉末除湿冷却后，在基板上进行激光增材制造，激光增材制造用合金钢粉末中含有的单质粉末能够控制烧损、存留的动态平衡，实现对合金钢零件力学性能的调控；

其中，所述合金钢为34CrNiMo6。

进一步地，步骤2)所述单质粉末包括铬、镍、钼、锰。

合金元素在高强钢中的含量虽低但作用巨大，即使细微的成分变化也会造成材料的显微组织改变，有些元素甚至对热处理效果造成影响，进而使材料的力学性能强化或劣化。在材料设计阶段，研究人员通过大量的试错实验将特定合金元素含量的合格范围限定在一个区间内，为实际生产提供参考和指导，但是在加工过程中还是无可避免的会存在元素损耗的问题。不同合金钢中的合金元素的种类可能不同，因此添加的单质粉末的种类可以调整，调整应符合：合金钢中含有的合金元素、在激光增材制造过程中会发生烧损行为的元素、对钢材力学性能具有强化效果的合金元素。基于此，本发明针对34CrNiMo6合金钢的合金元素的种类、含量作了进一步深入研究。

Cr是强碳化物形成元素。Cr在钢中可以提高耐腐蚀性、耐氧化性，提高硬度、热强性，或改善高碳钢的耐磨性。作硬化钢材的元素，Cr经常与Ni元素等硬化元素一同加入，共同作用于合金钢以获得更佳的力学性能。在较高的温度下，Cr则通常与Mo元素一同加入用于提高热强性。

Ni是一种铁素体增强元素。Ni在钢中不形成任何碳化物，固溶于铁素体中可达到增强和增韧的效果。Ni可以降低临界冷却速率使得镍钢的热处理变得容易，并且在与Cr元素共存时，制造的合金钢具有更高的硬度、更高的冲击强度和抗疲劳性。

Mo在钢中的含量一般为0.10％-1.00％。Mo可以诱导淬火钢在回火过程中的二次硬化，增强低合金钢在温度提升中的蠕变强度。

Mn具有低偏析倾向。Mn几乎有利于所有碳钢的表面质量，它能与铁形成固溶体，对提高钢的强度和硬度有很强的作用，但效果与碳的含量有关。Mn含量增加会降低钢延展性和可焊性，Mn在钢中可以作为优秀的脱氧剂和脱硫剂，减弱S带来的热脆。

进一步地，所述单质粉末中铬的质量为原始合金粉末中铬质量的55％-65％。

进一步地，所述单质粉末中镍的质量为原始合金粉末中镍质量的55％-65％。

进一步地，所述单质粉末中钼的质量为原始合金粉末中钼质量的36％-42％。

进一步地，所述单质粉末中锰的质量为原始合金粉末中锰质量的18％-20％。

进一步地，所述单质粉末中铬与镍的质量之比为1:1。

随各元素单质补量提升，测试的烧损后含量对应增加，高相关度证明补损工艺的准确性和有效性。4种合金元素的补量对硬度损失各有影响，其中Cr元素补量增加显微硬度随之上升，在55％-65％补充下达到最高。Ni元素补量增加时，可改善显微硬度，但须控制Ni和Cr的比值，Cr和Ni元素的补量为1:1时获得最佳的显微硬度改善效果。Mo元素补充对改善显微硬度的效果不明显，但少量补充有明显的下降趋势，补充含量在35％-42％最佳，超过后无明显效果。补充Mn元素可改善硬度损失，但超过20％会使平均硬度值下降。

Cr元素补充增加时硬度上升；Ni元素补充增加时可以改善试样顶部硬度损失的问题，并且适量补充可以提升硬度；Mo元素对硬度值的影响不大，但是适当补充可以使硬度曲线集中；Mn元素少量补充可以提升硬度，但是添加过多反而会使得硬度下降。事实上，并非所有元素在合金中都能对硬度起到促进作用，除了常见的Cr能提升硬度和淬透性外，Mo、Mn元素多用于改善钢的韧性、强度，淬透性和热加工性能，而Ni元素主要是提升材料强度和韧性。合金元素并不是单一的对钢产生影响，各元素之间的相互作用往往会极大提升或抑制彼此原有的效果。例如，Cr元素与Ni元素的烧损比为0.85，然而实际补充比例需要达到1:1才能达到最佳效果。

进一步地，所述原始合金粉末、单质粉末、激光增材制造用合金钢粉末均为球形粉末，粒度均介于150-200μm之间。

使用球形粉末可以很好的提高粉末的流动性，而且球形粉末相对于其他形状的粉末来说更能够进行有效堆积，产生更高的堆积密度。粉末的粒度需要适中，过细的粉末的颗粒会降低流动性，过粗的粉末颗粒之间的间隙会比较大，会降低堆积的密度，综合本发明工艺方法，本发明将粉末粒度控制在150-200μm之间。

进一步地，所述在基板上进行激光增材制造的工艺参数为：激光功率为1800-2100W，扫描速度为500-700mm/min，送粉方式为同轴送粉，送粉速率为7.5-10.0g/min；加工过程中采用氩气进行保护，氩气流量为15-25L/min。

烧损程度与工艺过程的能量密度有关，能量密度越大，烧损的程度就越严重。在低能量密度下，元素烧损的情况是非常轻微的，本发明的单质粉末添加量仅限于在本发明工艺参数条件下。

进一步地，所述激光增材制造的沉积厚度不低于3mm。

激光增材制造工艺过程中，随着沉积厚度的增加，元素的烧损量也在增加，这个是相对于沉积厚度在一定范围之内的。根据本发明实验结果和模型分析显示，当沉积厚度超过3mm的时候元素的烧损率会维持在一个恒定的范围之内，此时各元素烧损比例基本趋于稳定，补充量也相对恒定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明方法可以有效地解决激光增材制造过程中因合金元素烧损而导致的合金钢零件性能劣化的问题，实现对激光增材制造合金钢零件性能的调控。

2、本发明为解决激光增材制造加工工艺导致合金钢零件性能劣化的缺陷提供了一种可靠且经济的解决方案，同时也为增材制造专用粉末的制备提供新的思路。

附图说明

图1是未调控和本发明实施例1调控后的激光增材制造34CrNiMo6钢拉伸性能的对比图。

图2是未调控和本发明实施例1调控后的激光增材制造34CrNiMo6钢极限抗拉强度和延伸率的对比图。

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，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，并非用于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

1、称取95.17g与34CrNiMo6合金钢同组分及含量的粉末作为原始合金粉末备用；

2、按上述称好的34CrNiMo6原始合金粉末计，另取2.25g(60％)的Cr金属粉末、2.25g(60％)的Ni金属粉末、0.17g(40％)的Mo金属粉末和0.16g(20％)的Mn金属粉末采用机械搅拌的方法混合均匀作为单质粉末，将其与原始合金粉末混合均匀，得到激光增材制造用合金钢粉末(各粉末粒度均介于150-200μm)，真空密封备用；

3、取一块5mm厚的34CrNiMo6合金钢基板，使用砂纸打磨、丙酮进行清洗、最后干燥处理；

4、将激光增材制造用合金钢粉末置于120℃真空干燥箱2.5h去除水分，在处理好的34CrNiMo6合金钢基板上进行激光立体成形加工(沉积厚度19mm)；激光功率为2100W，扫描速度为600mm/min，送粉速率为10g/min。该调控方法通过在原始合金粉末中额外添加被烧损元素的单质粉末，抵消在激光立体成形过程中被烧损的那一部分合金元素，实现烧损量和存留量的动态平衡，得到未损失力学性能的34CrNiMo6钢组织。

对本实施例制造的34CrNiMo6钢零件的组织性能进行测定：相对于未调控的34CrNiMo6钢零件组织抗拉强度从1172.29MPa提升至1620.7MPa，提升了38.25％；延伸率由5.92％提升至6.54％，提升了10.47％；其硬度为575HV。

对比例1

1、称取96.42g与34CrNiMo6合金钢同组分及含量的粉末作为原始合金粉末备用；

2、按上述称好的34CrNiMo6原始合金粉末计，另取1.00g(26％)的Cr金属粉末、2.25g(60％)的Ni金属粉末、0.17g(40％)的Mo金属粉末和0.16g(20％)的Mn金属粉末采用机械搅拌的方法混合均匀作为单质粉末，将其与原始合金粉末混合均匀，得到激光增材制造用合金钢粉末(各粉末粒度均介于150-200μm)，真空密封备用；

对本对比例制造的34CrNiMo6钢零件的组织性能进行测定：相对于未调控的34CrNiMo6钢零件组织抗拉强度从1172.29MPa提升至1534.23MPa，提升了30.25％；延伸率由5.92％提升至6.34％，提升了7.09％；其硬度为500HV。

以上所描述的实施例仅表达了本发明的几种优选实施例，其描述较为具体和详细，但并不用于限制本发明。应当指出，对于本领域的技术人员来说，本发明还可以有各种变化和更改，凡在本发明的构思和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)取合金钢同组分及含量的粉末作为原始合金粉末备用；

其中，所述合金钢为34CrNiMo6。

2.根据权利要求1所述一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法，其特征在于，步骤2)所述单质粉末包括铬、镍、钼、锰。

3.根据权利要求2所述一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法，其特征在于，所述单质粉末中铬的质量为原始合金粉末中铬质量的55％-65％。

4.根据权利要求2所述一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法，其特征在于，所述单质粉末中镍的质量为原始合金粉末中镍质量的55％-65％。

5.根据权利要求2所述一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法，其特征在于，所述单质粉末中钼的质量为原始合金粉末中钼质量的36％-42％。

6.根据权利要求2所述一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法，其特征在于，所述单质粉末中锰的质量为原始合金粉末中锰质量的18％-20％。

7.根据权利要求2所述一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法，其特征在于，所述单质粉末中铬与镍的质量之比为1:1。

8.根据权利要求1所述一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法，其特征在于，所述原始合金粉末、单质粉末、激光增材制造用合金钢粉末均为球形粉末，粒度均介于150-200μm之间。

9.根据权利要求1所述一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法，其特征在于，所述在基板上进行激光增材制造的工艺参数为：激光功率为1800-2100W，扫描速度为500-700mm/min，送粉方式为同轴送粉，送粉速率为7.5-10.0g/min；加工过程中采用氩气进行保护，氩气流量为15-25L/min。

10.根据权利要求9所述一种激光增材制造合金钢零件性能的调控方法，其特征在于，所述激光增材制造的沉积厚度不低于3mm。