CN114959413B - 不锈钢基复合材料及其增材制造方法、应用 - Google Patents

不锈钢基复合材料及其增材制造方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不锈钢基复合材料及其增材制造方法、应用，涉及金属复合材料技术领域。该不锈钢基复合材料是通过在316L粉末中添加纯Nb粉末，经铺粉式选区激光熔融工艺制得。不锈钢基复合材料的微观组织倾向于胞状结构，其中存在一定量的未熔强化Nb颗粒，与基体之间呈良好冶金结合，微观组织中的碳化物、氮化物和金属间化合物以纳米级沉淀形式析出，弥散分布在不锈钢基复合材料中，能够有效细化晶粒。Nb还能和奥氏体不锈钢中的碳、氮结合，使其耐晶界腐蚀性能提高，从而可制备得到高强度、高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性的不锈钢基复合材料，适用于航空发动机系统和飞机结构件。

Description

不锈钢基复合材料及其增材制造方法、应用
技术领域
本发明涉及金属复合材料技术领域，具体而言，涉及一种不锈钢基复合材料及其增材制造方法、应用。
背景技术
316L不锈钢以其良好的耐腐蚀性、抗蠕变性、耐高温性、高韧性以及无磁性等优点被广泛应用在化工、船舶、汽车等领域。近年来，随着我国综合国力的提高，在航空航天、汽车等领域对不锈钢强度、韧性、耐磨性和耐蚀性的要求越来越高。然而，316L不锈钢的低强度和较差耐磨性极大地限制了其在工业应用领域的进一步应用。
随着复合材料的开发和应用，研究人员发现以金属或合金为基体，通过特定的材料加工工艺将高硬度、高耐磨性的颗粒增强相加入金属基体，制备的颗粒增强金属基复合材料不仅保留了金属或合金基体良好的塑韧性，还增加了颗粒增强相高硬度、高耐磨性的特性，能够满足多个领域对高性能材料的要求。
目前有在钢的微合金化元素中添加Nb的技术方案，但是目前添加Nb元素以提高钢性能的方案中，均需要将Nb进行熔炼、热轧等传统工艺成形，并在后热处理的条件下才能达到其良好的力学性能，成形及后热处理工艺复杂，工序周期长，成本较高，不适合小批量的工业化生产。此外，不锈钢基复合材料的力学性能、耐腐蚀性能和摩擦磨损性能仍有待于综合考虑，综合性能仍有待于进一步提高，以适应航空发动机系统和飞机结构件等关键部件对复合材料结构高强度、高耐磨性和较好的耐腐蚀性能等综合性能要求。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不锈钢基复合材料及其增材制造方法、应用，该不锈钢基复合材料具有高强度、高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀性能，可以应用于航空发动机系统和飞机结构件等关键部件。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种不锈钢基复合材料的增材制造方法，包括采用铺粉式选区激光熔融工艺对不锈钢基复合粉末进行增材制造。
其中，不锈钢基复合粉末按照重量百分比计，包括Cr：17.5～18.0％、Ni：12.5～13.0％、Nb：0.5～10.0％、Mo：2.25～2.50％、Mn：≤2.0％、C：≤0.03％、N：≤0.10％，余量为Fe。
第二方面，本发明提供一种不锈钢基复合材料，由前述实施方式任一项的增材制造方法制得。
第三方面，本发明提供一种如前述实施方式的不锈钢基复合材料在制备航空发动机系统和飞机结构件领域的应用。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种不锈钢基复合材料及其增材制造方法、应用，通过在316L粉末中添加纯Nb粉末，获得的不锈钢基复合材料经过铺粉式选区激光熔融工艺后，不锈钢基复合材料的微观组织中存在一定量的未熔强化Nb颗粒，与基体之间呈良好冶金结合，微观组织倾向于胞状结构，大量的碳化物、氮化物和金属间化合物以纳米级沉淀形式析出，且弥散分布在不锈钢基复合材料基体中，有效地细化了不锈钢基复合材料的晶粒。Nb还能和奥氏体不锈钢中的碳氮结合而避免了其耐晶间腐蚀性能的降低，从而可制备得到高强度、高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性的不锈钢基复合材料。能够适用于航空发动机系统和飞机结构件，例如发动机的高压压气机轮盘和航空燃料与液压控制系统等零件的增强与零件修复等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例1的不锈钢粉末的扫描电镜图；
图2为本发明实施例1的纯Nb粉末的扫描电镜图；
图3为本发明实施例1制备得到的不锈钢基复合材料的X射线衍射谱图；
图4为本发明实施例1制备得到的不锈钢基复合材料的扫描电子显微镜图；
图5为本发明实施例1制备得到的不锈钢基复合材料的扫描透射电子显微镜图；
图6为本发明实施例1制备得到的不锈钢基复合材料和对比例1制备得到的316L不锈钢材料的拉伸工程应力-应变曲线；
图7为本发明实施例1制备得到的不锈钢基复合材料的拉伸断口的扫描电子显微镜图；
图8为本发明实施例1制备得到的不锈钢基复合材料和对比例1制备得到的316L不锈钢材料的磨损深度图；
图9为本发明实施例1制备得到的不锈钢基复合材料和对比例1制备得到的316L不锈钢材料的电化学极化曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中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。
第一方面，本发明提供一种不锈钢基复合材料的增材制造方法，包括采用铺粉式选区激光熔融工艺对不锈钢基复合粉末进行增材制造。
不锈钢基复合粉末按照重量百分比计，包括Cr：17.5～18.0％、Ni：12.5～13.0％、Nb：0.5～10.0％、Mo：2.25～2.50％、Mn：≤2.0％、C：≤0.03％、N：≤0.10％，余量为Fe。
目前，在钢的微合金化元素中添加Nb均需要将Nb进行熔炼、热轧等传统工艺成形，并在后热处理的条件下才能达到其良好的力学性能，成形及后热处理工艺复杂，工序周期长，成本较高。此外，经上述方法制得的不锈钢基复合材料，其力学性能、耐腐蚀性能和摩擦磨损性能仍有待于进一步提高。
因此，发明人提出一种不锈钢基复合材料的增材制造方法，通过在316L粉末中添加纯Nb粉末，获得的不锈钢基复合材料经过铺粉式选区激光熔融工艺(SLM)处理后，Nb对不锈钢的强化机理主要体现在：
1)细晶强化。在316L粉末中添加纯Nb粉末后，一方面Nb的熔入能够与熔池中的C、N等元素形成稳定的碳化物和氮化物，并且作为非自发形核的核心。另一方面，Nb与C、N结合形成的碳化物颗粒、氮化物颗粒和纳米级的金属间化合物等在晶界处析出，能有效阻碍晶粒的长大，起到细化晶粒的作用。同时，由于SLM成形过程的快热快冷，使得不锈钢基复合材料出现超饱和固溶，Cr、Mo、Ni这些耐蚀元素在组织中均匀分布。再加上Nb对晶粒有明显的细化作用，增大了晶界的面积，大大提高了材料的耐腐蚀性。
2)位错强化。添加Nb后，未熔强化Nb颗粒周围的晶界密度相对较高，应力分布更加集中，致使不锈钢基复合材料具有相对较高的层错能，组织结构倾向于亚晶，这些细小的高密度位错晶胞在塑性变形中能够承受来自外界的较高施加载荷，极大地提高了材料的强度。
3)析出强化。经SLM工艺熔化进入激光熔池的Nb元素参与了激光熔池内的复杂化合反应，在熔池冷却凝固过程中以碳化物、氮化物和金属间化合物等形式析出大量弥散分布的纳米级沉淀，这些纳米级析出物会成为位错运动的障碍，从而得到高屈服强度的材料。
4)热错配强化。由于Nb的热膨胀系数远低于不锈钢，加之在SLM激光熔池凝固后存在一定量的未熔Nb颗粒，未熔Nb颗粒与基体间由于热错配存在一个明显的元素过渡区，界面区位错密度提高；此外未熔Nb颗粒周围的微观结构与基体存在差异，造成微区域内的成分不均匀，从而增大了样品表面的粗糙度，且由于不锈钢基复合材料表面存在大量的高硬度未熔Nb颗粒，显著提高了不锈钢基复合材料的耐磨性。样品中SLM成形的晶胞为十分细小的微米或者亚微米级，减小了晶粒与晶界处的电阻不平衡现象。
本发明通过在316L粉末中添加纯Nb粉末，获得的不锈钢基复合材料经过铺粉式选区激光熔融工艺后，不锈钢基复合材料的微观组织中存在一定量的未熔强化Nb颗粒，与基体之间呈良好冶金结合，微观组织倾向于胞状结构，大量的碳化物、氮化物和金属间化合物以纳米级沉淀形式析出，且弥散分布在不锈钢基复合材料基体中，有效地细化了不锈钢基复合材料的晶粒。Nb还能和奥氏体不锈钢中的碳氮结合而避免了其耐晶间腐蚀性能的降低，从而可制备得到高强度、高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性的不锈钢基复合材料。能够适用于航空发动机系统和飞机结构件，例如发动机的高压压气机轮盘和航空燃料与液压控制系统等零件的增强与零件修复等。
在可选的实施方式中，铺粉式选区激光熔融工艺的工艺参数为：激光功率150～370W，激光扫描速率500～2400mm/s，扫描间距0.06～0.10mm，铺粉厚度0.02～0.04mm。
优选地，铺粉式选区激光熔融工艺的工艺参数为：激光功率240～370W，激光扫描速率925～2400mm/s，扫描间距0.08～0.10mm，铺粉厚度0.03～0.04mm。
优选地，铺粉式选区激光熔融工艺的保护气体包括氩气或氮气；更优选为氩气。为了保证打印的顺利进行，氩气选择高纯氩气，氩气纯度为99.99％及以上。
优选地，铺粉式选区激光熔融工艺的成形基板为不锈钢基板。
在可选的实施方式中，为了获得性能更佳的不锈钢基复合材料，不锈钢基复合粉末按照重量百分比计，包括Cr：17.76％、Ni：12.62％、Nb：5.0％、Mo：2.28％、Mn：0.75％、C：0.02％、N：0.07％，余量为Fe。
在可选的实施方式中，制备不锈钢基复合粉末包括将不锈钢粉末和纯Nb粉末机械混合。
优选地，机械混合采用双锥高效混合机，混合时间2～6h。在其他实施方式中，机械混合也可以采用常规的混合装置，混合时间以粉末完全混匀即可，本发明对混合方式和混合时间不做限定。
在可选的实施方式中，为了控制不锈钢粉末的球形度，达到增材制造的球形度标准，不锈钢粉末为气雾化法制备，气雾化法是使不锈钢熔体从喷嘴漏孔流出，用高压氮气吹散、凝固，得到不锈钢粉末。
优选地，不锈钢粉末的粒径为10～60μm，更优选为15～53μm。
在可选的实施方式中，由于纯Nb粉末的熔点较高，为了控制纯Nb粉末的球形度，达到增材制造的球形度标准，纯Nb粉末为射频等离子体制粉系统制备，射频等离子体制粉系统是利用等离子体的高温特性把送入到等离子体中的不规则形状粉末颗粒迅速加热熔化，熔融的颗粒在表面张力和极高的温度梯度共同作用下迅速凝固而得到球形纯Nb粉末。优选地，纯Nb粉末的粒径为10～60μm，更优选为15～53μm。
在可选的实施方式中，为了保证经增材制造工艺制备后的不锈钢基复合材料性能较佳，不锈钢基复合粉末在增材制造前还包括将其过筛、干燥。
优选地，筛网的目数为200～300目。
优选地，干燥采用真空干燥箱烘干，干燥温度为80～100℃，干燥时间为2～6h。
第二方面，本发明提供一种不锈钢基复合材料，由前述实施方式任一项的增材制造方法制得。
在可选的实施方式中，不锈钢基复合材料的平均晶粒尺寸为14.2～19.6μm，室温抗拉强度为740～990MPa，屈服强度为651～840MPa，伸长率为10.0～24.0％，显微硬度为230～290HV1，销盘磨损试验磨损深度为33.7～80.0μm，中性盐雾试验的自腐蚀电位为-(0.17～0.24)V。
第三方面，本发明提供一种如前述实施方式的不锈钢基复合材料在制备航空发动机系统和飞机结构件领域的应用。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种不锈钢基复合材料，由不锈钢基复合粉末通过增材制造的方法制备得到。
其中，不锈钢基复合粉末按照重量百分比计，包括Cr：17.76％、Ni：12.62％、Nb：5.0％、Mo：2.28％、Mn：0.75％、C：0.02％、N：0.07％，余量为Fe。增材制造具体是铺粉式选区激光熔融工艺，该不锈钢基复合材料的具体制备方法如下：
S1、不锈钢粉末的制备
按照重量百分比为Cr：17.76％、Ni：12.62％、Mo：2.28％、Mn：0.79％、C：0.02％、N：0.07％、余量为Fe，将上述金属原料采用气雾化法制备不锈钢粉末。
其中气雾化法是使不锈钢熔体从喷嘴漏孔流出，用高压氮气吹散、凝固，得到不锈钢粉末。
制得的不锈钢粉末的粒径为15～53μm。将不锈钢粉末置于扫描电镜下观察，得到如图1所示结果。由图1可知，本发明制备的不锈钢粉末球形度较好。
S2、纯Nb粉末的制备
取金属Nb采用射频等离子体制粉系统制备纯Nb粉末，包括利用等离子体的高温特性把送入到等离子体中的不规则形状粉末颗粒迅速加热熔化，熔融的颗粒在表面张力和极高的温度梯度共同作用下迅速凝固而得到球形纯Nb粉末。
制得的纯Nb粉末的粒径为15～53μm。将纯Nb粉末置于扫描电镜下观察，得到如图2所示结果。由图2可知，本发明制备的纯Nb粉末球形度极佳，表面光滑圆整，几乎无卫星颗粒环绕。
S3、不锈钢基复合粉末的制备
将不锈钢粉末和纯Nb粉末按比例称重后放入双锥高效混合机中进行机械混合，混合时间为4h。
将混合好的不锈钢基复合粉末进行过筛和干燥。其中，筛网的目数为250目，干燥采用真空干燥箱烘干，干燥温度为90℃，干燥时间为4h。
S4、不锈钢基复合材料的制备
采用铺粉式选区激光熔融工艺对不锈钢基复合粉末进行增材制造。
其中，铺粉式选区激光熔融工艺的工艺参数为：激光功率370W，激光扫描速率925mm/s，扫描间距0.10mm，铺粉厚度0.04mm，保护气体为氩气，成形基板为不锈钢基板。
将本实施例制备得到的不锈钢基复合材料进行X射线衍射，得到如图3所示结果，从图3中可以发现，组织结构以典型的γ-Fe奥氏体结构为主，其次还检测出极少量的未熔Nb颗粒。
将本实施例制备得到的不锈钢基复合材料分别置于扫描电子显微镜和扫描透射电子显微镜下观察，得到如图4和5所示结果，图4中的白色颗粒是在背散射模式下观察到的未熔Nb颗粒形貌，表明未熔Nb颗粒与基体之间呈良好冶金结合；图5中的微观组织倾向于胞状结构，大量的碳化物、氮化物和金属间化合物以纳米级沉淀形式析出，且弥散分布在复合材料基体中。
实施例2
本实施例提供了一种不锈钢基复合材料，由不锈钢基复合粉末通过增材制造的方法制备得到。
其中，不锈钢基复合粉末按照重量百分比计，包括Cr：17.5％、Ni：12.5％、Nb：0.5％、Mo：2.25％、Mn：1.5％、C：0.03％和N：0.10％、余量为Fe。增材制造具体是铺粉式选区激光熔融工艺，该不锈钢基复合材料的具体制备方法如下：
S1、不锈钢粉末的制备
按照重量百分比为Cr：17.5％、Ni：12.5％、Mo：2.25％、Mn：1.5％、C：0.03％、N：0.10％、余量为Fe，将上述金属原料采用气雾化法制备不锈钢粉末。
其中气雾化法是使不锈钢熔体从喷嘴漏孔流出，用高压氮气吹散、凝固，得到不锈钢粉末。
制得的不锈钢粉末的粒径为15～53μm。
S2、纯Nb粉末的制备
取金属Nb采用射频等离子体制粉系统制备纯Nb粉末，包括利用等离子体的高温特性把送入到等离子体中的不规则形状粉末颗粒迅速加热熔化，熔融的颗粒在表面张力和极高的温度梯度共同作用下迅速凝固而得到球形纯Nb粉末。
制得的纯Nb粉末的粒径为15～53μm。
S3、不锈钢基复合粉末的制备
将不锈钢粉末和纯Nb粉末按比例称重后放入双锥高效混合机中进行机械混合，混合时间为4h。
将混合好的不锈钢基复合粉末进行过筛和干燥。其中，筛网的目数为300目，干燥采用真空干燥箱烘干，干燥温度为90℃，干燥时间为4h。
S4、不锈钢基复合材料的制备
采用铺粉式选区激光熔融工艺对不锈钢基复合粉末进行增材制造，其中铺粉式选区激光熔融工艺的工艺参数为：激光功率150W，激光扫描速率500mm/s，扫描间距0.06mm，铺粉厚度0.02mm，保护气体为氩气，成形基板为不锈钢基板。
经检测，本实施例制得的不锈钢基复合材料表面平整，组织为典型的奥氏体结构，未见明显的未熔Nb颗粒。
实施例3
本实施例提供了一种不锈钢基复合材料，由不锈钢基复合粉末通过增材制造的方法制备得到。
其中，不锈钢基复合粉末按照重量百分比计，包括Cr：18.0％、Ni：13.0％、Nb：10.0％、Mo：2.50％、Mn：1.0％、C：0.01％和N：0.05％，余量为Fe。增材制造具体是铺粉式选区激光熔融工艺，该不锈钢基复合材料的具体制备方法如下：
S1、不锈钢粉末的制备
按照重量百分比为Cr：18.0％、Ni：13.0％、Mo：2.50％、Mn：1.0％、C：0.01％、N：0.05％、余量为Fe，将上述金属原料采用气雾化法制备不锈钢粉末。
其中气雾化法是使不锈钢熔体喷嘴漏孔流出，用高压氮气吹散、凝固，得到不锈钢粉末。
制得的不锈钢粉末的粒径为15～53μm。
S2、纯Nb粉末的制备
取金属Nb采用射频等离子体制粉系统制备纯Nb粉末，包括利用等离子体的高温特性把送入到等离子体中的不规则形状粉末颗粒迅速加热熔化，熔融的颗粒在表面张力和极高的温度梯度共同作用下迅速凝固而得到球形纯Nb粉末。
制得的纯Nb粉末的粒径为15～53μm。
S3、不锈钢基复合粉末的制备
将不锈钢粉末和纯Nb粉末按比例称重后放入双锥高效混合机中进行机械混合，混合时间为4h。
将混合好的不锈钢基复合粉末进行过筛和干燥。其中，筛网的目数为200目，干燥采用真空干燥箱烘干，干燥温度为90℃，干燥时间为4h。
S4、不锈钢基复合材料的制备
采用铺粉式选区激光熔融工艺对不锈钢基复合粉末进行增材制造，其中铺粉式选区激光熔融工艺的工艺参数为：激光功率240W，激光扫描速率2400mm/s，扫描间距0.08mm，铺粉厚度0.03mm，保护气体为氩气，成形基板为不锈钢基板。
经检测，本实施例制得的不锈钢基复合材料表面有数量较多的未熔Nb颗粒，熔池边界模糊，局部呈类熔岩状组织。
对比例1
本对比例提供了一种316L不锈钢材料，制备方法与实施例1相同，区别仅在于元素组成中未添加Nb元素。
试验例1
分别测量实施例1～3制得的不锈钢基复合材料和对比例1制得的316L不锈钢材料平均晶粒大小、室温抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、显微硬度、磨损深度和自腐蚀电位，检测方法如下：
(1)采用电子背散射衍射设备测量了不锈钢基材料的平均晶粒尺寸；
(2)采用万能拉伸试验机测量了不锈钢基材料的室温抗拉强度、屈服强度和断后伸长率；
(3)采用维氏硬度计测量了不锈钢基材料的显微硬度；
(4)采用多功能摩擦试验机测量了不锈钢基材料的室温磨损深度；
(5)采用电化学工作站测量了不锈钢基材料的自腐蚀电位。
得到如表1所示结果。
表1不锈钢基复合材料的性能参数
Figure BDA0003693032870000121
由表1可知，本发明实施例提供的不锈钢基复合材料的室温抗拉强度为740～990MPa，屈服强度为651～840MPa，伸长率为10.0～24.0％，显微硬度为230～290HV1，销盘磨损试验磨损深度为33.7～80.0μm，中性盐雾试验的自腐蚀电位为-(0.17～0.24)V。与对比例1中相同制备工艺获得的316L不锈钢合金相比，抗拉强度提高6～41％，屈服强度提高4～34％，显微硬度提高9～38％，耐磨性和耐腐蚀性性能显著提高。
绘制实施例1和对比例1的抗拉强度实验过程，得到如图6所示结果。图6中101为实施例1制备的不锈钢基复合材料的拉伸工程应力-应变曲线；102为对比例1制备的316L不锈钢材料的拉伸工程应力-应变曲线。根据图6的曲线可知：本发明实施例1制备的不锈钢基复合材料，在极低的工程应变率下具有较高的工程应力，实施例1的抗拉强度和屈服强度远大于对比例1，说明本发明添加纯Nb粉末后，制备得到的不锈钢基复合材料强度显著提高。
当实施例1的不锈钢基复合材料超过其所能承受的抗拉强度后，不锈钢基复合材料被拉断，通过扫描电子显微镜观察实施例1不锈钢基复合材料的拉伸断口显微形貌，得到如图7所示结果。由图7可知：拉伸断口的显微形貌由大量细小的韧窝组成，表现出良好的塑性。
将实施例1和对比例1的不锈钢基复合材料磨损情况绘制成柱状图，得到如图8所示结果。由图8可知：对比例1的磨损深度几乎达到了实施例1的3倍左右，磨损严重，而本发明实施例1的不锈钢基复合材料的磨损深度较低，耐磨性好。
绘制实施例1和对比例1的中性盐雾试验过程中的电化学极化曲线，得到如9所示结果。图9中101为实施例1制备的不锈钢基复合材料的电化学极化曲线；102为对比例1制备的316L不锈钢材料的电化学极化曲线。由图9可知：本发明实施例1的不锈钢基复合材料的自腐蚀电位显著高于对比例1，说明本发明添加纯Nb粉后得到的不锈钢基复合材料耐腐蚀性能显著提高。
本发明实施例提供的一种不锈钢基复合材料及其增材制造方法、应用，至少具有以下优点：
1、通过在316L粉末中添加纯Nb粉末，获得的不锈钢基复合材料经过铺粉式选区激光熔融工艺(SLM)处理后，Nb对不锈钢的强化机理主要体现在细晶强化、位错强化、析出强化和热错配强化四方面，通过上述四个方面的互相配合，例如Nb能够与C、N结合形成的碳化物颗粒、氮化物颗粒和纳米级的金属间化合物等在晶界处析出，起到细化晶粒的作用，同时析出的大量弥散分布的纳米级沉淀会成为位错运动的障碍，从而得到高屈服强度的材料。
2、由于SLM成形过程的快热快冷，使得不锈钢基复合材料出现超饱和固溶，Cr、Mo、Ni这些耐蚀元素在组织中均匀分布，再加上Nb对晶粒有明显的细化作用，增大了晶界的面积，大大提高了材料的耐腐蚀性。此外，Nb还能和奥氏体不锈钢中的碳氮结合而避免了其耐晶间腐蚀性能的降低。
3、SLM成形过程中的高温和较大残余应力致使不锈钢基复合材料具有相对较高的层错能，组织结构倾向于亚晶，这些细小的高密度位错晶胞在塑性变形中能够承受来自外界的较高施加载荷，极大地提高了材料的强度。
4、由于Nb的热膨胀系数远低于不锈钢，加之在SLM激光熔池凝固后存在一定量的未熔Nb颗粒，未熔Nb颗粒与基体间由于热错配存在一个明显的元素过渡区，界面区位错密度提高；此外未熔Nb颗粒周围的微观结构与基体存在差异，造成微区域内的成分不均匀，从而增大了样品表面的粗糙度，且由于不锈钢基复合材料表面存在大量的高硬度未熔Nb颗粒，显著提高了不锈钢基复合材料的耐磨性。样品中SLM成形的晶胞为十分细小的微米或者亚微米级，减小了晶粒与晶界处的电阻不平衡现象。
5、通过增材制造的方法，采用铺粉式选区激光熔融工艺(SLM)对金属粉末直接成形零部件，成形件有较好的表面光洁度和几何精度，无需二次加工即可投入使用，生成周期较短，粉末利用率高，节约成本。且SLM技术可通过计算机精确控制来制备高分辨率和高精确率的复杂零件，原料的灵活性和高能光纤激光器金属的高吸收率，可实现具有优越性能的不锈钢基复合材料的快速制造。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种不锈钢基复合材料的增材制造方法，其特征在于，包括采用铺粉式选区激光熔融工艺对不锈钢基复合粉末进行增材制造；
所述不锈钢基复合粉末按照重量百分比计，包括Cr：17.5~18.0%、Ni：12.5~13.0%、Nb：5.0~10.0%、Mo：2.25~2.50%、Mn：≤2.0%、C：≤0.03%、N：≤0.10%，余量为Fe；
制备所述不锈钢基复合粉末包括将不锈钢粉末和纯Nb粉末机械混合；所述纯Nb粉末的粒径为15~53μm。
2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述铺粉式选区激光熔融工艺的工艺参数为：激光功率150~370W，激光扫描速率500~2400mm/s，扫描间距0.06~0.10mm，铺粉厚度0.02~0.04mm。
3.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述铺粉式选区激光熔融工艺的保护气体包括氩气或氮气的任一种。
4.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述铺粉式选区激光熔融工艺的成形基板为不锈钢基板。
5.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述不锈钢基复合粉末按照重量百分比计，包括Cr：17.76%、Ni：12.62%、Nb：5.0%、Mo：2.28%、Mn：0.75%、C：0.02%、N：0.07%，余量为Fe。
6.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述机械混合采用双锥高效混合机，混合时间2~6h。
7.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述不锈钢粉末的粒径为15~53μm。
8.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述不锈钢基复合粉末在增材制造前还包括将其过筛、干燥。
9.根据权利要求8所述的增材制造方法，其特征在于，筛网的目数为200~300目；
所述干燥采用真空干燥箱烘干，干燥温度为80~100℃，干燥时间为2~6h。
10.一种不锈钢基复合材料，其特征在于，由权利要求1~9任一项所述的增材制造方法制得。
11.根据权利要求10所述的不锈钢基复合材料，其特征在于，所述不锈钢基复合材料的平均晶粒尺寸为14.2~17.5μm，室温抗拉强度为823~990MPa，屈服强度为760~840 MPa，伸长率为10.0~16.0%，显微硬度为270~290HV1，销盘磨损试验磨损深度为33.7~46.0μm，中性盐雾试验的自腐蚀电位为-(0.17~0.22)V。
12.一种如权利要求10或11所述的不锈钢基复合材料在制备航空发动机系统和飞机结构件领域的应用。
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