CN115026307A - 一种高耐腐蚀不锈钢增材制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造金属材料领域，尤其是设计一种高耐腐蚀增材制造不锈钢制备工艺。所述制备方法包括以下步骤：步骤一：零件的三维模型构建；步骤二：采用的激光扫描策略为岛状加层间旋转一定角度，其中，岛状分区大小为2‑10mm的正方体，逐层旋转角度为45°‑90°；步骤三：金属零件的打印和零件的收取，打印过程中打印腔室内的氧气含量低于0.1％，压力保持在5‑10kPa，打印完成后使用线切割将零件和基板分离。本发明采用岛状‑逐层旋转45‑90°的扫描策略，选取合适的激光参数，制备出的不锈钢具有高硬度和耐腐蚀性能。

Description

一种高耐腐蚀不锈钢增材制造工艺
技术领域
本发明属于增材制造金属材料领域，尤其是设计一种高耐腐蚀增材制造不锈钢制备工艺。
背景技术
随着科学技术的发展，以激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术为代表的增材制造工艺，采用建模技术进行零件结构的三维建模，通过高能激光束逐层熔化金属粉末，制备出个性化定制的金属零件。因此，激光选区熔化工艺能够实现复杂零件的个性化快速制备，成型零件精度高、致密度高。
目前，利用激光选区熔化工艺来制备不锈钢的打印工艺已经相对成熟，如CN108374132公开了一种增材制造工艺制备耐腐蚀不锈钢粉料制备方法，CN1111118272A公开了一种激光选区熔化工艺制备高强度不锈钢零件的方法。激光选区熔化工艺制备的奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能和其微观结构密切相关。其中包括了亚晶结构、晶粒取向、晶粒细化等。但是，目前增材制造工艺制备不锈钢性能稳定性较差，不同工艺条件下激光选区熔化工艺制备的不锈钢腐蚀性能差异巨大。因此，不断优化增材制造不锈钢的制备工艺，制备具有优良耐腐蚀性能不锈钢材料是当前亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的是为了克服，当前SLM制备不锈钢耐蚀性能不稳定的缺陷，提供了一种打印稳定的高耐腐蚀增材制造不锈钢的方法。
一种制备高耐腐蚀增材制造不锈钢的方法，包括以下步骤：
步骤一：对零件进行三维建模
根据需要选取合适的建模软件，对零件进行三维建模；利用切片软件，将三维模型分层剖分，将切片处理后的三维模型导入增材制造设备中；
步骤二：选取合适的扫描策略
增材制造方法为激光选区熔化工艺(SLM)，所述的激光扫描策略为岛状加层间旋转一定角度，其中，岛状分区为长2-10mm的正方形，逐层旋转角度为45-90°；
步骤三：不锈钢粉末准备和打印腔室的准备
316L粉末化学成分(wt％)：Cr:16-18％，Ni:10-14％，Mo:2-3％，Mn≤2％，Si≤1％，P≤0.045％，C≤0.03％，S≤0.03％，O≤0.08％，余量为Fe：
步骤四：
将步骤三中的不锈钢粉末作为原料，根据步骤一到步骤二进行激光选区熔化成型，得到高耐腐蚀增材制造不锈钢。
优选地，步骤四所述激光选区熔化成型的工艺参数为：激光功率160-170W，扫描速度800-1000mm/s，铺粉厚度25-35微米，扫描间距60-80微米；
优选地，步骤三中粉末直径在15-53微米；更优选地，10％粉末直径小于等于17.6微米，50％粉末直径小于等于31.8微米，90％粉末直径小于等于51.7微米。
优选地，在进行激光选区熔化成型前，先使用吸尘器将打印腔室及粉料缸进行清理，清理结束后将不锈钢粉末放入粉料缸内，将打印基板放置在成型舱内的凹槽中，进行调平使得基板和成型仓平行，使用刮刀清刮余粉，使得粉料缸内粉末高度和成型仓基板平行；
优选地，在激光选区熔化成型进行中，在打印腔室内充入保护气体，保持腔室内氧气的含量低于0.1％，压力保持在5-10Kpa；
优选地，在激光选区熔化成型结束后，待打印腔室温度冷却至室温后，打开舱门，对粉料缸内的余粉进行回收；将附有打印零件的基板取出后，使用吸尘器清理样品和基板表面的余粉，通过线切割或其他金属切割工具将零件和基体分离。
一种高耐腐蚀增材制造不锈钢，通过上述方法制备得到。
本发明的有益效果是，本发明采用岛状-逐层旋转45-90°的扫描策略，选取合适的激光参数，制备出的不锈钢具有高硬度和耐腐蚀性能：
硬度指标：增材制造制备316L不锈钢顶面和侧面的显微硬度不低于200HV，普通商用316L不锈钢材料显微硬度约为150HV。
耐腐蚀性能指标：在3.5％氯化钠溶液中，增材制造不锈钢的点蚀电位相对于Ag/AgCl电极不低于1V，约为普通316L不锈钢的2倍；在3.5％氯化钠溶液中，增材制造不锈钢电化学阻抗谱的Nyquist图在不同316L不锈钢之上，具有优良的钝化膜性能。
附图说明
图1为实施例1制备不锈钢材料所采用的扫描策略示意图；
图2为实施例1和对比例2所得不锈钢的致密度图，其中实施例1的致密度为99.87％，对比例2的致密度为98.96％；
图3为实施例1的组织金相图；
图4为实施例和对比例1、对比例2所用不锈钢的动电位极化曲线；
图5为实施例和对比例1、对比例2所用不锈钢的电化学阻抗谱图；
图6为实施例和对比例1、对比例2所用不锈钢的显微硬度曲线图；
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的原件或具有相同或类似功能的原件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不是理解为对本发明的限制。
本发明的一个宽泛实施例中，一种增材制造工艺通过岛状扫描策略制备金属材料的方法。
实施例1
步骤一：对零件进行三维建模
根据需要选取合适的建模软件，对零件进行三维建模；利用切片软件，将三维模型分层剖分，将切片处理后的三维模型导入增材制造设备中。
步骤二：选取合适的扫描策略
增材制造方法为激光选区熔化工艺(SLM)，所述的激光扫描策略为岛状加层间旋转一定角度，其中，岛状分区为长7mm的正方形，逐层旋转角度为67°；
步骤三：其他工艺参数的选取
所述工艺条件为激光功率160-170W，扫描速度800-1000mm/s，铺粉厚度25-35微米，扫描间距60-80微米；
步骤四：打印前不锈钢粉末和打印腔室的准备
本发明使用的316L粉末化学成分(wt％)：Cr:16-18％，Ni:10-14％，Mo:2-3％，Mn≤2％，Si≤1％，P≤0.045％，C≤0.03％，S≤0.03％，O≤0.08％，余量为Fe。粉末粒度满足：粉末直径在15-53微米，10％粉末直径小于等于17.6微米，50％粉末直径小于等于31.8微米，90％粉末直径小于等于51.7微米，振实密度：5.34g/cm3，流动性由霍尔实验测定17.20s/50g；
使用吸尘器将打印腔室及粉料缸进行清理，清理结束后将不锈钢粉末放入粉料缸内，将打印基板放置在成型舱内的凹槽中，进行调平使得基板和成型仓平行，使用刮刀清刮余粉，使得粉料缸内粉末高度和成型仓基板平行；
步骤五：金属零件的打印和零件的收取
打印过程中，在打印腔室内充入保护气体，保持腔室内氧气的含量低于0.1％，压力保持在5-10Kpa；使用循环系统将打印过程中产生的副产物和飞溅粉末吹除。
打印结束后，待打印腔室温度冷却至室温后，打开舱门，对粉料缸内的余粉进行回收；
将附有打印零件的基板取出后，使用吸尘器清理样品和基板表面的余粉，通过线切割或其他金属切割工具将零件和基体分离。
对比例1
对比例1是与实施例1相同尺寸的非打印件，即锻压件316L不锈钢。测试前进行1050℃+1h的固溶处理。
对比例2
对比例2与实施例1在粉末成分和除扫描策略外的打印工艺完全相同，区别在于扫描策略的选取。对比例2的扫描策略如下：整体Z字扫描，不同层扫描路径相同。
图1显示了实施例所采用的扫描策略，激光扫描策略为岛状加层间旋转一定角度，其中岛状为长7mm的长方形，逐层旋转角度为67°。
图2显示了实施例1(岛状-67°)、对比例2(整体-0°)。可见，实施例1样品具有最大的致密度。
图3显示了实施例1(岛状-67°)的金相形貌图。图中可明显观察到岛状-67°扫描策略形成的独特金相形貌。
图4显示了实施例1(岛状-67°)、对比例1(普通商用316L不锈钢)、对比例2(整体-0°)在25℃温度环境下、3.5％的NaCl溶液中电化学极化测试曲线。动电位极化曲线中，电流大小和金属腐蚀速率呈正比，腐蚀电流大小越大样品的耐腐蚀性能越差，除此之外，点蚀电位也是表征腐蚀性能的重要参数，点蚀电位越小样品的腐蚀性能越差。在实验条件下，三种不同样品的自腐蚀电位和自腐蚀电流基本一致。但样品的点蚀电位有着明显的差别，实施例1所得样品的点蚀电位高于对比例1和对比例2，表明本发明提供的增材制造工艺制备的不锈钢具有优良的腐蚀性能。对比增材制造工艺制备三个样品的电流大小，实施例1的电流始终低于对比例1和对比例2，展现出更好的耐腐蚀性能。
图5显示了实施例(岛状-67°)、对比例1(普通商用316L不锈钢)、对比例2(整体-0°)在25℃温度环境下、3.5％的NaCl溶液中电化学阻抗谱图。三个样品的阻抗谱的Nyquist图形貌相同，都表现为一个容抗弧，容抗弧半径的大小和样品的阻抗能力呈正比，容抗弧半径越大，阻抗值越大，样品越耐腐蚀。图中，实施例1的容抗弧远远高于对比例1和2，表明在实施例1所使用工艺制备的增材制造不锈钢具有优良的钝化膜性能，展现出良好的耐腐蚀性能。
图6显示了实施例(岛状-67°)、对比例1(普通商用316L不锈钢)、对比例2(整体-0°)的硬度值。每个样品测10组数据，去掉一个最小值，去掉一个最大值，取平均值作为该样品的显微硬度。实施例1的微观硬度为256.21HV，显著高于对比例1的153.15HV和对比例2的227.07HV，说明实施例所用的激光能量密度下制备的增材制造不锈钢具有良好的硬度。

Claims (10)

1.一种制备高耐腐蚀增材制造不锈钢的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：对零件进行三维建模
根据需要选取合适的建模软件，对零件进行三维建模；利用切片软件，将三维模型分层剖分，将切片处理后的三维模型导入增材制造设备中；
步骤二：选取合适的扫描策略
增材制造方法为激光选区熔化工艺，所述的激光扫描策略为岛状加层间旋转一定角度，其中，岛状分区为长2-10mm的正方形，逐层旋转角度为45-90°；
步骤三：不锈钢粉末准备和打印腔室的准备
316L粉末化学成分：Cr:16-18％，Ni:10-14％，Mo:2-3％，Mn≤2％，Si≤1％，P≤0.045％，C≤0.03％，S≤0.03％，O≤0.08％，余量为Fe：
步骤四：
将步骤三中的不锈钢粉末作为原料，根据步骤一到步骤二进行激光选区熔化成型，得到高耐腐蚀增材制造不锈钢。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤四所述激光选区熔化成型的工艺参数为：激光功率160-170W，扫描速度800-1000mm/s，铺粉厚度25-35微米，扫描间距60-80微米。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三中粉末直径为15-53微米。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三中粉末中10％粉末直径小于等于17.6微米，50％粉末直径小于等于31.8微米，90％粉末直径小于等于51.7微米。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在激光选区熔化成型进行中，在打印腔室内充入保护气体，保持腔室内氧气的含量低于0.1％，压力保持在5-10Kpa。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在激光选区熔化成型结束后，待打印腔室温度冷却至室温后，打开舱门，对粉料缸内的余粉进行回收。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将附有打印零件的基板取出后，使用吸尘器清理样品和基板表面的余粉，通过线切割或其他金属切割工具将零件和基体分离。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在进行激光选区熔化成型前，先使用吸尘器将打印腔室及粉料缸进行清理，清理结束后将不锈钢粉末放入粉料缸内，将打印基板放置在成型舱内的凹槽中，进行调平使得基板和成型仓平行，使用刮刀清刮余粉，使得粉料缸内粉末高度和成型仓基板平行。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：
所述打印基板材料为45号钢；保护气体为纯度达到99.99％的氮气或者氩气。
10.一种高耐腐蚀增材制造不锈钢，通过权利要求1～9任一项所述方法制备得到。
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