CN115401216A - 一种合金过配粉体选区激光熔化制备高氮不锈钢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种合金过配粉体选区激光熔化制备高氮不锈钢的方法，具体为：将1Cr18Mn11Mo3N不锈钢合金粉末与氮化铬不规则粉体混合得到高氮不锈钢原料粉体，然后采用常压选区激光熔化技术进行打印获得高氮不锈钢，所述高氮不锈钢原料粉体中氮含量与高氮不锈钢中的目标氮含量的质量比为1:0.7‑0.85。本发明通过配置过配高氮含量粉体用于3D打印高氮不锈钢，解决了常压下打印出的不锈钢中氮含量较低的问题，具有广阔的应用前景。

Description

一种合金过配粉体选区激光熔化制备高氮不锈钢的方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及一种合金过配粉体选区激光熔化制备高氮不锈钢的方法。
背景技术
高氮不锈钢凭借其具有在多种腐蚀介质中优秀的耐腐蚀性能、良好的综合力学性能和优良的加工性能，被认为是最有发展前景的新型工程材料之一。在生物能源行业、航空航天、石油化工行业、海洋工程、生物医用等多方领域获得了广泛的应用。目前，国内外用于制备高氮钢的方法有：氮气加压熔炼法、粉末冶金法和表面渗氮法；氮气加压熔炼法在制备高氮钢的方法中获得的产品质量优异，但因其较高的高压制造成本、装备复杂等受到限制。
金属增材制造技术是一种以数字化模型为基础，通过高能热源加工粉体材料快速逐层堆积成型的制备加工技术，近30年来世界制造技术领域的一次重大突破，被视为推动人类第三次工业革命的新技术。选区激光熔化技术(SLM)是金属增材制造的一个重要分支，SLM工艺是高功率激光与金属粉体材料发生高速熔化凝固并选区逐层叠加交互作用的一个工艺过程。
选区激光熔化应用于制备高氮不锈钢因打印过程中氮元素溢出而无法直接得到氮含量达标的高氮不锈钢，通常采用增压方式抑制氮溢出，但常规3D打印设备不具备增压功能。大气压力下氮在液态钢中的溶解度很低，高氮钢的传统冶炼不像其它钢那样容易进行，同样SLM工艺在常压下使用常规含氮金属粉体也难以直接生产出高氮不锈钢。
因此，如何采用常压选区激光熔化技术制备高氮不锈钢是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是在混粉工艺和选区激光熔化技术基础上，提供一种采用合金过配粉体选区激光熔化制备高氮不锈钢的方法。解决了常压下打印出的不锈钢中氮含量较低的问题，具有广阔的应用前景。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种合金过配粉体选区激光熔化制备高氮不锈钢的方法，将1Cr18Mn11Mo3N不锈钢合金粉末与氮化铬不规则粉体混合得到高氮不锈钢原料粉体，然后采用常压选区激光熔化技术进行打印获得高氮不锈钢，所述高氮不锈钢原料粉体中氮含量与高氮不锈钢中的目标氮含量的质量比为1:0.7-0.85。
优选的，所述高氮不锈钢的目标化学成分按重量百分比为：C：≤0.1％，Cr：23～25％，N：0.8～2.0％，Mn：8～10％，Mo：3～3.5％，Ni<0.01％，Si：<0.1％，P：<0.01％，S：<0.1％，Fe：余量。
优选的，所述1Cr18Mn11Mo3N不锈钢合金粉末为粒度15～53μm，氮含量0.29％的气雾化球形不锈钢合金粉末；所述CrN金属粉体为含氮量为14.7％的不规则粉体。
优选的，所述1Cr18Mn11Mo3N不锈钢合金粉末与CrN金属粉体的质量比为49:1。
由于过配粉体选区激光熔化法依赖于过配法制备粉体和选区激光熔化法，对粉体粒径和流动性有一定要求。
优选的，所述常压选区激光熔化技术采用200W～300W激光功率，扫描速度700mm/s～1000mm/s，扫描间隔0.08mm，粉层厚度0.03mm的工艺参数，选区激光熔化3D打印机的供粉腔腔室内抽真空，充入氮气，基板预热至150℃后开始打印。
与现有技术相比，本发明过配粉体选区激光熔化法通过配粉的方式得到高氮打印粉体，；本发明采用过配粉体选区激光熔化方法进行制备，提高了过配粉体均匀性，降低打印元素偏析，保证制品中氮的含量；现有制备高氮钢粉末技术，成本极高，工艺极难。本发明采用的0.29％气雾化球形不锈钢合金粉末Cr18Mn11Mo3N易于制取，降低了制备高氮钢打印粉体成本，且反应过程无需增加反应压力，提高了安全性。
本发明通过调整混粉原料元素含量，提高了选区激光熔化法制备高氮钢的氮含量和氮含量的可控性，有效提高不锈钢材料的耐点蚀、耐应力腐蚀等性能，具有较高的屈服和拉伸强度，可以制备多种高氮钢打印粉体，增加了高氮钢3D打印提可行性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为氮含量1.011wt％的合金过配粉体在同扫描速度下不同激光功率打印前后的氮关系；其中，(a)扫描速度1000mm/s；(b)扫描速度900mm/s；(c)扫描速度800mm/s；(d)扫描速度700mm/s；
图2为本发明实施例1的拉伸试样图；
图3为本发明的实施例1制备的成型实物图。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明公开了一种采用合金过配粉体选区激光熔化制备高氮不锈钢的方法，本发明利用混粉和选区激光熔化方法高氮钢，在常规3D打印条件下制备高氮不锈钢，能有效提高复杂零部件的氮含量。
技术原理：
过配粉体选区激光熔化法关键在于两个方面，一、通过纯金属过配法配置适量的过配粉体，根据氮逸出率实验精准计算氮的溢出量，保证打印后氮的含量；二、制定合理的选区激光熔化凝固工艺，减少氮的偏析。
为获得精确的氮含量，保证氮在钢中均匀分布，对选区激光熔化过程中氮的溢出率进行了计算，从而得到过配粉体成分。通过实验法得到合理地选区激光熔化工艺。
经由原始氮含量1.011wt％的过配粉体SLM制备的高氮不锈钢，同扫描速度下不同激光功率的氮关系如图1所示。从图1(a)中可以看出，扫描速度1000mm/s、铺粉厚度0.03mm条件下，当激光功率200W时SLM试样中氮含量最高为0.837wt％，氮损失量为0.174wt％，氮损失率为17.2％；当激光功率300W时SLM试样中氮含量最低为0.769wt％，氮损失量为0.242wt％，氮损失率为23.9％；当激光功率由200W增至300W时，SLM试样中氮含量降低了0.068wt％，氮损失量增加了0.068wt％，氮损失率增加了6.7％。从图1(b)中可以看出，扫描速度900mm/s条件下，当激光功率250W时SLM试样中氮含量最高为0.782wt％，氮损失量为0.229wt％，氮损失率为22.7％；当激光功率350W时SLM试样中氮含量最低为0.715wt％，氮损失量为0.296wt％，氮损失率为29.3％；当激光功率由250W增至350W时，SLM试样中氮含量降低了0.067wt％，氮损失量增加了0.067wt％，氮损失率增加了7.1％。从图1(c)中可以看出，扫描速度800mm/s条件下，当激光功率200W时SLM试样中氮含量最高为0.821wt％，氮损失量为0.19wt％，氮损失率为18.8％；当激光功率350W时SLM试样中氮含量最低为0.702wt％，氮损失量为0.309wt％，氮损失率为30.6％；当激光功率由200W增至350W时，SLM试样中氮含量降低了0.119wt％，氮损失量增加了0.119wt％，氮损失率增加了11.8％。从图1(d)中可以看出，扫描速度700mm/s条件下，当激光功率200W时SLM试样中氮含量最高为0.805wt％，氮损失量为0.206wt％，氮损失率为20.4％；在激光功率300W时SLM试样中氮含量最低为0.726wt％，氮损失量为0.285wt％，氮损失率为28.2％；当激光功率由200W增至300W时，SLM试样中氮含量降低了0.079wt％，氮损失量增加了0.079wt％，氮损失率增加了7.8％。
实施例1：
1、高氮不锈钢原料粉体目标化学成分
表1高氮不锈钢原料粉体目标化学成分(质量％)
Figure BDA0003857143050000051
2、目标化学成分配备高氮不锈钢原料粉体
将含氮量为0.29wt％的球形不锈钢粉末(表2)和非球形氮化铬(表3)按每100克49：1的质量进行配比。高氮不锈钢原料粉体成分如下表4：
表2 0.29wt％的球形不锈钢粉末化学成分(质量％)
Figure BDA0003857143050000052
表3非球形氮化铬化学成分(质量％)
Figure BDA0003857143050000061
表4高氮不锈钢原料粉体化学成分(质量％)
Figure BDA0003857143050000062
4、将过配高氮不锈钢原料粉体放入选区激光融化实验设备分仓中，设置基板预热为150℃，保护气氛为氮气。选区激光熔化块体和拉伸件成形工艺参数如表5示，块体成形尺寸为5×5×5mm。拉伸试样尺寸如图2所示，成型件如图3所示。
表5选区激光熔化块体成形参数
Figure BDA0003857143050000063
5、成形件氮含量
表6成形件氮含量(成型件中其它组分含量与表2相同)
Figure BDA0003857143050000064
6、成形件性能
表7成形件性能
Figure BDA0003857143050000071
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种合金过配粉体选区激光熔化制备高氮不锈钢的方法，其特征在于，将1Cr18Mn11Mo3N不锈钢合金粉末与氮化铬不规则粉体混合得到高氮不锈钢原料粉体，然后采用常压选区激光熔化技术进行打印获得高氮不锈钢，所述高氮不锈钢原料粉体中氮含量与高氮不锈钢中的目标氮含量的质量比为1:0.7-0.85。
2.根据权利要求1所述的一种合金过配粉体选区激光熔化制备高氮不锈钢的方法，其特征在于，所述高氮不锈钢的目标化学成分按重量百分比为：C：≤0.1％，Cr：23～25％，N：0.8～2.0％，Mn：8～10％，Mo：3～3.5％，Ni<0.01％，Si：<0.1％，P：<0.01％，S：<0.1％，Fe：余量。
3.根据权利要求1所述的一种合金过配粉体选区激光熔化制备高氮不锈钢的方法，其特征在于，所述1Cr18Mn11Mo3N不锈钢合金粉末为粒度15～53μm，氮含量0.29％的气雾化球形不锈钢合金粉末；所述CrN金属粉体为含氮量为14.7％的不规则粉体。
4.根据权利要求3所述的一种合金过配粉体选区激光熔化制备高氮不锈钢的方法，其特征在于，所述1Cr18Mn11Mo3N不锈钢合金粉末与CrN金属粉体的质量比为49:1。
5.根据权利要求1所述的一种合金过配粉体选区激光熔化制备高氮不锈钢的方法，其特征在于，所述常压选区激光熔化技术采用200W～300W激光功率，扫描速度700mm/s～1000mm/s，扫描间隔0.08mm，粉层厚度0.03mm的工艺参数，选区激光熔化3D打印机的供粉腔腔室内抽真空，充入氮气，基板预热至150℃后开始打印。
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