RU2790710C1

RU2790710C1 - Metal powder for additive manufacturing

Info

Publication number: RU2790710C1
Application number: RU2022118543A
Authority: RU
Inventors: Розалия РЕМЕНТЕРИЯ ФЕРНАНДЕС; Фредерик БОННЕ; Мария Елена КОРРАЛЬ КОРРАЛЕС; Карла ОБЕРБИЛЛИГ
Original assignee: Арселормиттал
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2023-02-28

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metal powder for the manufacture of steel parts by additive manufacturing. The metal powder contains the following elements in wt.%: 0.01 ≤ C ≤ 0.2, 4.6 ≤ Ti ≤ 10, (0.45 × Тi) - 0.22 ≤ B ≤ (0.45 × Ti) + 0.70, S ≤ 0.03, P ≤ 0.04, N ≤ 0.05, О ≤ 0.05 and may also contain: Si ≤ 1.5, Mn ≤ 3, Аl ≤ 1.5, Ni ≤ 1, Mo ≤ 1, Cr ≤ 3, Cu ≤ 1, Nb ≤ 0.1, V ≤ 0.5, and contains allocations of TiB₂ and FeB, the rest is Fe and the inevitable impurities resulting from processing. The amount of TiB₂ is equal to or more than 10% by volume, and the average bulk density of the powder is 7.50 g/cm³ or less.

EFFECT: production of steel parts by additive manufacturing with low density, high values of the modulus of elasticity and tensile strength.

8 cl, 4 tbl, 4 ex

Description

Настоящее изобретение относится к металлическому порошку для изготовления стальных деталей и, в частности, для их использования для аддитивного производства. Настоящее изобретение также относится к способу изготовления металлического порошка.The present invention relates to a metal powder for the manufacture of steel parts and in particular for their use in additive manufacturing. The present invention also relates to a method for producing metal powder.

Стали FeTiB₂ привлекают большое внимание благодаря отличному высокому модулю упругости E, низкой плотности и высокой прочности на растяжение. Однако такие стальные листы сложно производить обычными путями с хорошим выходом, что ограничивает их использование.FeTiB ₂ steels are attracting a lot of attention due to their excellent high modulus E, low density and high tensile strength. However, such steel sheets are difficult to produce in a good yield by conventional means, which limits their use.

Таким образом, целью настоящего изобретения является устранение таких недостатков путем предоставления порошков FeTiB₂, которые могут быть эффективно использованы для изготовления деталей методами аддитивного производства при сохранении хороших эксплуатационных свойств.Thus, it is an object of the present invention to overcome such shortcomings by providing FeTiB ₂ powders that can be effectively used for manufacturing parts by additive manufacturing while maintaining good performance properties.

Для этой цели первый предмет настоящего изобретения состоит из металлического порошка, имеющего композицию, содержащую следующие элементы, выраженные по массе:For this purpose, the first object of the present invention consists of a metal powder having a composition containing the following elements, expressed by weight:

0,01% ≤ C ≤ 0,2%0.01% ≤ C ≤ 0.2%

4,6% ≤ Ti ≤ 10%4.6% ≤ Ti ≤ 10%

(0,45 хТi) – 0,22% ≤ B ≤ (0,45 xTi) + 0,70%(0.45 xTi) - 0.22% ≤ B ≤ (0.45 xTi) + 0.70%

S ≤ 0,03%S ≤ 0.03%

P ≤ 0,04%P ≤ 0.04%

N ≤ 0,05%N ≤ 0.05%

О ≤ 0,05%O ≤ 0.05%

и, необязательно, содержащий:and optionally containing:

Si ≤ 1,5%Si ≤ 1.5%

Mn ≤ 3%Mn ≤ 3%

Аl ≤ 1,5%Al ≤ 1.5%

Ni ≤ 1%Ni ≤ 1%

Mo ≤ 1%Mo ≤ 1%

Cr ≤ 3%Cr ≤ 3%

Cu ≤ 1%Cu ≤ 1%

Nb ≤ 0,1%Nb ≤ 0.1%

V ≤ 0,5%V ≤ 0.5%

и содержащий выделения TiB₂ и Fe₂B, остальное Fe и неизбежные примеси, возникающие в результате переработки, причем количество TiB₂равно или более 10% по объему и средняя объемная плотность порошка составляет 7,50 г/см³ или менее. and containing emissions of TiB ₂ and Fe ₂ B, the rest of Fe and inevitable impurities resulting from processing, and the amount of TiB ₂ is equal to or more than 10% by volume and the average bulk density of the powder is 7.50 g/cm ³ or less.

Металлический порошок по изобретению может также иметь необязательные признаки, перечисленные в любом из пп. 2-4, рассматриваемые по отдельности или в комбинации.The metal powder of the invention may also have the optional features listed in any one of paragraphs. 2-4, considered singly or in combination.

Второй предмет изобретения состоит из способа изготовления металлического порошка для аддитивного производства, включающего:The second subject matter of the invention consists of a method for making metal powder for additive manufacturing, comprising:

- плавление элементов и/или металлических сплавов при температуре по меньшей мере на 50°C выше температуры ликвидуса, чтобы получить расплавленную композицию, содержащую по массе, 0,01% ≤С ≤ 0,2%, 4,6% ≤ Ti ≤ 10%, (0,45хТi)-0,22% ≤ B ≤ (0,45xTi) + 0,70%, S ≤ 0,03%, P ≤ 0,04%, N ≤ 0,05%, O ≤ 0,05% и необязательно содержащую Si ≤ 1,5%, Mn ≤ 3%, Al ≤ 1,5%, Ni ≤ 1%, Mo ≤ 1%, Cr ≤ 3%, Cu ≤ 1%, Nb ≤ 0,1%, V ≤ 0,5%, остальное составляет Fe и неизбежные примеси, возникающие в результате переработки и- melting elements and/or metal alloys at a temperature of at least 50°C above the liquidus temperature to obtain a molten composition containing, by weight, 0.01% ≤ C ≤ 0.2%, 4.6% ≤ Ti ≤ 10 %, (0.45xTi)-0.22% ≤ B ≤ (0.45xTi) + 0.70%, S ≤ 0.03%, P ≤ 0.04%, N ≤ 0.05%, O ≤ 0 05% and optionally containing Si ≤ 1.5%, Mn ≤ 3%, Al ≤ 1.5%, Ni ≤ 1%, Mo ≤ 1%, Cr ≤ 3%, Cu ≤ 1%, Nb ≤ 0.1 %, V ≤ 0.5%, the rest is Fe and unavoidable impurities resulting from processing and

- распыление расплавленной композиции через сопло газом под давлением.- spraying the molten composition through a nozzle with gas under pressure.

Способ по изобретению может также иметь необязательные признаки, перечисленные в любом из пп. 6-8, рассматриваемые по отдельности или в комбинации. The method according to the invention may also have the optional features listed in any of paragraphs. 6-8, considered individually or in combination.

Изобретение будет лучше понято, если прочитать следующее описание, которое предоставляется исключительно в целях объяснения и никоим образом не предназначено для того, чтобы быть ограничительным.The invention will be better understood by reading the following description, which is provided for the purpose of explanation only and is not intended to be restrictive in any way.

Порошок по изобретению имеет специфический состав, сбалансированный для получения хороших свойств при использовании для изготовления деталей.The powder according to the invention has a specific composition, balanced to obtain good properties when used for the manufacture of parts.

Содержание углерода ограничено из-за свариваемости, поскольку стойкость к холодным трещинам и ударная вязкость в HAZ (зона теплового влияния) уменьшаются, когда содержание углерода превышает 0,20%. Когда содержание углерода равно или меньше 0,050% по массе, стойкость к свариваемости особенно улучшается. The carbon content is limited due to weldability because cold crack resistance and toughness in the HAZ (Heat Affected Zone) decrease when the carbon content exceeds 0.20%. When the carbon content is equal to or less than 0.050% by mass, the weldability is especially improved.

Из-за содержания титана в стали содержание углерода предпочтительно ограничено таким образом, чтобы избежать первичного выделения TiC и/или Ti(C,N) в жидком металле. Максимальное содержание углерода предпочтительно должно быть ограничено 0,1% и даже лучше 0,080%, чтобы выделения TiC и/или Ti(C,N) образовывались преимущественно во время затвердевания или в твердой фазе. Due to the titanium content of the steel, the carbon content is preferably limited in such a way as to avoid primary precipitation of TiC and/or Ti(C,N) in the liquid metal. The maximum carbon content should preferably be limited to 0.1%, and even better 0.080%, so that TiC and/or Ti(C,N) precipitates are formed predominantly during solidification or in the solid phase.

Кремний является необязательным элементом, но при добавлении эффективно способствует увеличению прочности на растяжение благодаря твердому раствору. Однако чрезмерное добавление кремния вызывает образование адгезивных оксидов, которые трудно удалить. Для поддержания хороших свойств поверхности содержание кремния не должно превышать 1,5% по массе. Silicon is an optional element, but when added effectively contributes to the increase in tensile strength due to the solid solution. However, excessive addition of silicon causes the formation of adhesive oxides that are difficult to remove. To maintain good surface properties, the silicon content should not exceed 1.5% by weight.

Марганец является необязательным элементом. Однако в количестве, равном или превышающем 0,06%, марганец повышает затвердевание и способствует упрочнению твердого раствора и, следовательно, увеличивает прочность на растяжение. Он сочетается с любой присутствующей серой, тем самым снижая риск горячего растрескивания. Но, при содержании марганца выше 3% по массе, существует больший риск образования вредной сегрегации марганца во время затвердевания. Manganese is an optional element. However, in an amount equal to or greater than 0.06%, manganese increases solidification and contributes to solid solution strengthening and hence increases tensile strength. It combines with any sulfur present, thereby reducing the risk of hot cracking. But, at manganese content above 3% by mass, there is a greater risk of harmful manganese segregation during solidification.

Алюминий является необязательным элементом. Однако в количестве, равном или превышающем 0,005%, алюминий является очень эффективным элементом для раскисления стали. Но, выше содержания 1,5% по массе, происходит чрезмерное первичное осаждение оксида алюминия, вызывающее проблемы при обработке. Aluminum is an optional element. However, in an amount equal to or greater than 0.005%, aluminum is a very effective element for steel deoxidation. But, above 1.5% by mass, excessive primary precipitation of alumina occurs, causing processing problems.

В количестве, превышающем 0,030%, сера имеет тенденцию к выделению в чрезмерно больших количествах в виде сульфидов марганца, которые вредны. In an amount exceeding 0.030%, sulfur tends to be released in excessively large amounts as manganese sulfides, which are harmful.

Фосфор — это элемент, который, как известно, выделяется на границах зерен. Его содержание не должно превышать 0,040% для поддержания достаточной горячей пластичности, тем самым избегая растрескивания. Phosphorus is an element known to precipitate at grain boundaries. Its content should not exceed 0.040% to maintain sufficient hot ductility, thereby avoiding cracking.

Необязательно могут быть добавлены никель, медь или молибден, эти элементы увеличивают прочность на растяжение стали. По экономическим причинам эти добавки ограничены 1% по массе. Nickel, copper or molybdenum may optionally be added, these elements increase the tensile strength of the steel. For economic reasons, these additives are limited to 1% by weight.

Необязательно, для увеличения прочности на растяжение может быть добавлен хром. Это также позволяет осаждать большее количество карбидов. Однако его содержание ограничено 3% по массе для производства менее дорогой стали. Предпочтительно выбирают содержание хрома, равное или менее 0,080%. Это связано с тем, что чрезмерное добавление хрома приводит к выделению большего количества карбидов.Optionally, chromium may be added to increase tensile strength. This also allows more carbides to be deposited. However, its content is limited to 3% by weight for the production of less expensive steel. Preferably, a chromium content of 0.080% or less is chosen. This is due to the fact that excessive addition of chromium leads to the precipitation of more carbides.

Также необязательно ниобий и ванадий могут быть добавлены в количестве, равном или менее 0,1% и равном или менее чем 0,5%, соответственно, с тем чтобы получить дополнительное упрочнение в виде мелкодисперсных осажденных карбонитридов. Also optionally, niobium and vanadium may be added in amounts equal to or less than 0.1% and equal to or less than 0.5%, respectively, in order to obtain additional hardening in the form of fine precipitated carbonitrides.

Титан и бор играют важную роль в порошке согласно изобретению.Titanium and boron play an important role in the powder according to the invention.

Титан присутствует в количестве от 4,6% до 10%. При массовом содержании титана менее 4,6%, выделения TiB₂ не происходит в достаточном количестве. Это связано с тем, что объемная доля осажденного TiB₂ составляет менее 10%, что исключает значительное изменение модуля упругости, который может остаться менее 240 ГПа. При массовом содержании титана более 10%, в жидком металле происходит грубое первичное выделение TiB₂, что вызывает проблемы в продуктах. Кроме того, температура ликвидуса увеличивается и перегрев по меньшей мере на 50°C не может быть достигнут в стандартном процессе распыления.Titanium is present in an amount of 4.6% to 10%. When the mass content of titanium is less than 4.6%, the allocation of TiB ₂ does not occur in sufficient quantities. This is because the volume fraction of the deposited TiB ₂ is less than 10%, which excludes a significant change in the elastic modulus, which can remain below 240 GPa. When the mass content of titanium is more than 10%, in the liquid metal there is a rough initial separation of TiB ₂ , which causes problems in the products. In addition, the liquidus temperature increases and overheating of at least 50°C cannot be achieved in a standard spray process.

При затвердевании происходит выделение эвтектики FeTiB₂. Эвтектический характер выделений придает сформированной микроструктуре особую тонкость и однородность, выгодные для механических свойств. Когда количество эвтектических выделений TiB₂ превышает 10% по объему, модуль может превышать приблизительно 240 ГПа, что позволяет проектировать значительно облегченные конструкции. Это количество может быть увеличено до 15% по объему, чтобы превысить приблизительно 250 ГПа, в случае сталей, содержащих легирующие элементы, такие как хром или молибден. Это связано с тем, что, когда эти элементы присутствуют, увеличивается максимальное количество TiB₂, которое может быть получено в случае эвтектического осаждения. During solidification, the FeTiB ₂ eutectic is released. The eutectic nature of the precipitates gives the formed microstructure a special fineness and uniformity, which are beneficial for mechanical properties. When the amount of TiB ₂ eutectic precipitation exceeds 10% by volume, the modulus can exceed approximately 240 GPa, which allows the design of significantly lighter structures. This amount can be increased up to 15% by volume to exceed approximately 250 GPa in the case of steels containing alloying elements such as chromium or molybdenum. This is because when these elements are present, the maximum amount of TiB ₂ that can be obtained in the case of eutectic deposition increases.

Как объяснялось выше, титан должен присутствовать в достаточном количестве, чтобы вызвать эндогенное образование TiB₂.As explained above, titanium must be present in sufficient quantity to cause endogenous formation of TiB ₂ .

В рамках настоящего изобретения «свободный Ti» обозначает содержание Ti, не связанного в виде выделений. Содержание свободного Ti можно оценить как свободный Ti = Ti - 2,215 x B, где В означает содержание бора в порошке. In the context of the present invention, "free Ti" refers to the content of Ti not bound as precipitates. The free Ti content can be estimated as free Ti = Ti - 2.215 x B, where B is the boron content of the powder.

Согласно изобретению, содержание титана и бора таково, что: According to the invention, the content of titanium and boron is such that:

-0,22 ≤ B - (0,45×Ti) ≤ 0,70-0.22 ≤ B - (0.45×Ti) ≤ 0.70

В этом диапазоне содержание свободного Ti составляет менее 0,5%. Предпочтительно, устанавливают содержание свободного титана в количестве между 0,30 и 0,40%. Выделение происходит в виде двух последовательных эвтектик: сначала FeTiB₂, а затем Fe₂B, это второе эндогенное выделение Fe₂B происходит в большем или меньшем количестве в зависимости от содержания бора в сплаве. Количество выделений в виде Fe₂B может составлять до 8% по объему. Это второе выделение также происходит по эвтектической схеме, что позволяет получить тонкое равномерное распределение, тем самым обеспечивая хорошую однородность механических свойств. In this range, the content of free Ti is less than 0.5%. Preferably, the free titanium content is set at between 0.30 and 0.40%. Isolation occurs in the form of two successive eutectics: first FeTiB ₂ and then Fe ₂ B, this second endogenous precipitation of Fe ₂ B occurs in greater or lesser amounts depending on the boron content in the alloy. The amount of excretions in the form of Fe ₂ B can be up to 8% by volume. This second separation also takes place in a eutectic pattern, which makes it possible to obtain a fine uniform distribution, thereby ensuring good uniformity of mechanical properties.

Выделения Fe₂B дополняют выделения TiB₂, максимальное количество которых связано с эвтектикой. Fe₂B играет роль, аналогичную роли TiB₂. Он увеличивает модуль упругости и уменьшает плотность. Таким образом, механические свойства могут быть точно скорректированы путем изменения дополнения выделений Fe₂B по отношению к выделениям TiB₂. Это может быть использовано, в частности, для получения модуля упругости более 250 ГПа в стали. Когда сталь содержит количество Fe₂B, равное или превышающее 4% по объему, модуль упругости увеличивается более чем на 5 ГПа. Когда количество Fe₂B превышает 7,5% по объему, модуль упругости увеличивается более чем на 10 ГПа.The Fe ₂ B precipitates supplement the TiB ₂ precipitates, the maximum amount of which is related to the eutectic. Fe ₂ B plays a role similar to that of TiB ₂ . It increases the modulus of elasticity and reduces the density. Thus, the mechanical properties can be fine-tuned by changing the complement of the Fe ₂ B precipitates relative to the TiB ₂ precipitates. This can be used, in particular, to obtain an elastic modulus of more than 250 GPa in steel. When the steel contains an amount of Fe ₂ B equal to or greater than 4% by volume, the elastic modulus increases by more than 5 GPa. When the amount of Fe ₂ B exceeds 7.5% by volume, the elastic modulus increases by more than 10 GPa.

Объемная плотность металлического порошка по изобретению является неожиданно хорошей. The bulk density of the metal powder according to the invention is surprisingly good.

Действительно, объемная плотность металлического порошка, согласно изобретению, имеет максимальное значение 7,50 г/см³. Благодаря такой низкой плотности порошка, деталь, выполненная из такого металлического порошка, путем аддитивного производства, будет иметь пониженную плотность наряду с улучшенным модулем упругости. Indeed, the bulk density of the metal powder according to the invention has a maximum value of 7.50 g/cm ³ . Due to such a low powder density, a part made from such a metal powder by additive manufacturing will have a reduced density along with an improved elastic modulus.

Порошок может быть получен, например, путем предварительного смешивания и плавления чистых элементов и/или ферросплавов сырьевых материалов. Альтернативно, порошок может быть получен путем плавления предварительно легированных композиций.The powder can be obtained, for example, by premixing and melting pure elements and/or ferroalloys of the raw materials. Alternatively, the powder may be obtained by melting pre-alloyed compositions.

Чистые элементы обычно предпочтительнее, чтобы избежать слишком большого количества примесей, поступающих из ферросплавов, поскольку эти примеси могут облегчить кристаллизацию. Тем не менее, в случае настоящего изобретения было отмечено, что примеси, поступающие из ферросплавов, не мешали осуществлению изобретения.Pure elements are generally preferred to avoid too many impurities coming from ferroalloys, since these impurities can facilitate crystallization. However, in the case of the present invention, it was noted that impurities coming from ferroalloys did not interfere with the implementation of the invention.

Специалист в данной области техники знает, как смешивать различные ферросплавы и чистые элементы, чтобы достичь целевой композиции.The person skilled in the art knows how to mix different ferroalloys and pure elements to achieve the desired composition.

После того, как композиция была получена путем смешивания чистых элементов и/или ферросплавов в соответствующих пропорциях, композицию нагревают при температуре по меньшей мере на 50°С выше температуры ликвидуса и поддерживают при этой температуре для расплавления всего сырья и гомогенизации расплава. Благодаря такому перегреву снижение вязкости расплавленного состава помогает получить порошок с хорошими свойствами. Тем не менее, поскольку поверхностное натяжение увеличивается с температурой, предпочтительно не нагревать композицию при температуре более чем на 450°C выше температуры ее ликвидуса.After the composition has been obtained by mixing pure elements and/or ferroalloys in appropriate proportions, the composition is heated at a temperature of at least 50°C above the liquidus temperature and maintained at this temperature to melt all the raw materials and homogenize the melt. Due to this overheating, the reduction in the viscosity of the molten composition helps to obtain a powder with good properties. However, since the surface tension increases with temperature, it is preferable not to heat the composition at more than 450° C. above its liquidus temperature.

Предпочтительно, композицию нагревают при температуре по меньшей мере на 100°С выше ее температуры ликвидуса. Более предпочтительно композицию нагревают при температуре от 300 до 400°С выше температуры ликвидуса.Preferably, the composition is heated at a temperature of at least 100° C. above its liquidus temperature. More preferably, the composition is heated at a temperature of 300 to 400° C. above the liquidus temperature.

Затем расплавленную композицию распыляют на мелкие капли металла путем нагнетания потока расплавленного металла через отверстие сопла, при умеренном давления и обдувая его струями газа (распыление газом) или воды (распыление водой). В случае распыления газом газ вводят в металлический поток непосредственно перед выходом из сопла, что служит для создания турбулентности, поскольку захваченный газ расширяется (из-за нагрева) и выходит в большой объем, распылительную колонну. Последняя заполняется газом для дальнейшего завихрения струи расплавленного металла. Капли металла охлаждаются при падении в распылительной колонне. Газовое распыление является предпочтительным, поскольку оно способствует получению частиц порошка, имеющих высокую степень округлости и небольшое количество сопутствующих веществ.The molten composition is then atomized into small droplets of metal by forcing a stream of molten metal through a nozzle opening at moderate pressure and blowing it with jets of gas (gas atomization) or water (water atomization). In the case of gas spraying, gas is introduced into the metal stream just before exiting the nozzle, which serves to create turbulence as the entrained gas expands (due to heating) and exits into a large volume, the spray column. The latter is filled with gas to further swirl the jet of molten metal. The metal droplets are cooled as they fall in the spray tower. Gas atomization is preferred because it produces powder particles having a high degree of roundness and a small amount of related substances.

Газ распыления представляет собой аргон или азот. Оба этих газа увеличивают вязкость расплава медленнее, чем другие газы, например, гелий, что способствует образованию частиц меньших размеров. Они также контролирует чистоту химического состава, позволяя избегать нежелательных примесей, и играют ключевую роль в хорошей морфологии порошка. С аргоном можно получить более мелкие частицы, чем с азотом, поскольку молярная масса азота составляет 14,01 г/моль по сравнению с 39,95 г/моль для аргона. С другой стороны, удельная теплоемкость азота составляет 1,04 Дж/(г·К) по сравнению с 0,52 для аргона. Так, азот увеличивает скорость охлаждения частиц.The spray gas is argon or nitrogen. Both of these gases increase the viscosity of the melt more slowly than other gases, such as helium, which contributes to the formation of smaller particles. They also control the purity of the chemical composition to avoid unwanted impurities and play a key role in good powder morphology. Smaller particles can be obtained with argon than with nitrogen, since the molar mass of nitrogen is 14.01 g/mol compared to 39.95 g/mol for argon. On the other hand, the specific heat capacity of nitrogen is 1.04 J/(g·K) compared to 0.52 for argon. Thus, nitrogen increases the rate of particle cooling.

Давление газа имеет важное значение, поскольку оно непосредственно влияет на распределение частиц по размерам и микроструктуру металлического порошка. В частности, чем выше давление, тем выше скорость охлаждения. Следовательно, давление газа устанавливают между 10 и 30 бар, чтобы оптимизировать распределение частиц по размерам и способствовать образованию микро/нанокристаллической фазы. Предпочтительно, давление газа устанавливают между 14 и 18 бар, чтобы способствовать образованию частиц, размер которых наиболее совместим с аддитивными технологиями производства.The gas pressure is important because it directly affects the particle size distribution and the microstructure of the metal powder. In particular, the higher the pressure, the higher the cooling rate. Therefore, the gas pressure is set between 10 and 30 bar to optimize the particle size distribution and promote the formation of the micro/nanocrystalline phase. Preferably, the gas pressure is set between 14 and 18 bar to promote the formation of particles whose size is most compatible with additive manufacturing technologies.

Диаметр сопла оказывает непосредственное влияние на скорость потока расплавленного металла и, таким образом, на распределение частиц по размерам и на скорость охлаждения. Максимальный диаметр сопла обычно ограничен 4 мм, чтобы ограничить увеличение среднего размера частиц и снижение скорости охлаждения. Диаметр сопла предпочтительно составляет от 2 до 3 мм для более точного контроля распределения частиц по размерам и содействия формированию конкретной микроструктуры.The nozzle diameter has a direct influence on the flow rate of the molten metal and thus on the particle size distribution and on the cooling rate. The maximum nozzle diameter is usually limited to 4mm to limit the increase in average particle size and decrease in cooling rate. The nozzle diameter is preferably 2 to 3 mm to more precisely control the particle size distribution and promote the formation of a particular microstructure.

Отношение газа к металлу, определяемое как отношение между расходом газа (в кг/ч) и расходом металла (в кг/ч), предпочтительно поддерживается между 1,5 и 7, более предпочтительно между 3 и 4. Это помогает регулировать скорость охлаждения и, таким образом, дополнительно способствует формированию специфической микроструктуры.The gas to metal ratio, defined as the ratio between the gas flow rate (in kg/h) and the metal flow rate (in kg/h), is preferably kept between 1.5 and 7, more preferably between 3 and 4. This helps to control the cooling rate and, thus further contributing to the formation of a specific microstructure.

Согласно варианту изобретения, в случае поглощения влаги металлический порошок, полученный распылением, сушат для дальнейшего улучшения его текучести. Сушку предпочтительно осуществляют при 100°C в вакуумной камере.According to an embodiment of the invention, in the case of moisture absorption, the sprayed metal powder is dried to further improve its fluidity. Drying is preferably carried out at 100° C. in a vacuum chamber.

Металлический порошок, полученный распылением, может быть либо использован как таковой, либо просеян для сохранения частиц, размер которых лучше соответствует технологии аддитивного производства, которая будет использоваться впоследствии. Например, в случае аддитивного производства методом Powder Bed Fusion предпочтительнее диапазон 20-63 мкм. В случае аддитивного производства методом Laser Metal Deposition или Direct Metal Deposition предпочтительнее диапазон 45-150 мкм.The sputtered metal powder can either be used as such or sieved to retain a particle size that better matches the additive manufacturing technology that will be used later. For example, in the case of additive manufacturing with Powder Bed Fusion, the 20-63 µm range is preferred. In the case of additive manufacturing with Laser Metal Deposition or Direct Metal Deposition, the 45-150 µm range is preferred.

Детали, изготовленные из металлического порошка согласно изобретению, могут быть получены методами аддитивного производства, такими как расплавление в слое порошка лазером (LPBF), прямое лазерное спекание металла (DMLS), электронно-лучевое плавление (EBM), селективное термическое спекание (SHS), селективное лазерное спекание (SLS), лазерное осаждение металла (LMD), прямое осаждение металла (DMD), прямое лазерное плавление металла (DMLM), прямая печать металлом (DMP), лазерная плакировка (LC), струйное нанесение связующего (BJ). Покрытия, изготовленные из металлического порошка согласно изобретению, также могут быть получены с помощью таких технологий производства, как холодное напыление, термическое напыление, высокоскоростное кислородное топливо.Parts made from metal powder according to the invention can be obtained by additive manufacturing methods such as laser melting in powder layer (LPBF), direct metal laser sintering (DMLS), electron beam melting (EBM), selective thermal sintering (SHS), selective laser sintering (SLS), laser metal deposition (LMD), direct metal deposition (DMD), direct metal laser melting (DMLM), direct metal printing (DMP), laser cladding (LC), ink jet bonding (BJ). Coatings made from metal powder according to the invention can also be obtained using manufacturing techniques such as cold spray, thermal spray, high velocity oxygen fuel.

ПримерыExamples

Следующие примеры и тесты, представленные здесь, являются неограничивающими по своему характеру и должны рассматриваться только в целях иллюстрации. Они проиллюстрируют преимущества настоящего изобретения, значение параметров, выбранных изобретателями после обширных экспериментов, и дополнительно установят свойства, которые могут быть достигнуты металлическим порошком согласно изобретению.The following examples and tests presented here are non-limiting in nature and should be considered for illustrative purposes only. They will illustrate the advantages of the present invention, the significance of the parameters chosen by the inventors after extensive experimentation, and further establish the properties that can be achieved by the metal powder according to the invention.

Металлические композиции согласно таблице 1 сначала получали либо путем смешивания и плавления ферросплавов и чистых элементов в соответствующих пропорциях, либо путем плавления предварительно легированных композиций. Состав, в массовом отношении, добавленных элементов показан в таблице 1.Metal compositions according to table 1 were first obtained either by mixing and melting ferroalloys and pure elements in appropriate proportions, or by melting pre-alloyed compositions. The composition, by weight, of the added elements is shown in Table 1.

Таблица 1. Состав расплаваTable 1. Melt composition

Количества азота и кислорода во всех образцах были ниже 0,001%.The amounts of nitrogen and oxygen in all samples were below 0.001%.

Эти металлические композиции нагревали, а затем распыляли с аргоном или азотом в условиях процесса, показанных в таблице 2.These metal compositions were heated and then sprayed with argon or nitrogen under the process conditions shown in Table 2.

Таблица 2. Параметры распыленияTable 2. Spray parameters

Для всех испытаний входные параметры распылителя BluePower AU3000 были следующими:For all tests, the input parameters of the BluePower AU3000 atomizer were as follows:

Старт ΔPStart ΔP 60 мбар60 mbar Конец ΔPEnd ΔP 140 мбар140 mbar Время ΔPΔP time 1,5 мин1.5 min Давление газа аргонаArgon gas pressure 24 бар24 bar Время задержки запуска газаGas Start Delay Time 1-2 с1-2 s Тигель/Материал стержня стопора Crucible/Stopper rod material Al₂O₃ /Al₂O₃ Al ₂ O ₃ /Al ₂ O ₃ Диаметр выходного отверстия тигляCrucible outlet diameter Материал выходного тигляOutput crucible material Нитрид бораBoron nitride

ПартияThe consignment Перегрев T (°C)Superheat T (°C) Выдержка t (мин)Exposure t (min) T распыл. (ºC)T spray (ºC) Газ распыл.Sprayed gas Т газа
(ºC)T gas
(ºC) t распыл. мм:ссt spray mm:ss F1, %F1, % F2, %F2, % F3, %F3, % C76C76 250250 4545 15441544 ArAr 200200 0:590:59 15,615.6 36,236.2 33,633.6 C75C75 250250 4545 15461546 N₂ N ₂ 200200 1:201:20 18,218.2 30,730.7 28,728.7 C27C27 260260 4545 15541554 N₂ N ₂ 200200 1:051:05 11,911.9 19,319.3 33,633.6 C28C28 100100 4444 13961396 N₂ N ₂ 200200 1:031:03 10,510.5 19,719.7 32,132.1

Полученный металлический порошок затем высушивают при 100°C под вакуумом в течение 0,5-1 дня и просеивают для разделения на три фракции от F1 до F3 в соответствии с их размером.The obtained metal powder is then dried at 100°C under vacuum for 0.5-1 day and sieved to be divided into three fractions from F1 to F3 according to their size.

Фракция F1 имела размер между 1 и 19 мкм, фракция F2 имела размер между 20 и 63 мкм и фракция F3 имела размер более 63 мкм.Fraction F1 had a size between 1 and 19 µm, fraction F2 had a size between 20 and 63 µm and fraction F3 had a size of more than 63 µm.

Был проанализирован элементный состав порошков в массовых процентах и основные элементы показаны в таблице 3. Все остальные элементы композиции находились в пределах диапазонов изобретения.The elemental composition of the powders was analyzed in mass percent and the main elements are shown in table 3. All other elements of the composition were within the ranges of the invention.

Таблица 3. Состав порошкаTable 3. Powder composition

ОбразецSample TiTi BB Свободный
TiFree
Ti TiB₂
(% об,)TiB ₂
(% about,) Fe₂B _Fe2B C76C76 3,223.22 1,521.52 00 7,87.8 ДаYes C75C75 3,633.63 1,701.70 00 8,88.8 ДаYes C27C27 4,764.76 1,991.99 0,350.35 10,610.6 ДаYes C28C28 4,874.87 2,032.03 0,370.37 10,810.8 ДаYes

Объемную плотность определили и привели в таблице 4.The bulk density was determined and given in table 4.

Таблица 4. Объемная плотностьTable 4 Bulk Density

*: образцы по изобретению, подчеркнутые значения: вне изобретения*: samples according to the invention, underlined values: outside the invention

Объемную плотность измеряли с использованием коммерческого пикнометра AccuPyc II 1340. Он основан на газовой пикнометрии с использованием атмосферы Ar. Такой метод более точен, чем принцип Архимеда, использующий жидкие системы для определения плотности порошка из-за проблем со смачиваемостью.Bulk density was measured using a commercial AccuPyc II 1340 pycnometer. It is based on gas pycnometry using an Ar atmosphere. This method is more accurate than Archimedes' principle, which uses liquid systems to determine powder density due to wettability issues.

Образцы предварительно высушивают для удаления влаги. Гелий используется из-за его небольшого атомного диаметра для проникновения в небольшие полости.Samples are pre-dried to remove moisture. Helium is used because of its small atomic diameter to penetrate small cavities.

Метод измерения основан на впрыскивании Не при заданном давлении в первую эталонную камеру, затем газ выпускается во вторую камеру, содержащую порошок. Давление в этой второй камере измеряется.The measurement method is based on injecting He at a given pressure into the first reference chamber, then the gas is released into the second chamber containing the powder. The pressure in this second chamber is measured.

Затем используется закон Мариотта для расчета объема порошка V_É.Mariotte's law is then used to calculate the powder volume V _É .

где V₁– объем первой эталонной камерыwhere V ₁ is the volume of the first reference chamber

V₀- объем второй камеры, содержащей образец порошкаV ₀ - the volume of the second chamber containing the powder sample

V_É- объем порошкаV _É - powder volume

Р₁- давление газа в первой эталонной камереP ₁ - gas pressure in the first reference chamber

Р₂- давление газа во второй камере, содержащей образец порошкаP ₂ - gas pressure in the second chamber containing the powder sample

Масса образца измеряется калиброванными весами, после чего рассчитывается соответствующая плотность.The mass of the sample is measured with a calibrated balance, after which the corresponding density is calculated.

Из примеров ясно, что порошок согласно изобретению, имеет пониженную плотность на уровне 7,50 г/см³ или ниже по сравнению с эталонными примерами, плотность которых значительно выше. Этот результат удивителен, поскольку соответствующие значения процентного содержания TiB₂ по объему не соответствуют такому разрыву в плотности.It is clear from the examples that the powder according to the invention has a reduced density of 7.50 g/cm ³ or less compared to the reference examples, which have a significantly higher density. This result is surprising since the corresponding volume percentages of TiB ₂ do not correspond to such a discontinuity in density.

Claims

1. Metal powder having a composition containing the following elements, expressed in wt.%:

0.01 ≤ C ≤ 0.2,

4.6 ≤ Ti ≤ 10,

(0.45×Ti) - 0.22 ≤ B ≤ (0.45×Ti) + 0.70,

S ≤ 0.03,

P ≤ 0.04,

N ≤ 0.05,

O ≤ 0.05,

and optionally containing:

Si ≤ 1.5,

Mn ≤ 3,

Al ≤ 1.5,

Ni ≤ 1,

Mo ≤ 1,

Cr ≤ 3,

Cu ≤ 1,

Nb ≤ 0.1,

V ≤ 0.5,

and containing emissions of TiB ₂ and Fe ₂ B, the rest is Fe and inevitable impurities resulting from processing, and the amount of TiB ₂ is equal to or more than 10% by volume and the average bulk density of the powder is 7.50 g/cm ³ or less.

2. Metal powder according to claim 1, wherein the amount of Fe ₂ B is at least 4%.

3. Metal powder according to claim 1 or 2, wherein the free Ti content is between 0.30 and 0.40% by weight.

4. Method for manufacturing metal powder for additive manufacturing, including:

- melting elements and/or metal alloys at a temperature of at least 50°C above the liquidus temperature to obtain a molten composition containing in wt.%: 0.01 ≤ C ≤ 0.2, 4.6 ≤ Ti ≤ 10, (0.45×Ti)-0.22 ≤ B ≤ (0.45×Ti) + 0.70, S ≤ 0.03, P ≤ 0.04, N ≤ 0.05, O ≤ 0.05 and optionally containing Si ≤ 1.5, Mn ≤ 3, Al ≤ 1.5, Ni ≤ 1, Mo ≤ 1, Cr ≤ 3, Cu ≤ 1, Nb ≤ 0.1, V ≤ 0.5, the rest is Fe and unavoidable impurities resulting from processing; And

- spraying the molten composition through a nozzle with gas under pressure.

5. The method according to claim 4, wherein the melting is carried out at a temperature of at least 100° C. above the liquidus temperature.

6. The method according to claim 4 or 5, wherein the melting is carried out at a temperature not exceeding 400° C. above the liquidus temperature.

7. The method according to any one of paragraphs. 4-6, in which the gas is at a pressure of 10 to 30 bar.

8. A metal part made by additive manufacturing using a metal powder according to any one of paragraphs. 1-3 or obtained by the method according to any one of paragraphs. 4-7.