CN117802418A - 一种增材制造耐腐蚀不锈钢及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种增材制造耐腐蚀不锈钢，所述耐腐蚀不锈钢各组分如下：铬含量为16～20wt％、镍含量为8～12wt％、钼含量为2～4wt％、镁含量为0.5～2wt％、铌含量为1～3wt％，其它合金元素含量为1～5wt％，铁和杂质元素构成剩余部分；利用激光增材制造技术将含有上述组分的金属粉末原料打印成耐腐蚀不锈钢工件。本发明原料利用率高，制备的耐腐蚀不锈钢基体组织为具有胞状亚结构的奥氏体，并弥散分布着纳米级夹杂物，各性能优异，能广泛应用于海洋装备、核能工程、航空航天制造、化工设备。

Description

一种增材制造耐腐蚀不锈钢及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种增材制造耐腐蚀不锈钢及其制备方法和应用。
背景技术
奥氏体不锈钢具有优异的耐腐蚀性和抗氧化性，广泛用于海洋装备、核能化工等领域。奥氏体不锈钢的高耐腐蚀性主要归因于钝化膜，该钝化膜由铁和铬的氧化物以及含氢氧化物和水的化合物组成。该膜能有效地将不锈钢基体与腐蚀性环境分离，并能抑制电化学反应。因此，钝化膜可以防止金属基体腐蚀。然而，钝化膜的耐腐蚀性取决于钝化膜的性质和环境条件。目前，奥氏体不锈钢的复杂构件主要通过传统锻造和铸造工艺生产，主要存在以下问题，其一是生产周期较长、且原材料利用率低；其二是不锈钢的腐蚀还受到成分和微观结构等各种内部因素以及化学成分、pH和环境温度等外部参数的强烈影响；其三是传统的奥氏体不锈钢常常在高温、海洋及其他极端环境下出现腐蚀现象，对于某些应用场景来说，腐蚀对材料的性能和寿命造成很大影响。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种高原料利用率、高耐腐蚀性的不锈钢。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种增材制造耐腐蚀不锈钢，所述耐腐蚀不锈钢各组分如下：铬含量为16～20wt％、镍含量为8～12wt％、钼含量为2～4wt％、镁含量为0.5～2wt％、铌含量为1～3wt％，其它合金元素含量为1～5wt％，铁和杂质元素构成剩余部分。
在一些具体实施例中，优选的，所述耐腐蚀不锈钢各组分如下：铬含量为18wt％、镍含量为10wt％、钼含量为3wt％、镁含量为1wt％、铌含量为2wt％，其它合金元素含量为3wt％，铁和杂质元素构成剩余部分。
进一步地，所述耐腐蚀不锈钢基体组织为具有胞状亚结构的奥氏体，并弥散分布着纳米级夹杂物。
一种上述耐腐蚀不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
设置激光增材制造参数，固定基板；将金属粉末原料逐层喷射到工作台上，并在激光束的作用下进行局部熔化，实现激光熔融逐层堆积成型；对制造完成的工件毛胚进行机加工，行清洗与除尘；对成型后样品进行固溶处理工艺得到成品工件；
其中，所述激光增材制造参数如下：扫描速度为2500～2800mm/min、激光功率为300～360W、扫描间距为60～100μm、层厚为20～40μm、曝光时间为60～80μs；
所述金属粉末原料中组分如下：铬含量为16～20wt％、镍含量为8～12wt％、钼含量为2～4wt％、镁含量为0.5～2wt％、铌含量为1～3wt％，其它合金元素含量为1～5wt％，铁和杂质元素构成剩余部分。
进一步地，所述粉末原料粒径为0.4～0.6mm。
在一些具体实施例中，优选的，所述激光增材制造参数如下：扫描速度为2600mm/min、激光功率为330W、扫描间距为80μm、层厚为30μm、曝光时间为70μs。
进一步地，激光熔融逐层堆积过程在惰性气体保护下进行，所述惰性气体为氩气，气体流速为10～16L/min。
进一步地，在激光打印过程中，还同步利用滚轮沿熔池方向逐层挤压，根据样品轮廓形状，修正熔池在熔融材料的流动，所述滚轮载荷为20～40KN，滚轮直径为3～5mm。
进一步地，所述固溶处理具体如下：将打印件升温至1000～1100℃，保温1～2h，随后以5～10℃/min冷却至920℃～950℃，保温5～10min，随后炉冷4～6h。
上述耐腐蚀不锈钢在海洋装备、核能工程、航空航天制造、化工设备中的应用
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过确定金属粉末原料中各组分比例、激光增材制造参数、滚轮挤压条件、固溶处理条件，制备出的耐腐蚀不锈钢基体组织为具有胞状亚结构的奥氏体，并弥散分布着纳米级夹杂物；其抗拉强度达到620～680MPa、屈服强度达到400～450MPa、断后伸长率达到19～22％、DOS(degree of sensity)值为0.24～0.55％；各性能参数优异，适用于海洋装备、核能工程、航空航天制造、化工设备。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备耐腐蚀不锈钢行扫描电子显微镜图。
图2为本发明实施例1所制备耐腐蚀不锈钢的背散射电子衍射图
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更加清楚地理解本发明。
本发明提供一种增材制造耐腐蚀不锈钢，具体工艺如下：
S1、设置激光增材制造参数：扫描速度为2500～2800mm/min、激光功率为300～360W、扫描间距为60～100μm、层厚为20～40μm、曝光时间为60～80μs，固定基板。
S2、选取粒径为0.4～0.6mm的金属粉末原料，所述金属粉末原料组分如下：铬含量为16～20wt％、镍含量为8～12wt％、钼含量为2～4wt％、镁含量为0.5～2wt％、铌含量为1～3wt％，其它合金元素含量为1～5wt％，铁和杂质元素构成剩余部分。
S3、将金属粉末原料逐层喷射到工作台上，并在激光束的作用下进行局部熔化，同时氩气从焊枪中以流速为10～16L/min喷出，实现激光熔融逐层堆积成型；同步利用载荷为20～40KN、直径为3～5mm的滚轮沿熔池方向逐层挤压，根据样品轮廓形状，修正熔池在熔融材料的流动。
S4、对制造完成的工件毛胚进行机加工，行清洗与除尘；对成型后样品升温至1000～1100℃，保温1～2h，随后以5～10℃/min冷却至920℃～950℃，保温5～10min，随后炉冷4～6h即得到成品工件。
本发明采用增材制造技术，利用激光打印成不锈钢工件，可以实现复杂构件成形和快速制造；同时本发明利用金属粉末原料，其材料利用率得到极大提升，其中，钼对含氯离子的溶液具有耐腐蚀性，镁加入不锈钢会形成一种亚微米级氧化物会抑制不锈钢腐蚀萌生点的形成。本发明制备的不锈钢耐腐蚀性好、精度高、强度大，适应性广。
实施例1
本实施例提供一种增材制造耐腐蚀不锈钢，具体工艺如下：
S1、设置激光增材制造参数：扫描速度为2600mm/min、激光功率为330W、扫描间距为80μm、层厚为30μm、曝光时间为70μs，固定基板。
S2、选取粒径为0.4mm的金属粉末原料，所述金属粉末原料组分如下：铬含量为18wt％、镍含量为10wt％、钼含量为3wt％、镁含量为1wt％、铌含量为2wt％，其它合金元素含量为3wt％，铁和杂质元素构成剩余部分。
S3、将金属粉末原料逐层喷射到工作台上，并在激光束的作用下进行局部熔化，同时氩气从焊枪中以流速为13L/min喷出，实现激光熔融逐层堆积成型；同步利用载荷为30KN、直径为4mm的滚轮沿熔池方向逐层挤压，根据样品轮廓形状，修正熔池在熔融材料的流动。
S4、对制造完成的工件毛胚进行机加工，行清洗与除尘；对成型后样品升温至1000℃，保温2h，随后以8℃/min冷却至950℃，保温8min，随后炉冷5h即得到成品工件。
实施例2
本实施例提供一种增材制造耐腐蚀不锈钢，具体工艺如下：
S1、设置激光增材制造参数：扫描速度为2800mm/min、激光功率为360W、扫描间距为60μm、层厚为20μm、曝光时间为60μs，固定基板。
S2、选取粒径为0.6mm的金属粉末原料，所述金属粉末原料组分如下：铬含量为16wt％、镍含量为12wt％、钼含量为4wt％、镁含量为2wt％、铌含量为3wt％，其它合金元素含量为5wt％，铁和杂质元素构成剩余部分。
S3、将金属粉末原料逐层喷射到工作台上，并在激光束的作用下进行局部熔化，同时氩气从焊枪中以流速为16L/min喷出，实现激光熔融逐层堆积成型；同步利用载荷为20KN、直径为5mm的滚轮沿熔池方向逐层挤压，根据样品轮廓形状，修正熔池在熔融材料的流动。
S4、对制造完成的工件毛胚进行机加工，行清洗与除尘；对成型后样品升温至1100℃，保温1h，随后以5℃/min冷却至920℃，保温10min，随后炉冷6h即得到成品工件。
实施例3
本实施例提供一种增材制造耐腐蚀不锈钢，具体工艺如下：
S1、设置激光增材制造参数：扫描速度为2500mm/min、激光功率为300W、扫描间距为60μm、层厚为40μm、曝光时间为80μs，固定基板。
S2、选取粒径为0.5mm的金属粉末原料，所述金属粉末原料组分如下：铬含量为20wt％、镍含量为8wt％、钼含量为4wt％、镁含量为0.5wt％、铌含量为1wt％，其它合金元素含量为1wt％，铁和杂质元素构成剩余部分。
S3、将金属粉末原料逐层喷射到工作台上，并在激光束的作用下进行局部熔化，同时氩气从焊枪中以流速为10L/min喷出，实现激光熔融逐层堆积成型；同步利用载荷为40KN、直径为3mm的滚轮沿熔池方向逐层挤压，根据样品轮廓形状，修正熔池在熔融材料的流动。
S4、对制造完成的工件毛胚进行机加工，行清洗与除尘；对成型后样品升温至1100℃，保温1h，随后以10℃/min冷却至950℃，保温5min，随后炉冷4h即得到成品工件。
对比例1
本对比例提供一种增材制造耐腐蚀不锈钢，其操作步骤和实施例1基本相同，区别在于：金属粉末原料中不含钼、镁，其余均相同。
对比例2
本对比例提供一种增材制造耐腐蚀不锈钢，其操作步骤和实施例1基本相同，区别在于：金属粉末原料中钼含量为10wt％、镁含量为5wt％，其余均相同。
对比例3
本对比例提供一种增材制造耐腐蚀不锈钢，其操作步骤和实施例1基本相同，区别在于：金属粉末原料中的钼、镁用相同质量分数的锰、铝进行了替换，其余均不变。
性能测试
为了进一步了解各实施例、对比例制备的耐腐蚀不锈钢的性能，现对其进行测试，结果见表1。
其中，测定力学性能方法：使用万能拉伸机型号Instron8801，测出其抗拉强度、屈服强度与断裂后延伸率。
测定耐腐蚀性方法：采用开路电位测试结合动点位再活化测试。
表1各实施例、对比例制备的耐晶间腐蚀不锈钢的性能情况
项目 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 断后伸长率(％) 耐腐蚀性(DOS值)(％)
实施例1 644.37 428.69 20.63 0.27
实施例2 628.93 411.37 19.77 0.32
实施例3 631.09 402.67 21.89 0.42
对比例1 620.93 398.74 19.33 2.43
对比例2 569.33 298.76 15.78 1.67
对比例3 579.02 368.22 17.32 2.09
由表1可知：对比例1相较于实施例，缺少钼、镁元素的加入，钼元素的缺失导致样品表面钝化膜厚度降低使其耐驶性下降，而镁元素的缺少导致未能起到细化夹杂物的作用导致其耐驶性大幅下降；对比例2相较于实施例，加大了钼、镁元素的加入，导致钼、镁元素的大量富集于奥氏体基体上于力学性能与耐蚀性有害；对比例3相较于实施例替换了所加元素，将钼、镁元素替换为了锰、铝元素，这两种元素未能起到加厚钝化膜与细化亚微米级夹杂物的效果，反而导致力学性能小幅度下降。
进一步的，选取实施例1中制备的耐腐蚀不锈钢将其用砂纸研磨，经电解抛光后进行扫描电子显微镜进行表征，扫描结果如图1所示。由图1可知样品为单一奥氏体相。于上述样品进行背散射电子衍射进行表征，结果如图2所示，得出经细化的夹杂物弥散分布于样品上。
本发明中未对具体原料进行说明均为已经存在物质，可以从市面上直接购买得到。
以上仅为本发明的较佳实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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 (10)

1.一种增材制造耐腐蚀不锈钢，其特征在于：所述耐腐蚀不锈钢各组分如下：铬含量为16～20wt％、镍含量为8～12wt％、钼含量为2～4wt％、镁含量为0.5～2wt％、铌含量为1～3wt％，其它合金元素含量为1～5wt％，铁和杂质元素构成剩余部分。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀不锈钢，其特征在于，所述耐腐蚀不锈钢各组分如下：铬含量为18wt％、镍含量为10wt％、钼含量为3wt％、镁含量为1wt％、铌含量为2wt％，其它合金元素含量为3wt％，铁和杂质元素构成剩余部分。
3.根据权利要求1所述的耐腐蚀不锈钢，其特征在于，所述耐腐蚀不锈钢基体组织为具有胞状亚结构的奥氏体。
4.一种如权利要求1-3任一项所述耐腐蚀不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
设置激光增材制造参数，固定基板；将金属粉末原料逐层喷射到工作台上，并在激光束的作用下进行局部熔化，实现激光熔融逐层堆积成型；对制造完成的工件毛胚进行机加工，行清洗与除尘；对成型后样品进行固溶处理工艺得到成品工件；
其中，所述激光增材制造参数如下：扫描速度为2500～2800mm/min、激光功率为300～360W、扫描间距为60～100μm、层厚为20～40μm、曝光时间为60～80μs；
所述金属粉末原料中组分如下：铬含量为16～20wt％、镍含量为8～12wt％、钼含量为2～4wt％、镁含量为0.5～2wt％、铌含量为1～3wt％，其它合金元素含量为1～5wt％，铁和杂质元素构成剩余部分。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述粉末原料粒径为0.4～0.6mm。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述激光增材制造参数如下：扫描速度为2600mm/min、激光功率为330W、扫描间距为80μm、层厚为30μm、曝光时间为70μs。
7.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，激光熔融逐层堆积过程在惰性气体保护下进行，所述惰性气体为氩气，气体流速为10～16L/min。
8.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，在激光打印过程中，还同步利用滚轮沿熔池方向逐层挤压，根据样品轮廓形状，修正熔池在熔融材料的流动，所述滚轮载荷为20～40KN，滚轮直径为3～5mm。
9.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理具体如下：将打印件升温至1000～1100℃，保温1～2h，随后以5～10℃/min冷却至920℃～950℃，保温5～10min，随后炉冷4～6h。
10.权利要求1-3任一项所述耐腐蚀不锈钢在海洋装备、核能工程、航空航天制造、化工设备中的应用。
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