CN108504928B - 马氏体耐热钢合金粉末及使用其进行激光增材制造的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型马氏体耐热钢合金粉末及使用其进行复杂流道结构激光增材制造的方法，所述新型马氏体耐热钢合金粉末以重量百分数计包括：碳0.05～0.15%；硅0.1～0.4%；锰0.3～0.6%；铬8.0～12.0%；钨1.5～1.9%；钼0.1～0.8%；钒0.1～0.3%；钽0.1～0.3%；镧A%；铈B%；余量为铁；其中A≥0，B≥0，且0.05≤A+B≤0.3，本发明的激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末具有优异的成形工艺性能，激光增材制造成形的组织为马氏体+碳化物组织，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态；本发明合金粉末中添加有镧和铈，不仅可以在合金熔炉时脱氧，同时通过控制镧和铈的含量，残留镧和铈在增材制造过程中，将在微熔池内继续起到脱氧和造渣作用，保证合金元素不被氧化，避免形成氧化物夹渣。
Description
技术领域
本发明涉及合金粉末技术领域，具体涉及一种新型马氏体耐热钢合金粉末及使用其进行复杂流道结构激光增材制造的方法。
背景技术
目前，具有复杂流道结构的零部件一般是通过铸造或者机加工组装的方法生产制备的，但是对于某些形状异常复杂的变截面流道，铸造和机加工的方式生产难度较大，而且铸造组织的性能较差，无法满足高温服役需求，机加工组装主要是通过焊接方式进行，同样也存在类似的铸态焊缝组织。总而言之，传统的铸造和机加工无法生产高质量高性能的复杂流道结构的耐热合金材料零部件，因此提出使用激光增材制造方式制备复杂流道结构，由于增材制造工艺特点对材料的制约，常规的合金体系无法满足其成形性和工艺性要求，需要对合金体系做成分优化设计。
发明内容
本发明提供一种新型马氏体耐热钢合金粉末，其通过添加镧和铈不仅可以在合金熔炉时脱氧，控制合金粉末中的氧含量，同时通过控制镧和铈的含量，残留镧和铈在增材制造过程中，将在微熔池内继续起到脱氧和造渣的作用，保证合金元素不被氧化，避免形成氧化物夹渣。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型马氏体耐热钢合金粉末，以重量百分数计，包括：
碳0.05～0.15％；
硅0.1～0.4％；
锰0.3～0.6％；
铬8.0～12.0％；
钨1.5～1.9％；
钼0.1～0.8％；
钒0.1～0.3％；
钽0.1～0.3％；
镧A％；
铈B％；
余量为铁；
其中A≥0，B≥0，且0.05≤A+B≤0.3。
进一步的，0≤A≤0.3，0≤B≤0.3。
本发明还提供一种采用上述新型马氏体耐热钢合金粉末进行复杂流道结构激光增材制造的方法，包括如下步骤：
(1)根据成形零件建立三维模型，使用图像分层软件对所述三维模型进行切片分层，使用路径规划软件进行成形路径设计；
(2)向基材表面送入所述新型马氏体耐热钢合金粉末，激光器的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的所述新型马氏体耐热钢合金粉末进行扫描使其熔化，同时通入惰性气体保护熔池；
(3)依次完成所有分层的沉积，进行表面清理以及去应力退火处理，即得到所需的成形零件。
进一步的，所述步骤(3)中，通入的所述惰性气体为氩气，其纯度≥99.99％。
进一步的，所述步骤(2)和所述步骤(3)中，激光功率为800～1000W，扫描速度为6～10mm/s，离焦量为3mm，送粉速率为8～12g/min。
进一步的，所述合金粉末的粒度为150～350目。
进一步的，所述步骤(1)中，每一层的高度为0.02～0.1mm。
进一步的，所述步骤(3)中的退火工艺为在750℃保温1～2h。
采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末具有优异的成形工艺性能，激光增材制造成形的组织为马氏体+碳化物组织，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态；由于本发明合金粉末中添加有镧和铈，不仅可以在合金熔炉时脱氧，控制合金粉末中的氧含量，同时通过控制镧和铈的含量，残留镧和铈在增材制造过程中，将在微熔池内继续起到脱氧和造渣的作用，保证合金元素不被氧化，避免形成氧化物夹渣。
附图说明
附图1为本发明实施例1得到的金相组织图；
附图2为本发明实施例2得到的金相组织图；
附图3为本发明实施例3得到的金相组织图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，本发明提供一种新型马氏体耐热钢合金粉末，以重量百分数计，包括：碳0.05～0.15％；硅0.1～0.4％；锰0.3～0.6％；铬8.0～12.0％；钨1.5～1.9％；钼0.1～0.8％；钒0.1～0.3％；钽0.1～0.3％；镧A％；铈B％；余量为铁；其中A≥0，B≥0，且0.05≤A+B≤0.3。
优选的，0.05≤A≤0.3，0.05≤B≤0.3。
采用中频感应炉熔炼后经雾化的方法制备上述新型马氏体耐热钢合金粉末，包括以下步骤：配料→熔炼→真空气雾化→干燥→筛分。
具体如下：
(1)配料：采用金属锰、金属铬、金属钨、金属钼、金属钒、金属铁、碳块、原料硅、金属钽、金属镧和金属铈作为原材料按照目标成分进行配料。
(2)熔炼：
(2.1)将配好的金属锰、金属铬、金属钨、金属钼、金属钒和金属铁加入中频感应炉中，通电加热使其熔化，碳块、原料硅、金属钽、金属镧和金属铈作为补料。
(2.2)将配置好的碳块、原料硅和金属钽依次加入熔化的合金熔液中。
(2.3)通过加入金属镧和金属铈进行脱氧处理，脱氧处理的时间为1～2min。
(2.4)炉前调整成分合格后，出炉，出炉温度为1450～1500℃。
优选的，加入补料时中频感应炉内的温度控制在1500～1550℃。
(3)真空气雾化：将步骤(2)最终得到的合金熔液雾化，雾化介质为氩气，雾化压力为2～10MPa。
(4)干燥：采用远红外烘干机，烘干温度为200～250℃。
(5)筛分：由筛粉机筛出粒度范围为150～350目的粉末作为成品粉，即为所需的新型马氏体耐热钢合金粉末。
本发明所用的原料其来源没有限制，均为市售商品。
采用GB/T223《钢铁及合金化学分析方法》的标准，测试由上述步骤所制得的新型马氏体耐热钢合金粉末的成分，检测结果为，以重量百分数计，包括：碳0.05～0.15％；硅0.1～0.4％；锰0.3～0.6％；铬8.0～12.0％；钨1.5～1.9％；钼0.1～0.8％；钒0.1～0.3％；钽0.1～0.3％；0.05≤镧+铈≤0.3B％；余量为铁。
将上述新型马氏体耐热钢合金粉末冷却至室温后采用激光增材制造的方法制成具有复杂流道结构的零部件，其步骤如下：
(1)根据成形零件建立三维模型，使用图像分层软件对三维模型进行切片分层，每一层的高度为0.02～0.1mm，使用路径规划软件进行成形路径设计。
(2)向基材表面送入新型马氏体耐热钢合金粉末，激光器的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的新型马氏体耐热钢合金粉末进行扫描使其熔化，同时通入惰性气体保护熔池。
优选的，激光功率为800～1000W，扫描速度为6～10mm/s，离焦量为3mm，送粉速率为8～12g/min；惰性气体为氩气，其纯度≥99.99％。
(3)依次完成所有分层的沉积，进行表面清理以及去应力退火处理，即得到所需的成形零件。
其中，退火工艺为在750℃保温1～2h，其作用是：消除残余应力，同时提高激光快速凝固非平衡组织的组织高温稳定性，零部件可直接在高温服役使用。
将上述制得的成形零件进行切片、研磨、抛光、腐蚀后进行金相组织观察，可以看到组织致密，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态，成形的组织为马氏体+碳化物组织。
本发明的新型马氏体耐热钢合金粉末中各元素的作用如下：
(1)硅元素：主要用于提高合金粉末的成形工艺性。
(2)锰元素：降低A1点，促进M6C析出。
(3)铬元素：用于保证耐腐蚀性和抗高温氧化性，铬同时也是铁素体形成元素，有利于淬火后得到马氏体组织以改善力学性能。
(4)钨元素：是影响耐热钢强度和韧脆转变温度DBTT的重要元素，在能保证所需的高温强度的情况下，由于钨也能促进析出大量的Laves相将显著恶化韧性，因此也需要控制钨含量来尽量减少成形过程中Laves相析出的可能性。
(5)钼元素：通过析出M6C用以提高高温强度，同时，钼元素也能起到固溶强化的作用，通过影响扩散的方式阻止奥氏体晶粒长大。
(6)钒元素和钽元素：用于在较高温度就形成MX颗粒，VN、TaC在较低温度才析出，这些细小弥散的碳化物颗粒对位错起钉扎作用，可以改善力学性能和高温蠕变性能。
(7)镧元素和铈元素：用于合金熔炉时脱氧，用以控制合金粉末中的氧含量，同时残留的稀土镧和铈在增材制造过程中，会在微熔池继续起到脱氧和造渣的作用，保证其它合金元素不被氧化，避免形成氧化物夹渣。
以下是优选实施例：
实施例1
首先按照以下配比进行配料，以重量百分数计，包括0.07％碳、0.2％硅、0.5％锰、8.0％铬、1.5％钨、0.4％钼、0.15％钒、0.15％钽、0.1％镧和0.2％铈，余量为铁。
将配好的金属锰、金属铬、金属钨、金属钼、金属钒和金属铁加入中频感应炉中，通电加热使其熔化，碳块、原料硅、金属钽、金属镧和金属铈作为补料加入，加入补料时中频感应炉内的温度控制在1520℃。将配置好的碳块、原料硅和金属钽依次加入熔化的合金溶液中。通过加入金属镧和金属铈进行脱氧处理，脱氧处理的时间为1min。炉前调整成分合格后，出炉，出炉温度为1460℃。将合金熔液雾化以制备合金粉末，雾化介质为氩气，雾化压力为4MPa。采用远红外烘干机对合金粉末进行烘干，烘干温度为210℃。然后由筛粉机筛出粒度范围为100目～350目的粉末作为成品粉。
将上述成品粉冷却至室温后采用激光增材制造的方法制成具有复杂流道结构的零部件，其具体步骤如下：根据成形零件建立三维模型，使用图像分层软件对三维模型进行切片分层，每一层的高度为0.02mm，使用路径规划软件进行成形路径设计。向基材表面送入上述新型马氏体耐热钢合金粉末，激光器的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的新型马氏体耐热钢合金粉末进行扫描使其熔化，激光功率为800w，扫描速度为6mm/s，离焦量为3mm，送粉速率为8g/min。同时通入氩气保护熔池，氩气的纯度≥99.99％。依次完成所有分层的沉积，进行表面清理以及去应力退火处理，去应力退火处理的工艺参数为：750℃保温1h，即可得到所需的复杂流道结构的成形零件。
将上述制得的成型零件进行切片、研磨、抛光、腐蚀后进行金相组织观察，得到的金相组织图片如图1所示，由图1可知，本发明实施例1制备得到的零部件组织致密，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态，成形的组织为马氏体+碳化物组织。
从本发明实施例1制备得到的零部件上取样并进行力学性能测试，测试结果如表1所示。表1为本发明的各个实施例提供的新型马氏体耐热钢合金粉末的成分和所制得的复杂流道结构的力学性能测试结果。
实施例2
按照实施例1所述的方法制备复杂流道结构的零部件，与实施例1不同的是，本实施例按照下述目标成分进行配料，以重量百分数计，包括0.11％碳、0.4％硅、0.5％锰、9.1％铬、1.5％钨、0.5％钼、0.2％钒、0.15％钽、0.1％镧和0.1％铈，余量为铁。新型马氏体耐热钢合金粉末的制备过程中，加入补料时中频感应炉内的温度控制在1500℃，出炉温度1450℃，雾化压力为6MPa，远红外烘干机的烘干温度为230℃。然后由筛粉机筛出粒度范围为100目～350目的粉末作为成品粉。将上述成品粉采用激光增材制造的方法制成具有复杂流道结构的零部件，每一层的高度为0.06mm，激光功率为900w，扫描速度为6mm/s，离焦量为3mm，送粉速率为10g/min。去应力退火处理的工艺参数为：750℃保温1.5h，附图2为本发明实施例2制备得到的具有复杂流道结构的零部件的金相组织图片。
按照实施例1所述的方法，从本发明实施例2制备得到的零部件上取样并进行力学性能测试，测试结果如表1所示。
实施例3
按照实施例1所述的方法制备复杂流道结构的零部件，与实施例1不同的是，本实施例按照下述目标成分进行配料，以重量百分数计，包括0.15％碳、0.4％硅、0.5％锰、11.5％铬、1.5％钨、0.6％钼、0.2％钒、0.15％钽、0.05％镧和0.05％铈，余量为铁。新型马氏体耐热钢合金粉末的制备过程中，加入补料时中频感应炉内的温度控制在1550℃，出炉温度1500℃，雾化压力为8MPa，远红外烘干机的烘干温度为235℃。然后由筛粉机筛出粒度范围为100目～350目的粉末作为成品粉。将上述成品粉采用激光增材制造的方法制成具有复杂流道结构的零部件，每一层的高度为0.1mm，激光功率为1000w，扫描速度为10mm/s，离焦量为3mm，送粉速率为12g/min。去应力退火处理的工艺参数为：750℃保温2h。附图3为本发明实施例3制备得到的具有复杂流道结构的零部件的金相组织图片。
按照实施例1所述的方法，从本发明实施例3制备得到的零部件上取样并进行力学性能测试，测试结果如表1所示。
表1
由表1可知，采用本发明的新型马氏体耐热钢合金粉末制备得到的复杂流道结构具有较好的力学性能，激光增材制造成形的组织为马氏体+碳化物组织，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态；由于本发明合金粉末中添加有镧和铈，不仅可以在合金熔炉时脱氧，控制合金粉末中的氧含量，同时通过控制镧和铈的含量，残留镧和铈在增材制造过程中，将在微熔池内继续起到脱氧和造渣的作用，保证合金元素不被氧化，避免形成氧化物夹渣。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种马氏体耐热钢合金粉末，其特征在于：所述合金粉末用于复杂流道结构激光增材制造，所述合金粉末以重量百分数计的组成为：
碳0.05～0.15％；
硅0.1～0.4％；
锰0.3～0.6％；
铬8.0～12.0％；
钨1.5～1.9％；
钼0.1～0.8％；
钒0.1～0.3％；
钽0.1～0.3％；
镧A％；
铈B％；
余量为铁；
其中A≥0，B≥0，且0.05≤A+B≤0.3，
制备所述合金粉末的方法包括以下步骤：
(1)配料：采用金属锰、金属铬、金属钨、金属钼、金属钒、金属铁、碳块、原料硅、金属钽、金属镧和金属铈作为原材料按照目标成分进行配料；
(2)熔炼：
(2.1)将配好的金属锰、金属铬、金属钨、金属钼、金属钒和金属铁加入中频感应炉中，通电加热使其熔化，碳块、原料硅、金属钽、金属镧和金属铈作为补料；
(2.2)将配置好的碳块、原料硅和金属钽依次加入熔化的合金熔液中；
(2.3)通过加入金属镧和金属铈进行脱氧处理；
(2.4)炉前调整成分合格后，出炉；
(3)真空气雾化：将步骤(2)最终得到的合金熔液雾化，雾化介质为氩气；
(4)干燥：采用远红外烘干机；
(5)筛分：由筛粉机筛出设定粒度范围的粉末作为成品粉，即为所需的马氏体耐热钢合金粉末。
2.一种采用如权利要求1所述的马氏体耐热钢合金粉末进行复杂流道结构激光增材制造的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据成形零件建立三维模型，使用图像分层软件对所述三维模型进行切片分层，使用路径规划软件进行成形路径设计；
(2)向基材表面送入所述马氏体耐热钢合金粉末，激光器的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的所述马氏体耐热钢合金粉末进行扫描使其熔化，同时通入惰性气体保护熔池；
(3)依次完成所有分层的沉积，进行表面清理以及去应力退火处理，即得到所需的成形零件。
3.根据权利要求2所述的复杂流道结构激光增材制造的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，通入的所述惰性气体为氩气，其纯度≥99.99％。
4.根据权利要求2所述的复杂流道结构激光增材制造的方法，其特征在于：所述步骤(2)和所述步骤(3)中，激光功率为800～1000W，扫描速度为6～10mm/s，离焦量为3mm，送粉速率为8～12g/min。
5.根据权利要求2所述的复杂流道结构激光增材制造的方法，其特征在于：所述合金粉末的粒度为150～350目。
6.根据权利要求2所述的复杂流道结构激光增材制造的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，每一层的高度为0.02～0.1mm。
7.根据权利要求2所述的复杂流道结构激光增材制造的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的退火工艺为在750℃保温1～2h。
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