CN117987749A - 超高强度抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents
超高强度抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117987749A CN117987749A CN202410397151.9A CN202410397151A CN117987749A CN 117987749 A CN117987749 A CN 117987749A CN 202410397151 A CN202410397151 A CN 202410397151A CN 117987749 A CN117987749 A CN 117987749A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- stainless steel
- austenitic stainless
- equal
- mass
- less
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910000963 austenitic stainless steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 69
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title abstract description 54
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title abstract description 54
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract description 49
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 65
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 38
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 38
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 36
- 230000032683 aging Effects 0.000 claims description 30
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 20
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 6
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 27
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 22
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 18
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 17
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 12
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 11
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 11
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 10
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 5
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 4
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 238000001887 electron backscatter diffraction Methods 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 3
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 3
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 3
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 2
- 241001062472 Stokellia anisodon Species 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
本发明提供一种超高强度抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法。奥氏体不锈钢由以下组分构成：14质量%≤Cr≤20质量%，23质量%≤Ni≤26质量%，3.0质量%≤Al≤5.0质量%，2.0质量%≤Ti≤4.0质量%，0质量%≤N≤1.0质量%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的奥氏体不锈钢兼具超高的强度、良好的低温性能以及高的抗氢脆性能，作为液氢储运结构材料使用时，能够实现结构材料的轻量化、提升液氢的存储效率并增强其服役性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高强度抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法，特别涉及一种液氢储运用超高强度抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法，属于新材料和先进制造领域。
背景技术
氢能因其无污染、热值高等特点，被誉为“终极能源”。世界各国争相发展氢能产业，以实现能源转型。因储氢体积密度高，液态氢是氢能源的主要储运方式之一。液氢储存温度低，且氢会对金属材料造成“氢脆”，因此对储运材料提出了极高的要求，如良好的低温性能以及高的抗氢脆性能。此外，为了提高液氢的存储效率，如液氢火箭发动机、液氢储运用容器等，对液氢储运材料提出了轻量化的需求。
传统的奥氏体不锈钢是液氢储运的主要结构材料。然而，由于其强度较低，难以实现液氢储运结构材料的轻量化。并且，传统奥氏体不锈钢由于低温下奥氏体稳定性降低，导致其氢脆敏感性提高。因此，开发一种奥氏体不锈钢材料替代传统的液氢储运用结构材料，对实现液氢储运结构材料的轻量化、提升液氢的存储效率、增强其抗氢脆性能具有重要的意义。
发明内容
发明要解决的问题
鉴于现有技术中存在的技术问题，本发明首先提供一种奥氏体不锈钢。本发明的奥氏体不锈钢具有超高强度和抗氢脆性能，可以满足航天工业和氢能产业对超高强度且兼具良好的低温性能和抗氢脆性能的结构材料的应用需求。
本发明还提供一种奥氏体不锈钢的制备方法，该制备方法简单易行，原料易于获取，适合大批量生产。
用于解决问题的方案
[1]、一种奥氏体不锈钢，其由以下组分构成：
14质量%≤Cr≤20质量%，
23质量%≤Ni≤26质量%，
3.0质量%≤Al≤5.0质量%，
2.0质量%≤Ti≤4.0质量%，
0质量%≤N≤1.0质量%，
余量为Fe和不可避免的杂质。
[2]、根据上述[1]所述的奥氏体不锈钢，其中，所述奥氏体不锈钢以奥氏体为初始组织经时效处理得到。
[3]、根据上述[1]或[2]所述的奥氏体不锈钢，其中，所述奥氏体不锈钢的组织结构中分布有L21相、富Cr相和L12相。
[4]、根据上述[1]或[2]所述的奥氏体不锈钢，其中，所述奥氏体不锈钢在23℃的屈服强度为至少1.0Gpa；和/或，
所述奥氏体不锈钢在23℃的抗拉强度为至少1.3GPa；和/或，
所述奥氏体不锈钢在23℃的总延伸率为至少15%。
[5]、一种根据上述[1]-[4]任一项所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其包括采用激光增材制造的方法制备得到。
[6]、根据上述[5]所述的制备方法，其中，所述制备方法包括以下步骤：
按照各组分的含量确定元素配比，提供符合所述元素配比的合金粉末；
设计三维模型、设定激光增材制造过程中的实体参数并按照所述实体参数对所述三维模型进行赋值；
将所述合金粉末装入3D打印机中并按照赋值参数进行激光增材制造得到初始组织；
对所述初始组织进行时效处理。
[7]、根据上述[6]所述的制备方法，其中，所述合金粉末包括FeCrNiAlTi合金粉末和任选存在地CrN粉末。
[8]、根据上述[7]所述的制备方法，其中，以所述合金粉末的总质量为100%计，所述FeCrNiAlTi合金粉末的含量为90~100%；所述CrN粉末的含量为0~10%。
[9]、根据上述[6]-[8]任一项所述的制备方法，其中，所述实体参数包括激光扫描速度、激光功率、扫描线间距、旋转增量以及单层厚度中的一种或两种以上的组合；
所述激光扫描速度为900mm/s~1100mm/s，所述激光功率为130W~150W，所述扫描线间距为70μm~90μm，所述单层厚度为15μm~25μm；所述旋转增量为67°。
[10]、根据上述[6]-[8]任一项所述的制备方法，其中，所述时效处理的温度为600℃~750℃，所述时效处理的时间为1h~200h。
发明的效果
本发明的奥氏体不锈钢兼具超高的强度、良好的低温性能以及高的抗氢脆性能，作为液氢储运结构材料使用时，能够实现结构材料的轻量化、提升液氢的存储效率并增强其服役性能。
本发明的奥氏体不锈钢的制备方法简单易行，原料易于获取，适合大批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例2获得的奥氏体不锈钢沿打印方向的电子背散射衍射图像质量（EBSDimage quality）组织和相（Phase）组成的复合照片；
图2为实施例2获得的奥氏体不锈钢中析出强化相的透射电子显微镜照片（TEMimage）。
具体实施方式
以下将详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、器材和步骤未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
如无特殊声明，本说明书中所使用的单位均为国际标准单位，并且本发明中出现的数值，数值范围，均应当理解为包含了工业生产中所不可避免的***性误差。
本说明书中，使用“可以”表示的含义包括了进行某种处理以及不进行某种处理两方面的含义。
本说明书中，所提及的“一些具体/优选的实施方案”、“另一些具体/优选的实施方案”、“实施方案”等是指所描述的与该实施方案有关的特定要素（例如，特征、结构、性质和/或特性）包括在此处所述的至少一种实施方案中，并且可存在于其它实施方案中或者可不存在于其它实施方案中。另外，应理解，所述要素可以任何合适的方式组合在各种实施方案中。
本说明书中，使用“数值A~数值B”表示的数值范围是指包含端点数值A、B的范围。
本说明书中，涉及数据范围的单位，如果仅在右端点后带有单位，则表示左端点和右端点的单位是相同的。比如，0.3~0.5m/s表示左端点“0.3”和右端点“0.5”的单位都是m/s（米/秒）。
如果没有特别的说明，本发明的所有步骤可以顺序进行，也可以随机进行。例如，所述方法包括步骤(a)和(b)，表示所述方法可包括顺序进行的步骤(a)和(b)，也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如，所述提到所述方法还可包括步骤(c)，表示步骤(c)可以任意顺序加入到所述方法，例如，所述方法可以包括步骤(a)、(b)和(c)，也可包括步骤(a)、(c)和(b)，也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。
本说明书中，涉及数据范围的单位，如果仅在右端点后带有单位，则表示左端点和右端点的单位是相同的。比如，0.3~0.5m/s表示左端点“0.3”和右端点“0.5”的单位都是m/s（米/秒）。
本说明书中，使用“常温”、“室温”时，其温度可以是15-25℃。
本说明书中，所述“L21相”是一种化学式为A2BC型的由Ni、Al和Ti构成的立方结构的金属间化合物。本文所述“富Cr相”是Fe和Cr构成的体心立方结构的析出相。本文所述“L12相”是一种化学式为A3B型的由Ni、Al和Ti构成的立方结构的金属间化合物。
本说明书中，所述“力学强度”包括屈服强度和抗拉强度。
<第一方面>
本发明的第一方面提供一种奥氏体不锈钢，其由以下组分构成：
14质量%≤Cr≤20质量%，
23质量%≤Ni≤26质量%，
3.0质量%≤Al≤5.0质量%，
2.0质量%≤Ti≤4.0质量%，
0质量%≤N≤1.0质量%，
余量为Fe和不可避免的杂质。
Al含量较高的钢熔炼和铸造困难，成形性能差，焊接开裂倾向严重，难以适应传统的加工制造方式。在大气压下，N在液态钢中的溶解度很低，使得高N含量的钢冶炼困难。本发明的奥氏体不锈钢，通过巧妙的成分设计，利用激光增材制造原位冶金和近终成形的优势，克服了高Al高N钢在加工制造方面的难题。
本发明的奥氏体不锈钢兼具超高的强度、良好的低温性能以及高的抗氢脆性能，作为液氢储运结构材料使用时，能够实现结构材料的轻量化、提升液氢的存储效率并增强其服役性能。
本发明的奥氏体不锈钢包含以下所述各合适含量范围的元素，余量为Fe和不可避免的杂质。通过优化构成元素能够得到超高强度抗氢脆奥氏体不锈钢。本发明的奥氏体不锈钢的各元素的作用和含量如下所述：
铬（Cr）具有提高基体耐腐蚀性和抗高温氧化性的作用，并且Cr还有稳定奥氏体的作用。Cr还可以与Fe形成富Cr相析出物，强化基体。合适的Cr含量可以为至少14质量％，但是不超过20质量％，例如：14.5质量％、15质量％、15.5质量％、16质量％、16.5质量％、17质量％、17.5质量％、18质量％、18.5质量％、19质量％、19.5质量％等。如果Cr含量小于14质量％时，不能起到所需的耐腐蚀性和抗高温氧化性的作用；如果Cr含量大于20质量％时，会导致其它析出物的析出，例如：σ脆性相等，从而影响奥氏体不锈钢的性能。
镍（Ni）是奥氏体形成元素，并具有提高基体韧性的作用。Ni还可以与Al、Ti形成金属间化合物，强化基体。合适的Ni含量可以为至少23质量％，但是不超过26质量％，例如：23.2质量％、23.5质量％、23.8质量％、24质量％、24.2质量％、24.5质量％、24.8质量％、25质量％、25.2质量％、25.5质量％、25.8质量％等。如果镍的含量高于26质量%，会使奥氏体不锈钢的成本过高，导致价格昂贵。
铝（Al）具有显著降低基体密度的作用。Al还可以与Ni、Ti形成金属间化合物，强化基体。合适的Al含量可以为至少3.0质量％，但是不超过5.0质量％，例如：3.2质量％、3.5质量％、3.8质量%、4.0质量％、4.2质量％、4.5质量％、4.8质量%、5.0质量％等。如果Al的含量小于3.0质量％时，则会使奥氏体不锈钢的强度不够；如果Al的含量大于5.0质量％时，则容易在3D打印时开裂，不适用于3D打印。
钛（Ti）也具有降低基体密度的作用；此外，Ti还可以与Ni、Al形成金属间化合物，强化基体。合适的Ti含量可为至少2.0质量％，但是不超过4.0质量％，例如：2.2质量％、2.5质量％、2.8质量％、3.0质量％、3.2质量％、3.5质量％、3.8质量％、4.0质量％等。如果Ti的含量小于2.0质量％时，则不能起到相应的作用；如果Ti的含量大于4.0质量％时，则会使奥氏体不锈钢的析出相性质发生变化，导致过多脆性相生成，从而影响奥氏体不锈钢的性能。
氮（N）可以提高奥氏体的稳定性，并且提高材料的抗腐蚀性。此外，N还能够固溶进基体，作为间隙原子强化基体。并且，在制备相似强度的奥氏体不锈钢时，使用N相比不使用N的时效处理的时间可以有效缩短。因此，在本发明中，N可以不添加，添加后一般不超过1.0质量％，例如：0.1质量％、0.3质量％、0.5质量％、0.7质量％、0.9质量％等。如果N的添加量高于1.0质量％，则在3D打印时，会造成气孔等缺陷。
本发明的奥氏体不锈钢的初始组织结构为奥氏体。在一些具体的实施方案中，所述奥氏体不锈钢以奥氏体为初始组织经时效处理得到。奥氏体不锈钢的组织结构中还分布有大量的L21相、富Cr相和L12相等析出物。所有析出强化相的尺寸均为纳米级尺寸。
进一步，本发明的所述奥氏体不锈钢在23℃的屈服强度为至少1.0Gpa；所述奥氏体不锈钢在23℃的抗拉强度为至少1.3GPa；所述奥氏体不锈钢在23℃的总延伸率为至少15%。
本发明的奥氏体不锈钢，通过在奥氏体晶粒内大量析出纳米尺寸的非共格析出相和共格析出相，在液氢环境中，为进入奥氏体钢内的游离氢提高了大量的可逆和不可逆氢陷阱，有效抑制了氢在晶界处的偏距，显著提升了材料的抗氢脆性能。
本发明的奥氏体不锈钢可以用于各种应用。例如，本发明的奥氏体不锈钢特别适用于作为液氢火箭发动机和液氢储运用结构材料。
<第二方面>
本发明的第二方面提供一种根据本发明第一方面所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其包括采用激光增材制造的方法制备得到。由于高Al含量的钢熔炼和铸造困难，成形性能差，并且高N含量的钢同样冶炼困难。因此，本发明的奥氏体不锈钢优选不采用传统的加工制造方式，选择采用激光增材制造技术进行制备。
本发明的奥氏体不锈钢通过增材制造的胞壁结构，在奥氏体晶粒内引入了高密度的L21相和富Cr相等非共格析出相，以及高密度的L12共格析出相。通过非共格析出相和共格析出相的协同强化，显著提高材料强度，从而获得超高强度的奥氏体不锈钢。
在一些具体的实施方案中，所述制备方法包括以下步骤：
按照各组分的含量确定元素配比，提供符合所述元素配比的合金粉末；
设计三维模型、设定激光增材制造过程中的实体参数并按照所述实体参数对所述三维模型进行赋值；
将所述合金粉末装入3D打印机中并按照赋值参数进行激光增材制造得到初始组织；
对所述初始组织进行时效处理。
首先，按照各组分的含量确定元素配比，提供符合所述元素配比的合金粉末。在本发明中，合金粉末可以为规定含量范围内的所有构成元素混合制备而成的一种粉末，也可以为规定含量范围内的部分构成元素混合制备而成的两种粉末，只要符合元素配比即可。对于制备合金粉末所使用的原料的背景没有特别的限制，可以选自最适用于预期目的的那些。
在一些具体的实施方案中，本发明的所述合金粉末包括FeCrNiAlTi合金粉末和任选存在地CrN粉末。具体地，可以采用FeCrNiAlTi合金粉末一种粉末，或FeCrNiAlTi合金粉末和CrN粉末两种粉末。FeCrNiAlTi合金粉末和CrN粉末可以通过本领域技术任意的已知的常规方法制备获得。
在一些实施方式中，FeCrNiAlTi合金粉末中各元素含量为：Cr：14质量%~15质量%，Ni：25质量%~26质量%，Al：3.0质量%~3.5质量%，Ti：2.0质量%~3.0质量%，余量为Fe。CrN粉末中N含量为10质量%~12质量%，余量为Cr。
在一些具体的实施方案中，以所述合金粉末的总质量为100%计，所述FeCrNiAlTi合金粉末的含量为90~100%，例如：91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%等；所述CrN粉末的含量为0~10%，例如：1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%等。从而使得合金粉末中各组分的含量满足本发明的奥氏体不锈钢的各组分的元素的含量。
在本发明中，合金粉末为球形或近球形，无明显团聚现象，粉末性能满足打印条件且保证粉末打印过程中不会形成氧化夹杂影响成型件性能。粉末性能包括粉末粒径、含氧量、松装密度、振实密度、休止角、崩溃角、平板角等。
接着，设计三维模型、设定激光增材制造过程中的实体参数并按照所述实体参数对所述三维模型进行赋值。具体地，三维模型可以根据成形零件尺寸，通过建模软件建立而成。
在一些具体的实施方案中，所述实体参数包括激光扫描速度、激光功率、扫描线间距、旋转增量以及单层厚度中的一种或两种以上的组合；所述激光扫描速度为900mm/s~1100mm/s，例如：920mm/s、950mm/s、980mm/s、1000mm/s、1020mm/s、1050mm/s、1080mm/s等；所述激光功率为130W~150W，例如：132W、135W、138W、140W、142W、145W、148W等；所述扫描线间距为70μm~90μm，例如：72μm、75μm、78μm、80μm、82μm、85μm、88μm等；所述旋转增量为67°，所述单层厚度为15μm~25μm，例如：16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm等。
另外，本发明的扫描图案可以是条状图案，条状图案的长度可以为5~15mm，例如：6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm等。
进一步，将所述合金粉末装入3D打印机中并按照赋值参数进行激光增材制造得到初始组织。另外，开始3D打印前，还包括对合金粉末进行真空干燥和/或对合金粉末进行粉末流动性测试的步骤。
最后，本发明的制备方法还包括对所述初始组织进行时效处理的步骤。时效处理是在特定温度下对已经转化成奥氏体相的钢进行加热的步骤。进行该处理的目的在于使L21相、富Cr相和L12相等强化相析出。
在一些优选实施例中，时效处理的温度为600℃~750℃，例如：620℃、650℃、680℃、700℃、720℃等；时效处理的时间为1h~200h，例如：1.5h、2h、3h、5h、8h、10h、20h、50h、80h、100h、120h、150h、180h等。冷却方法可任选常规方法，例如水淬冷却或空气冷却。
本发明进一步通过激光增材制造工艺和时效热处理条件，从而得到这样的超高强度抗氢脆的奥氏体不锈钢。
实施例
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例以及对比例中所使用的FeCrNiAlTi合金粉末和CrN粉末均为如下所示：
FeCrNiAlTi合金粉末组成：Cr：14.4质量%，Ni：25.3质量%，Al：3.3质量%，Ti：2.5质量%，余量为Fe。FeCrNiAlTi合金粉末的粒径为15μm~53μm。
CrN粉末组成：N：11.84质量%，余量为Cr。CrN粉末的粒径为15μm~53μm。
实施例1
（1）按照表1所示的元素配比提供合金粉末，只使用FeCrNiAlTi合金粉末。
（2）利用建模软件，根据成形零件尺寸建立三维模型，并对三维模型进行切片分层，每层厚度为20μm。设置条状图案扫描，条状图案的长度为10mm，旋转增量为67°，扫描间距为80μm，激光功率为140W，扫描速度为1000mm/s。
（3）将步骤（1）中的粉末装入激光粉床熔融设备（L-PBF）准备打印。打印开始前，使用纯度≥99.99%的氩气进行洗气，使打印舱内的氧含量降低到260ppm以下。使用步骤（2）中建立的三维模型和参数进行激光增材制造。
（4）将步骤（3）中激光增材制造得到的初始组织进行时效处理，时效处理的温度为650℃，时效处理的时间为48h，时效处理完成后，通过空冷处理冷却到室温。
实施例2
实施例2的制备方法与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：将实施例1中步骤（4）中激光增材制造得到的初始组织进行时效处理的步骤替换为：时效处理的温度为700℃，时效处理的时间为24h，时效处理完成后，通过空冷处理冷却到室温。
实施例3
（1）将FeCrNiAlTi合金粉末与CrN粉末按照质量比25:1进行混粉，通过混粉机进行搅拌，搅拌时间为30min。
（2）利用建模软件，根据成形零件尺寸建立三维模型，并对三维模型进行切片分层，每层厚度为20μm。设置条状图案扫描，条状图案的长度为10mm，旋转增量为67°，扫描间距为80μm，激光功率为140W，扫描速度为1000mm/s。
（3）将步骤（1）中混合均匀后的粉末装入激光粉床熔融（L-PBF）准备打印。打印开始前，使用纯度≥99.99%的氩气进行洗气，使打印舱内的氧含量降低到260ppm以下。使用步骤（2）中建立的三维模型和参数进行激光增材制造。
（4）将步骤（3）中激光增材制造得到的实体材料进行时效处理，时效处理的温度为700℃，时效处理的时间为2h，时效处理完成后，通过空冷处理冷却到室温。
实施例4
实施例4的制备方法与实施例3的制备方法基本相同，不同之处在于：将实施例3中步骤（1）中FeCrNiAlTi合金粉末与CrN粉末混粉的步骤替换为：将FeCrNiAlTi合金粉末与CrN粉末按照质量比13.6:1进行混粉，通过混粉机进行搅拌，搅拌时间为30min。
实施例1~4中元素配比以及时效处理工艺参数列表如下表1所示：
表1
将实施例1~4制得的钢材料进行形貌、拉伸性能以及抗氢脆性能等测试，测试结果如图1-2、下表2和表3所示。其中，各项性能测试项目的测试条件为：
1、形貌
采用电子背散射衍射技术和透射电子显微镜对材料形貌进行研究。使用的带有EBSD的场发射扫描电子显微镜型号为JEOL-JSM-6301F。使用的透射电子显微镜型号为FEITalos F200X。
图1所示为实施例2获得的奥氏体不锈钢沿打印方向的电子背散射衍射图像质量（EBSD image quality）组织和相（Phase）组成复合照片。所获得的奥氏体钢为全奥氏体组织。图2所示为实施例2获得的奥氏体不锈钢中析出强化相的透射电子显微镜照片（TEMimage）。由图1和图2可以看出，经过时效处理之后，基体中有大量的L21相、富Cr相和L12相等析出强化相，能够显著提升材料的强度。
2、拉伸试验
使用AG-IC20KN电子万能试验机进行力学性能测量，试样标距为10mm，拉伸速率为0.15mm/min。在此所采用的测试温度为室温(23℃)。力学性能测试结果如表2所示。
表2
由表2可以看出，本发明的实施例1-4的奥氏体不锈钠在23℃的屈服强度为至少1.0Gpa；在23℃的抗拉强度为至少1.3GPa；在23℃的总延伸率为至少15%。并且，实施例3和实施例4中，在含有氮时，时效处理的时间仅为2小时，即可达到相当的力学强度和总延伸率。
3、抗氢脆性能测试
将实施例2制得的奥氏体不锈钢进行抗氢脆性能测试，测试条件如下：拉伸试样通过电化学法充氢，所用溶液为0.2 mol/L NaOH和3 g/L NH4SCN的混合水溶液，电流密度为50 mA/cm2，充氢时间为24h，72h和120h。充氢完成后，立即对拉伸试样进行拉伸实验，初始应变速率为2.5×10-4 /s。通过充氢拉伸试样的总延伸率与未充氢拉伸试样的总延伸率的比值来衡量钢材料的抗氢脆性能，其结果如表3所示。
表3
另外，对实施例3和实施例4的奥氏体不锈钢进行抗氢脆性能测试，其与实施例2的抗氢脆性能基本相当。
需要说明的是，尽管以具体实例介绍了本发明的技术方案，但本领域技术人员能够理解，本发明应不限于此。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (10)
1.一种奥氏体不锈钢，其特征在于，由以下组分构成：
14质量%≤Cr≤20质量%，
23质量%≤Ni≤26质量%，
3.0质量%≤Al≤5.0质量%，
2.0质量%≤Ti≤4.0质量%，
0质量%≤N≤1.0质量%，
余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述奥氏体不锈钢以奥氏体为初始组织经时效处理得到。
3.根据权利要求1或2所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述奥氏体不锈钢的组织结构中分布有L21相、富Cr相和L12相。
4.根据权利要求1或2所述的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述奥氏体不锈钢在23℃的屈服强度为至少1.0Gpa；和/或，
所述奥氏体不锈钢在23℃的抗拉强度为至少1.3GPa；和/或，
所述奥氏体不锈钢在23℃的总延伸率为至少15%。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括采用激光增材制造的方法制备得到。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
按照各组分的含量确定元素配比，提供符合所述元素配比的合金粉末；
设计三维模型、设定激光增材制造过程中的实体参数并按照所述实体参数对所述三维模型进行赋值；
将所述合金粉末装入3D打印机中并按照赋值参数进行激光增材制造得到初始组织；
对所述初始组织进行时效处理。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述合金粉末包括FeCrNiAlTi合金粉末和任选存在地CrN粉末。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，以所述合金粉末的总质量为100%计，所述FeCrNiAlTi合金粉末的含量为90~100%；所述CrN粉末的含量为0~10%。
9.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述实体参数包括激光扫描速度、激光功率、扫描线间距、旋转增量以及单层厚度中的一种或两种以上的组合；
所述激光扫描速度为900mm/s~1100mm/s，所述激光功率为130W~150W，所述扫描线间距为70μm~90μm，所述单层厚度为15μm~25μm；所述旋转增量为67°。
10.根据权利要求6-8任一项所述的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述时效处理的温度为600℃~750℃，所述时效处理的时间为1h~200h。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410397151.9A CN117987749A (zh) | 2024-04-03 | 2024-04-03 | 超高强度抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410397151.9A CN117987749A (zh) | 2024-04-03 | 2024-04-03 | 超高强度抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117987749A true CN117987749A (zh) | 2024-05-07 |
Family
ID=90891507
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410397151.9A Pending CN117987749A (zh) | 2024-04-03 | 2024-04-03 | 超高强度抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117987749A (zh) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1519388A (zh) * | 2003-01-29 | 2004-08-11 | 住友金属工业株式会社 | 奥氏体系不锈钢及其制造方法 |
| CN1833043A (zh) * | 2003-06-10 | 2006-09-13 | 住友金属工业株式会社 | 氢气用奥氏体不锈钢及其制造方法 |
| CN101864531A (zh) * | 2008-12-25 | 2010-10-20 | 住友金属工业株式会社 | 奥氏体类耐热合金 |
| JP2014047409A (ja) * | 2012-09-03 | 2014-03-17 | Nippon Steel & Sumitomo Metal | 高圧水素ガス用高強度オーステナイトステンレス鋼 |
| JP2020132979A (ja) * | 2019-02-25 | 2020-08-31 | 日本製鉄株式会社 | オーステナイト系ステンレス鋼及びオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法 |
| JP2021080564A (ja) * | 2019-11-13 | 2021-05-27 | 日本製鉄株式会社 | オーステナイト系ステンレス鋼材 |
| CN115141984A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-10-04 | 燕山大学 | 一种高熵奥氏体不锈钢及其制备方法 |
| WO2023275495A1 (fr) * | 2021-06-30 | 2023-01-05 | Compagnie Generale Des Etablissements Michelin | Poudre d'acier inoxydable austenitique et son procede de production |
| CN116288029A (zh) * | 2023-01-06 | 2023-06-23 | 清华大学 | 轻质超高强度奥氏体不锈钢及其制备方法 |
-
2024
- 2024-04-03 CN CN202410397151.9A patent/CN117987749A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1519388A (zh) * | 2003-01-29 | 2004-08-11 | 住友金属工业株式会社 | 奥氏体系不锈钢及其制造方法 |
| CN1833043A (zh) * | 2003-06-10 | 2006-09-13 | 住友金属工业株式会社 | 氢气用奥氏体不锈钢及其制造方法 |
| CN101864531A (zh) * | 2008-12-25 | 2010-10-20 | 住友金属工业株式会社 | 奥氏体类耐热合金 |
| JP2014047409A (ja) * | 2012-09-03 | 2014-03-17 | Nippon Steel & Sumitomo Metal | 高圧水素ガス用高強度オーステナイトステンレス鋼 |
| JP2020132979A (ja) * | 2019-02-25 | 2020-08-31 | 日本製鉄株式会社 | オーステナイト系ステンレス鋼及びオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法 |
| JP2021080564A (ja) * | 2019-11-13 | 2021-05-27 | 日本製鉄株式会社 | オーステナイト系ステンレス鋼材 |
| WO2023275495A1 (fr) * | 2021-06-30 | 2023-01-05 | Compagnie Generale Des Etablissements Michelin | Poudre d'acier inoxydable austenitique et son procede de production |
| CN115141984A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-10-04 | 燕山大学 | 一种高熵奥氏体不锈钢及其制备方法 |
| CN116288029A (zh) * | 2023-01-06 | 2023-06-23 | 清华大学 | 轻质超高强度奥氏体不锈钢及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lin et al. | Effects of annealing on the structure and mechanical properties of FeCoCrNi high-entropy alloy fabricated via selective laser melting | |
| Dong et al. | Carbonaceous nanomaterial reinforced Ti-6Al-4V matrix composites: Properties, interfacial structures and strengthening mechanisms | |
| Gokcekaya et al. | Crystallographic orientation control of pure chromium via laser powder bed fusion and improved high temperature oxidation resistance | |
| Yang et al. | Additively manufactured fine grained Ni6Cr4WFe9Ti high entropy alloys with high strength and ductility | |
| CN107747019B (zh) | 一种Ni-Co-Cr-Al-W-Ta-Mo系高熵高温合金及其制备方法 | |
| Ma et al. | Effect of cold deformation on corrosion behavior of selective laser melted 316L stainless steel bipolar plates in a simulated environment for proton exchange membrane fuel cells | |
| Duan et al. | Segregation enabled outstanding combination of mechanical and corrosion properties in a FeCrNi medium entropy alloy manufactured by selective laser melting | |
| CN111607749B (zh) | 一种立方形态b2纳米粒子共格析出的高温700℃用铁基超合金 | |
| Zhang et al. | Intergranular corrosion characteristics of high-efficiency wire laser additive manufactured Inconel 625 alloys | |
| GB1567524A (en) | High-endurance alloys | |
| Xiong et al. | Multiple strengthening via high-entropy alloy particle addition in titanium matrix composites fabricated by spark plasma sintering | |
| CN114058892A (zh) | 一种耐磨耐腐蚀高熵合金基复合材料及其制备方法 | |
| Olejarz et al. | Microstructure and mechanical properties of mechanically-alloyed CoCrFeNi high-entropy alloys using low ball-to-powder ratio | |
| Sun et al. | In-situ synthesis of CoCrFeMnNi high-entropy alloy by selective laser melting | |
| CN111797502A (zh) | 一种基于电子合金理论进行高熵合金成分设计的方法 | |
| CN116288029B (zh) | 轻质超高强度奥氏体不锈钢及其制备方法 | |
| Ogunbiyi et al. | Corrosion and wear behaviour of Spark plasma-sintered NiCrCoAlTiW-Ta superalloy | |
| CN116288027B (zh) | 低密度马氏体时效钢及其制备方法 | |
| CN117987749A (zh) | 超高强度抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法 | |
| Packia Antony Amalan et al. | A study on the effect of ageing heat treatment on hardness, tensile and corrosion behaviour of stir-cast AZ91D–5SiC–1Gr hybrid magnesium composite | |
| Gan et al. | Tuning the mechanical properties of powder bed fusion printed CoCrFeNiMn high-entropy alloys by annealing and hot isostatic pressing | |
| Fan et al. | Evolution of γ′ particles in Ni-based superalloy weld joint and Its effect on impact toughness during long-term thermal exposure | |
| Huang et al. | Research on Bi contents addition into Sn–Cu-based lead-free solder alloy | |
| Mohamed et al. | Physico-mechanical, microstructure, and chemical properties of Si/Ti/Nb additions to CoCrMoW medium entropy alloys | |
| Wang et al. | In-situ alloyed ultrahigh strength steels via additive manufacturing |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |