适用于增材制造的奥氏体不锈钢
阅读：380发布：2020-06-24
专利汇可以提供适用于增材制造的奥氏体不锈钢专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种适用于 增材制造 的奥氏体不锈 钢 ，其化学成分按 质量 百分比计为：C≤0.03%，Mn：1.80~2.50%，Si：0.30~0.65%，S≤0.015%，P≤0.028%，Mo：3.0~4.0%，Cr：17.0~19.0%，Ni：11.0~14.0%，Cu≤0.75%，Nb或V：0.3~0.7%，余量为Fe。本发明通过控制元素成分及适当添加Nb/V微 合金 化的方法得到了适合增材制造的奥氏体 不锈钢 ，制成丝材或粉末后通过增材制造得到的增材体最高室温 抗拉强度 可达961MPa、最高室温 屈服强度 为630MPa，断后伸长率最高可达42.7%。，下面是适用于增材制造的奥氏体不锈钢专利的具体信息内容。
1.适用于增材制造的奥氏体不锈钢，其特征在于，其化学成分按质量百分比计为：C≤
0.03%，Mn：1.80 2.50%，Si：0.30 0.65%，S≤0.015%，P≤0.028%，Mo：3.0 4.0%，Cr：16.0~ ~ ~ ~
18.0%，Ni：11 14%，Cu≤0.75%，Nb或V：0.3 0.7%，余量为Fe。
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2.如权利要求1所述的适用于增材制造的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）按照设计的成分配置奥氏体不锈钢所需材料；
（2）将配好的元素放入熔炼炉中进行熔炼，浇铸成实心棒材；
（3）将浇铸好的棒材进行多次轧制、拉拔，最后形成不锈钢丝材；
（4）将制好的丝材使用冷金属过渡焊接增材制造的方法制备不锈钢块体，在基板上堆焊出一个块体试样，且每一层焊道与下一层焊道垂直。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，最后形成直径为0.8 1.2mm的不~
锈钢丝材。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，设置送丝速度为4.5 5.5m/min，~
熔覆速度为45 50cm/min，焊接电流为100 120A。
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5.如权利要求1所述的适用于增材制造的奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）按照设计的成分配置奥氏体不锈钢所需材料；
（2）将配好的元素放入熔炼炉中进行熔炼，采用气雾化技术制成不锈钢粉末；
（3）将制备的粉末进行筛分；
（4）将制成的不锈钢粉末用于激光选区熔化制备块体，在基板上增材出一个块体试样。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，将制备的粉末进行筛分，选取直径为15 53μm的不锈钢粉末进行增材制造。
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7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，设置激光功率为100 110W，选择~
光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为350 400mm/s，扫描间距为120 130μm。
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适用于增材制造的奥氏体不锈钢
技术领域
背景技术
[0002] 近年来，在资源节约及高效制造的背景下，基于“加法”加工模式的增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术在复杂形状薄壁件的制造上呈现出广阔的应用前景。增材制造俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。但是目前为止，适用于增材制造的金属种类并不算太多。
[0003] 316L不锈钢属于美国20世纪70年代AISI 300奥氏体不锈钢系列产品。它是经典的18-8(Cr-Ni)不锈钢成分改型合金，是为改善耐腐蚀性能而发展的一种Cr-Ni-Mo型超低碳不锈钢。由于其优良的耐海水腐蚀、耐晶间腐蚀性能和高温力学性能，被广泛用于管道、换热器、高温螺栓的制造和医用材料，是目前应用较为广泛的奥氏体不锈钢。目前，使用较多的316L奥氏体不锈钢的室温抗拉强度为485MPa，室温屈服强度为170MPa，断后伸长率为
40％，强度较低。
40％，强度较低。
发明内容
[0004] 为了解决316L奥氏体不锈钢强度较低的问题，本发明旨在提供一种适用于增材制造的00Cr17Ni12Mo4Nb奥氏体不锈钢及其制备方法，增材制造的样品相比于传统316L不锈钢强度得到显著提升，并且保持着良好的塑性。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案是：
[0006] 一种适用于增材制造的奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C≤0.03％，Mn：1.80～2.50％，Si：0.30～0.65％，S≤0.015％，P≤0.028％，Mo：3.0～4.0％，Cr：16.0～18.0％，Ni：11～14％，Cu≤0.75％，Nb或V：0.3～0.7％，余量为Fe。
[0007] 上述适用于增材制造的奥氏体不锈钢的制备方法，具体包括如下步骤：
[0008] (1)按照设计的成分配置奥氏体不锈钢所需材料；
[0009] (2)将配好的元素放入熔炼炉中进行熔炼，浇铸成实心棒材；
[0011] (4)将制好的丝材使用冷金属过渡焊接技术(CMT)增材制造的方法制备不锈钢块体，设置送丝速度为4.5～5.5m/min，熔覆速度为45～50cm/min，焊接电流为100～120A，在基板上堆焊出一个块体试样，且每一层焊道与下一层焊道垂直。
[0012] 本发明还提供了了另一种适用于增材制造的奥氏体不锈钢的制备方法，具体包括如下步骤：
[0013] (1)按照设计的成分配置奥氏体不锈钢所需材料；
[0014] (2)将配好的元素放入熔炼炉中进行熔炼，采用气雾化技术制成不锈钢粉末；
[0015] (3)将制备的粉末进行筛分，选取直径为15～53μm的不锈钢粉末进行增材制造；
[0016] (4)将制成的不锈钢粉末用于激光选区熔化制备块体，设置激光功率为100～110W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为350～400mm/s，扫描间距为120～130μm，在基板上增材出一个块体试样。
[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0018] 本发明在现有技术基础上改进不锈钢配方，增材制造的样品在平行于基板方向室温抗拉强度为961MPa，室温屈服强度为630MPa，断后伸长率为29.0％，在垂直于基板方向得到拉强度为891MPa，屈服强度为403MPa，断后伸长率为39.5％。总之，不锈钢增材制造出的样品成型性较好，材料的强度得到较大提高，同时具有良好的塑性。
具体实施方式
[0019] 本发明技术方案中以316L体系作为基体，该体系综合性能比较优异。通过改善某些合金成分和添加Nb、V元素，使材料达到适合增材的同时增材出的样品强度更高塑性较好的效果。
[0020] 实例1：
[0021] 一种适用于增材制造的奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C≤0.03％，Mn：2.10％，Si：0.37％，S≤0.015％，P≤0.028％，Mo：3.3％，Cr：17.5％，Ni：
12.5％，Cu≤0.75％，Nb：0.5％，余量为Fe。
12.5％，Cu≤0.75％，Nb：0.5％，余量为Fe。
[0022] 将不锈钢制成直径为0.8mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为4.5m/s、焊接电流为100A、熔覆速度为45cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为10×10×10cm的块体试样。且每一层焊道与下一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
[0023] 制作金相试样观察试样微观组织，发现增材体的组织均为枝晶状组织，垂直于基板方向的样品枝晶较长，平行于基板方向的样品枝晶则相对较短。
[0024] 按照拉伸实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，在平行于基板方向得到抗拉强度为841MPa，屈服强度为572MPa，断后伸长率为30.1％。在垂直于基板方向得到拉强度为751MPa，屈服强度为355MPa，断后伸长率为
41.3％。
41.3％。
[0025] 实例2：
[0026] 一种适用于增材制造的奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C≤0.03％，Mn：2.33％，Si：0.41％，S≤0.015％，P≤0.028％，Mo：3.3％，Cr：17.7％，Ni：
13.1％，Cu≤0.75％，Nb：0.7％，余量为Fe。
13.1％，Cu≤0.75％，Nb：0.7％，余量为Fe。
[0027] 将不锈钢制成直径为1mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为5.0m/s、焊接电流为105A、熔覆速度为50cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为10×10×10cm的块体试样。且每一层焊道与下一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
[0028] 制作金相试样观察试样微观组织，发现增材体的组织均为枝晶状组织，垂直于基板方向的样品枝晶较长，平行于基板方向的样品枝晶则相对较短。
[0029] 按照拉伸实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，在平行于基板方向得到抗拉强度为949MPa，屈服强度为622MPa，断后伸长率为29.5％。在垂直于基板方向得到拉强度为885MPa，屈服强度为401MPa，断后伸长率为
39.0％。
39.0％。
[0030] 实例3：
[0031] 一种适用于增材制造的奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C≤0.03％，Mn：2.31％，Si：0.46％，S≤0.015％，P≤0.028％，Mo：3.0％，Cr：17.8％，Ni：
12.6％，Cu≤0.75％，Nb：0.5％，余量为Fe。
12.6％，Cu≤0.75％，Nb：0.5％，余量为Fe。
[0032] 将不锈钢制成直径为1mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为5.0m/s、焊接电流为110A、熔覆速度为50cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为10×10×10cm的块体试样。且每一层焊道与下一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
[0033] 制作金相试样观察试样微观组织，发现增材体的组织均为枝晶状组织，垂直于基板方向的样品枝晶较长，平行于基板方向的样品枝晶则相对较短。
[0034] 按照拉伸实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，在平行于基板方向得到抗拉强度为837MPa，屈服强度为565MPa，断后伸长率为30.2％。在垂直于基板方向得到拉强度为749MPa，屈服强度为349MPa，断后伸长率为
41.4％。
41.4％。
[0035] 实例4：
[0036] 一种适用于增材制造的奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C≤0.03％，Mn：2.17％，Si：0.33％，S≤0.015％，P≤0.028％，Mo：4.0％，Cr：18.2％，Ni：
12.7％，Cu≤0.75％，Nb：0.3％，余量为Fe。
12.7％，Cu≤0.75％，Nb：0.3％，余量为Fe。
[0037] 将不锈钢制成直径为1.2mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为5.5m/s、焊接电流为120A、熔覆速度为50cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为10×10×10cm的块体试样。且每一层焊道与下一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
[0038] 制作金相试样观察试样微观组织，发现增材体的组织均为枝晶状组织，垂直于基板方向的样品枝晶较长，平行于基板方向的样品枝晶则相对较短。
[0039] 按照拉伸实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，在平行于基板方向得到抗拉强度为940MPa，屈服强度为627MPa，断后伸长率为29.7％。在垂直于基板方向得到拉强度为875MPa，屈服强度为397MPa，断后伸长率为
39.2％。
39.2％。
[0040] 实例5：
[0041] 一种适用于增材制造的奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C≤0.03％，Mn：2.41％，Si：0.44％，S≤0.015％，P≤0.028％，Mo：3.5％，Cr：19.0％，Ni：
12.1％，Cu≤0.75％，V：0.5％，余量为Fe。
12.1％，Cu≤0.75％，V：0.5％，余量为Fe。
[0042] 将不锈钢制成直径为0.8mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为4.5m/s、焊接电流为100A、熔覆速度为45cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为10×10×10cm的块体试样。且每一层焊道与下一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
[0043] 制作金相试样观察试样微观组织，发现增材体的组织均为枝晶状组织，垂直于基板方向的样品枝晶较长，平行于基板方向的样品枝晶则相对较短。
[0044] 按照拉伸实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，在平行于基板方向得到抗拉强度为903MPa，屈服强度为597MPa，断后伸长率为30.5％。在垂直于基板方向得到拉强度为830MPa，屈服强度为412MPa，断后伸长率为
39.5％。
39.5％。
[0045] 实例6：
[0046] 一种适用于增材制造的奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C≤0.03％，Mn：2.50％，Si：0.65％，S≤0.015％，P≤0.028％，Mo：3.1％，Cr：17.8％，Ni：
14.0％，Cu≤0.75％，V：0.7％，余量为Fe。
14.0％，Cu≤0.75％，V：0.7％，余量为Fe。
[0047] 将不锈钢制成直径为1mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为5.0m/s、焊接电流为105A、熔覆速度为50cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为10×10×10cm的块体试样。且每一层焊道与下一层焊道垂直，将制成的样品进行切割处理，切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
[0048] 制作金相试样观察试样微观组织，发现增材体的组织均为枝晶状组织，垂直于基板方向的样品枝晶较长，平行于基板方向的样品枝晶则相对较短。
[0049] 按照拉伸实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，在平行于基板方向得到抗拉强度为811MPa，屈服强度为543MPa，断后伸长率为31.2％。在垂直于基板方向得到拉强度为754MPa，屈服强度为332MPa，断后伸长率为
41.4％。
41.4％。
[0050] 实例7：
[0051] 一种适用于增材制造的奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C≤0.03％，Mn：2.39％，Si：0.51％，S≤0.015％，P≤0.028％，Mo：3.3％，Cr：18.4％，Ni：
12.7％，Cu≤0.75％，V：0.5％，余量为Fe。
12.7％，Cu≤0.75％，V：0.5％，余量为Fe。
[0052] 将不锈钢制成直径为1mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为5.0m/s、焊接电流为110A、熔覆速度为50cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为10×10×10cm的块体试样。且每一层焊道与下一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
[0053] 制作金相试样观察试样微观组织，发现增材体的组织均为枝晶状组织，垂直于基板方向的样品枝晶较长，平行于基板方向的样品枝晶则相对较短。
[0054] 按照拉伸实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，在平行于基板方向得到抗拉强度为908MPa，屈服强度为586MPa，断后伸长率为30.6％。在垂直于基板方向得到拉强度为841MPa，屈服强度为405MPa，断后伸长率为
39.7％。
39.7％。
[0055] 实例8：
[0056] 一种适用于增材制造的奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C≤0.03％，Mn：1.91％，Si：0.31％，S≤0.015％，P≤0.028％，Mo：3.4％，Cr：18.6％，Ni：
12.3％，Cu≤0.75％，V：0.3％，余量为Fe。
12.3％，Cu≤0.75％，V：0.3％，余量为Fe。
[0057] 将不锈钢制成直径为1.2mm的丝材，使用CMT进行丝材的增材制造，设置送丝速度为5.5m/s、焊接电流为120A、熔覆速度为50cm/min，在基板上堆焊出一个尺寸为10×10×10cm的块体试样。且每一层焊道与下一层焊道垂直，将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
[0058] 制作金相试样观察试样微观组织，发现增材体的组织均为枝晶状组织，垂直于基板方向的样品枝晶较长，平行于基板方向的样品枝晶则相对较短。
[0059] 按照拉伸实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，在平行于基板方向得到抗拉强度为802MPa，屈服强度为550MPa，断后伸长率为31.0％。在垂直于基板方向得到拉强度为740MPa，屈服强度为329MPa，断后伸长率为
41.5％。
41.5％。
[0060] 实例9：
[0061] 一种适用于增材制造的奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C≤0.03％，Mn：2.21％，Si：0.55％，S≤0.015％，P≤0.028％，Mo：3.6％，Cr：18.1％，Ni：
12.6％，Cu≤0.75％，Nb：0.3％，余量为Fe。
12.6％，Cu≤0.75％，Nb：0.3％，余量为Fe。
[0062] 将不锈钢制成15～53μm的不锈钢粉末，使用激光选区熔化技术制备不锈钢块体，设置激光功率为100W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为350mm/s，扫描间距为120μm，在基板上增材出一个尺寸为10×10×10cm的块体试样。将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
[0063] 制作金相试样观察试样微观组织，发现增材体的组织均细小的层状结构，内部孔隙少，致密度较高。
[0064] 按照拉伸实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，在平行于基板方向得到抗拉强度为827MPa，屈服强度为530MPa，断后伸长率为31.6％。在垂直于基板方向得到拉强度为730MPa，屈服强度为391MPa，断后伸长率为
41.7％。
41.7％。
[0065] 实例10：
[0066] 一种适用于增材制造的奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C≤0.03％，Mn：2.25％，Si：0.30％，S≤0.015％，P≤0.028％，Mo：3.7％，Cr：18.5％，Ni：
11.0％，Cu≤0.75％，Nb：0.5％，余量为Fe。
11.0％，Cu≤0.75％，Nb：0.5％，余量为Fe。
[0067] 将不锈钢制成15～53μm的不锈钢粉末，使用激光选区熔化技术制备不锈钢块体，设置激光功率为110W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为400mm/s，扫描间距为130μm，在基板上增材出一个尺寸为10×10×10cm的块体试样。将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
[0068] 制作金相试样观察试样微观组织，发现增材体的组织均细小的层状结构，内部孔隙少，致密度较高。
[0069] 按照拉伸实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，在平行于基板方向得到抗拉强度为961MPa，屈服强度为630MPa，断后伸长率为29.0％。在垂直于基板方向得到拉强度为891MPa，屈服强度为403MPa，断后伸长率为
39.5％。
39.5％。
[0070] 实例11：
[0071] 一种适用于增材制造的奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C≤0.03％，Mn：2.37％，Si：0.40％，S≤0.015％，P≤0.028％，Mo：3.5％，Cr：18.2％，Ni：
13.5％，Cu≤0.75％，V：0.3％，余量为Fe。
13.5％，Cu≤0.75％，V：0.3％，余量为Fe。
[0072] 将不锈钢制成15～53μm的不锈钢粉末，使用激光选区熔化技术制备不锈钢块体，设置激光功率为105W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为380mm/s，扫描间距为125μm，在基板上增材出一个尺寸为10×10×10cm的块体试样。将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
[0073] 制作金相试样观察试样微观组织，发现增材体的组织均细小的层状结构，内部孔隙少，致密度较高。
[0074] 按照拉伸实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，在平行于基板方向得到抗拉强度为912MPa，屈服强度为603MPa，断后伸长率为31.1％。在垂直于基板方向得到拉强度为835MPa，屈服强度为417MPa，断后伸长率为
40.2％。
40.2％。
[0075] 实例12：
[0076] 一种适用于增材制造的奥氏体不锈钢，其化学成分按质量百分比计为：C≤0.03％，Mn：1.80％，Si：0.37％，S≤0.015％，P≤0.028％，Mo：3.3％，Cr：17.0％，Ni：
12.4％，Cu≤0.75％，V：0.5％，余量为Fe。
12.4％，Cu≤0.75％，V：0.5％，余量为Fe。
[0077] 将不锈钢制成15～53μm的不锈钢粉末，使用激光选区熔化技术制备不锈钢块体，设置激光功率为100W，选择光斑直径为180μm的岛扫描，扫描速度为370mm/s，扫描间距为120μm，在基板上增材出一个尺寸为10×10×10cm的块体试样。将制成的样品切割成平行于基板和垂直于基板方向两类样品，便于分析其性能。
[0078] 制作金相试样观察试样微观组织，发现增材体的组织均细小的层状结构，内部孔隙少，致密度较高。
[0079] 按照拉伸实验国家标准，将块体制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，在平行于基板方向得到抗拉强度为908MPa，屈服强度为597MPa，断后伸长率为31.2％。在垂直于基板方向得到拉强度为830MPa，屈服强度为414MPa，断后伸长率为
40.5％。
40.5％。
[0080] 本发明制备的不锈钢并不限于以上几种增材制造技术，激光金属直接成形、电子束增材制造、等离子弧增材制造、离子束增材制造等制备的此成分的不锈钢同样属于本发明的技术保护范围内。
[0081] 表1具体实施例成分表(％)
[0082]
[0083]
[0084] 除表1给出的成分外，其余均为C≤0.03％，S≤0.015％，P≤0.028％，Cu≤0.75％，余量为Fe。
[0085] 表2各项性能实际测量值
[0086]
[0087] 注：横向σb，σs，δ为平行于基板方向抗拉强度，屈服强度，断后伸长率，纵向σb，σs，δ为垂直于基板方向抗拉强度，屈服强度，断后伸长率，强度单位为MPa。
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