一种原位生成纳米氧化物弥散强化TWIP钢的制备方法

本发明属于合金制备相关，更具体地，涉及一种原位生成纳米氧化物弥散强化twip钢的制备方法。

背景技术：

1、孪生诱发塑性(twinning-induced plasticity，twip)钢是一种先进的合金钢，由于其相对较低的密度、出色的延展性和高能量吸收能力等特点，成为许多工程领域的理想候选材料，如轻质结构、冲击保护或缓冲结构、隔振结构和抗疲劳结构。然而twip钢的奥氏体面心立方(fcc)结构，原子之间相互作用力较弱，使得其屈服强度并不像其韧性那样出色，低屈服强度可能会限制其应用范围。一般而言，对于铸造态的twip钢可以通过较大冷变形处理，提高材料屈服强度，但材料塑性会急剧降低，而且变形组织中会产生织构造成材料性能的各向异性。为解决塑性降低和织构问题，同时又想保持材料的强度，后续的热处理至关重要，需要对热处理的温度和时间进行严格把控，制备工艺繁琐且严苛。

2、氧化物弥散强化(oxide dispersion strengthened，ods)钢的特征是基体中弥散分布着纳米氧化物粒子，通过hall-petch或orowan机制阻碍位错运动。ods钢目前普遍采用传统的粉末冶金方法制备，即首先通过高能球磨合金和氧化物粉末来获得过饱和固溶体粉体，随后对粉体进行热固化成型及后续的热处理以在基体中弥散析出大量纳米氧化物粒子。此种方法制备纳米氧化物弥散强化twip钢需要先球磨使得氧化物粉末在基体金属中均匀化，耗时较长效率较低，而且后续粉末冶金的方法存在粉末未熔合和缺陷较多的风险，此种方法制备出的twip钢性能不如铸锻态twip钢。增材制造技术中激光粉末床(lpbf)融合技术是通过激光热源在金属粉末床按照设计好的模型进行逐层铺粉扫描，扫描过的金属粉末融化凝固从而达到冶金结合的效果，冶金效果显著且成形效率高。lpbf过程中激光热源作用范围小，也可达到组织均匀的目的。

3、基于twip钢ods强化需求和针对球磨加粉末冶金制备方法工序复杂效率低且缺陷多的不足的现状。本领域存在着发展一种效率高、成本低的纳米氧化物弥散强化twip钢件的技术需求。

技术实现思路

1、针对上述twip钢ods强化需求和针对球磨加粉末冶金制备方法工序复杂效率低且缺陷多的不足的现状，本发明提供了一种原位生成纳米氧化物弥散强化twip钢的制备方法。所述制备方法是一种基于增材制造的原位生成纳米氧化铝弥散强化fe-mn-al-si系twip钢的制备方法。lpbf过程激光热源作用范围小，根据粉末元素的吉布斯自由能，在高温下粉末中微量的氧与铝发生反应，原位生成弥散分布的纳米氧化物且组织均匀；其快速冷却凝固的特性，抑制了纳米氧化物的聚集与长大。此外，该方法无需球磨添加纳米氧化物，无需模具且成形效率高，也可以实现复杂金属构件的制备。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种原位生成纳米氧化物弥散强化twip钢的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)设计合金元素，使用非真空熔炼炉气雾化的方法得到fe-mn-al-si系twip钢球形粉末；

5、(2)将粉末放入加热炉进行加热处理，提高粉末粒径表面的氧含量；

6、(3)将步骤(2)所得粉末进行激光粉末床融合制造，得到原位生成纳米氧化物弥散强化twip钢。

7、进一步地，步骤(1)中，球形粉末粒径为15-53μm。例如，球形粉末粒径为15μm、17μm、19μm、1μm、3μm、25μm、27μm、29μm、30μm、32μm、34μm、36μm、38μm、40μm、42μm、44μm、46μm、48μm、50μm、52μm或53μm。

8、进一步地，步骤(1)中，以fe-mn-al-si系twip钢的总质量计，fe-mn-al-si系twip钢由以下组分组成：mn:28～32wt％,al:1～5wt％,si：1～5wt％,c:0～0.1wt％,s:0～0.01wt％,余量为fe。

9、例如，步骤(1)中，以fe-mn-al-si系twip钢的总质量计，fe-mn-al-si系twip钢由以下组分组成：mn的质量百分含量为28wt％、28.2wt％、28.4wt％、28.6wt％、28.8wt％、29wt％、29.wt％、29.4wt％、29.6wt％、29.8wt％、30wt％、30.2wt％、30.4wt％、30.6wt％、30.8wt％、31wt％、31.2wt％、31.4wt％、31.6wt％、31.8wt％或32wt％；al的质量百分含量为1wt％、1.2wt％、1.4wt％、1.6wt％、1.8wt％、2wt％、2.2wt％、2.4wt％、2.6wt％、2.8wt％、3wt％、3.2wt％、3.4wt％、3.6wt％、3.8wt％、4wt％、4.2wt％、4.4wt％、4.6wt％、4.8wt％或5wt％；si的质量百分含量为1wt％、1.2wt％、1.4wt％、1.6wt％、1.8wt％、2wt％、2.2wt％、2.4wt％、2.6wt％、2.8wt％、3wt％、3.2wt％、3.4wt％、3.6wt％、3.8wt％、4wt％、4.2wt％、4.4wt％、4.6wt％、4.8wt％或5wt％；c的质量百分含量为0、0.02wt％、0.04wt％、0.06wt％、0.08wt％或0.1wt％；s的质量百分含量为0、0.001wt％、0.003wt％、0.005wt％、0.007wt％、0.009wt％或0.01wt％；余量为fe。

10、进一步地，步骤(2)中，加热处理的温度是50～150℃，加热处理时间为1～10h。例如，加热处理的温度是50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃，加热处理时间为1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h或10h。

11、进一步地，步骤(3)中，所述激光粉末床融合制造，选择以下参数进行fe-mn-al-si系twip钢块体建造，使用氮气保护气，激光光斑直径为0.09～0.12mm，基板预热温度60～100℃，激光功率p为200w-300w，扫描速度v为800～1200mm/s，扫描间距h为0.06～0.1mm，初始扫描夹角0～90°，分层转角60～70°，分层厚度t为0.03～0.05mm。

12、进一步地，步骤(3)中，所述激光粉末床融合制造，选择以下参数进行fe-mn-al-si系twip钢块体建造，使用氮气保护气，激光光斑直径为0.09mm、0.1mm、0.11mm或0.12mm，基板预热温度60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃，激光功率p为200w、210w、220w、230w、240w、250w、260w、270w、280w、290w或300w，扫描速度v为800mm/s、850mm/s、900mm/s、950mm/s、1000mm/s、1050mm/s、1100mm/s、1150mm/s或1200mm/s，扫描间距h为0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm或0.1mm，初始扫描夹角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°或90°，分层转角60°、61°、62°、63°、64°、65°、66°、67°、68°、69°或70°，分层厚度t为0.03mm、0.04mm或0.05mm。

13、具体地，一种原位生成纳米氧化物弥散强化twip钢的制备方法，包括以下步骤：

14、1、设计合金元素，fe-mn-al-si系twip钢使用非真空熔炼炉气雾化的方法得到粒径为15-53μm的球形粉末。

15、2、将粉末放入箱式加热炉进行70℃1小时的加热处理，提高粉末粒径表面的氧含量。

16、3、使用华曙高科fs273m设备进行lpbf制造，在工艺优化后选择以下参数进行fe-mn-al-si系twip钢块体建造，使用氮气保护气，激光光斑直径为0.09mm，基板预热温度80℃，激光功率p为200w-300w，扫描速度v为1000mm/s，扫描间距h为0.08mm，初始扫描夹角20°，分层转角67°，分层厚度t为0.04mm。打印出的块体致密度接近100％。

17、针对twip钢ods强化需求和针对球磨加粉末冶金制备方法工序复杂效率低且缺陷多的不足的现状，本发明提供了一种效率高、缺陷少、成本低的原位生成纳米氧化物弥散强化twip钢的制备方法。所述制备方法是一种基于增材制造的原位生成纳米氧化铝弥散强化fe-mn-al-si系twip钢的制备方法。该方法只需对粉末进行加热增氧，无需球磨添加纳米氧化物，无需模具且成形效率高，也可以实现复杂金属构件的制备。