一种不锈钢合金及其增材制造成型方法

本发明涉及增材制造合金材料，尤其是涉及一种不锈钢合金及其增材制造成型方法。

背景技术：

1、随着制造水平的发展，先进制造业对零件的性能及其可制造性要求不断提高。激光粉床融合(laser-powder bed fusion,lpbf)增材制造技术具有设计自由度高、制备成型速度快以及产业链短等特点，在复杂结构零件的制备中具备独特优势。增材制造奥氏体不锈钢(例：316,304系列不锈钢)打印态通常具备较传统材料更高的机械性能(屈服强度可显著提升至(～400-600mpa)，而不过多损失延展性)，因此针对此类合金的增材制造工艺及机械性能评估已成为工业界的研究热点，但依赖传统合金成分范围制备的不锈钢产品很难满足需要更高强度的应用场景。突破传统奥氏体不锈钢成分范围并针对增材制造工艺的特点开发适用于增材制造工艺的新型不锈钢材料可进一步提高此类合金的机械性能，从而进一步拓宽奥氏体不锈钢的应用范围。然而，目前针对新型不锈钢粉末成分设计、增材制造工艺及其机械性能评估依然较少，且不锈钢的增材制造及开发依然多针对于传统合金。例如：中国专利cn 113263173 a和中国专利cn 114700499 a分别公布了一种高强抗氢脆增材制造奥氏体不锈钢和一种控氮不锈钢的增材制备工艺，但其材料的机械性能依然落在传统增材奥氏体不锈钢区间之内。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种不锈钢合金及其增材制造成型方法，其具备优异的机械性能。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种不锈钢合金，所述不锈钢合金的元素成分质量百分比范围为：cr 13.8-18.3％、ni 29.5-33.0％、ti 4.5-5.8％、al 1.8-2.8％、c≤0.10％、o≤500ppm，fe为余量。

3、一种上述不锈钢合金的增材制造成型方法，包括以下步骤：

4、s1：按设计比例(cr 13.8-18.3％、ni 29.5-33.0％、ti 4.5-5.8％、al 1.8-2.8％、c≤0.10％、o≤500ppm，fe为余量)配取各金属原料，制备成不锈钢铸锭后采用气雾化方法制备fe-cr-ni-ti-al不锈钢合金粉末；

5、s2：采用激光粉床融合技术将fe-cr-ni-ti-al不锈钢合金粉末制备成合金块体；

6、s3：对合金块体进行时效处理。

7、优选地，步骤s1在真空熔炼炉中制备不锈钢铸锭，气雾化方法为在低氧环境下(＜500ppm)采用氩气雾化制备。

8、优选地，步骤s1所述fe-cr-ni-ti-al不锈钢合金粉末粒度尺寸范围为15-150μm，球形度≥0.85，保证粉末流动性。

9、进一步优选地，步骤s1所述fe-cr-ni-ti-al不锈钢合金粉末粒度尺寸范围为15-56μm。

10、优选地，步骤s2所述激光粉床融合技术使用eos290m激光粉床融合打印机进行。

11、优选地，步骤s2所述激光粉床融合技术中，激光头功率为114-264w，扫描速度为323-1847mm/s，层间距为0.03mm，扫描间距为0.1mm，激光沉积体能量密度范围为48-118j/mm3，扫描策略为67°逐层交叉扫描。

12、优选地，步骤s2中采用不锈钢基板并在打印前将基板预热至75～85℃，打印过程中充入高纯氩气并保证舱体氧含量低于0.1％以免粉末氧化。

13、更进一步优选的，步骤s2中采用不锈钢基板并在打印前将基板预热至80℃。

14、优选地，步骤s3对合金块体进行高温短时时效处理，析出强化相。

15、进一步优选地，所述时效处理流程包括在500～950℃保温一段时间后迅速冷却。

16、更进一步优选地，在600～750℃保温1～3h后将合金块体迅速放入常温水中冷却。

17、优选地，先将马弗炉加热至预设温度，再放入合金块体保温2h，而后迅速放入常温水中冷却。

18、本发明在传统奥氏体不锈钢的成分基础上，提高ni元素含量并添加适当的ti、al元素以在奥氏体晶格基体中析出弥散分布的沉淀相，同时结合增材制造快冷形成的位错胞组织以期提高材料机械性能。在此基础上，本发明进而探索了该新型不锈钢粉末的增材制造成型方法和热处理工艺。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、1.本发明设计了新型高强度奥氏体不锈钢合金粉末成分，并采用激光粉床融合技术探索了该种新型增材制造高强不锈钢的增材制造成型窗口。该粉末具备宽幅的有效成型参数范围，具体为：激光头能量：164-264w，扑粉层厚0.03mm，扫描间距0.09mm，所对应激光注入体能量密度范围为48-118j/mm3。此时成型的材料无明显孔隙、致密度高(≥99.5％)，且具备优异的机械性能(原始态材料屈服强度为775mpa，极限抗拉强度为1118mpa，均匀延伸率为16.4％)。

21、2.本发明时效热处理可进一步提高该材料的强度，时效后材料的屈服强度强度可达1168-1470mpa，极限抗拉强度可达1471-1694mpa，均匀延伸率为7.5-11.6％。

22、3.本发明制得的不锈钢合金具备优异的机械性能，可应用于先进制造业领域，可用于制备复杂结构零件和高强度零件。

技术特征：

1.一种不锈钢合金，其特征在于，所述不锈钢合金的元素成分质量百分比范围为：cr13.8-18.3％、ni 29.5-33.0％、ti 4.5-5.8％、al 1.8-2.8％、c≤0.10％、o≤500ppm，fe为余量。

2.一种权利要求1所述的不锈钢合金的增材制造成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的不锈钢合金的增材制造成型方法，其特征在于，步骤s1在真空熔炼炉中制备不锈钢铸锭，气雾化方法为在低氧环境下采用氩气雾化制备。

4.根据权利要求2所述的不锈钢合金的增材制造成型方法，其特征在于，步骤s1所述fe-cr-ni-ti-al不锈钢合金粉末粒度尺寸范围为15-150μm，球形度≥0.85。

5.根据权利要求4所述的不锈钢合金的增材制造成型方法，其特征在于，步骤s1所述fe-cr-ni-ti-al不锈钢合金粉末粒度尺寸范围为15-56μm。

6.根据权利要求2所述的不锈钢合金的增材制造成型方法，其特征在于，步骤s2所述激光粉床融合技术中，激光头功率为114-264w，扫描速度为323-1847mm/s，层间距为0.03mm，扫描间距为0.1mm，激光沉积体能量密度范围为48-118j/mm3，扫描策略为67°逐层交叉扫描。

7.根据权利要求2所述的不锈钢合金的增材制造成型方法，其特征在于，步骤s2中采用不锈钢基板并在打印前将基板预热至75～85℃，打印过程中充入高纯氩气并保证舱体氧含量低于0.1％。

8.根据权利要求2所述的不锈钢合金的增材制造成型方法，其特征在于，步骤s3对合金块体进行高温短时时效处理，析出强化相。

9.根据权利要求8所述的不锈钢合金的增材制造成型方法，其特征在于，所述时效处理流程包括在500～950℃保温一段时间后迅速冷却。

10.根据权利要求9所述的不锈钢合金的增材制造成型方法，其特征在于，在600～750℃保温1～3h后将合金块体迅速放入常温水中冷却。

技术总结本发明涉及一种不锈钢合金及其增材制造成型方法，所述不锈钢合金的元素成分质量百分比范围为：Cr 13.8‑18.3％、Ni 29.5‑33.0％、Ti 4.5‑5.8％、Al 1.8‑2.8％、C≤0.10％、O≤500ppm，Fe为余量，增材制造成型方法包括以下步骤：S1：按设计比例配取各金属原料，制备成不锈钢铸锭后采用气雾化方法制备Fe‑Cr‑Ni‑Ti‑Al不锈钢合金粉末；S2：采用激光粉床融合技术制备合金块体；S3：对合金块体进行时效处理。与现有技术相比，本发明能得到具备优异的机械性能的新型沉淀硬化奥氏体不锈钢，屈服强度可达1168‑1470MPa，极限抗拉强度可达1471‑1694MPa，均匀延伸率为7.5‑11.6％。技术研发人员：胡华彦,宋淼,沈同德,温康康,王淑娟受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5