一种用于3D打印的钢材料及3D打印方法与流程

本发明涉及增材制造，具体涉及一种用于3d打印的钢材料及3d打印方法。

背景技术：

1、目前，使用3d打印技术成形复杂构件具有多项优势：包括通过功能化集成将多个组件合并制造、利用拓扑优化实现轻量化、复杂内部结构直接成形、直接成形最终零件等。超高强钢材料主要用于制造承受高应力的结构件，常用于航空航天、轨道交通等重要领域。因此，使用3d打印成形超高强钢结构件能够实现轻量化设计、缩短交付周期、减少组件数量提高结构稳定性等优势，具有广阔的应用前景和重要的市场价值。

2、传统的已获得工业化应用的超高强钢材料的抗拉强度可以达到2400-2600mpa左右，如aermet340、18ni350、13ni400等材料，且具有一定塑韧性。现有的3d打印高强度钢材料主要有18ni300、s136、h13，存在最高强度不足、塑韧性差、含碳钢易产生热裂纹、易发生开裂等问题。其中，18ni300属于马氏体时效钢，在时效热处理后强度可以达到2100mpa，但延伸率约4％，强塑积仅有8gpa％。s136和h13具有中低含量的碳，常用于模具行业。在回火热处理后抗拉强度在1700-1900mpa，延伸率5-7％，塑韧性较差，并且使用3d打印技术成形时容易因低熔点碳化物导致的热裂纹，以及应力积累、韧性不足导致的宏观开裂。

3、如cn112404420a公开了一种用于3d打印的高强度钢粉末、其制备方法、3d打印方法及制得的高强度钢，所述用于3d打印的高强度钢粉末，按质量百分比计，包括，0.15％-0.3％的c、0.4％-0.6％的v、0.8％-1.2％的ti、0.8％-1.5％的mo、2.5％-4％的cr、10％-12％的ni、12％-15％的co，余量为fe。

4、如cn112831721a公开了一种增材制造超高强塑积钢材料及其制备方法，由以下质量分数的组分制备而成：0.20-0.58％c，5.5-8.9％ni，0.35-2.8％mn，0.20-1.3％si，0.3-1.5％cr，0.50-0.60％mo，0.54-1.08％v，余量为fe，所述增材制造超高强钢回火后屈服强度≥927mpa，抗拉强度≥1650mpa。

5、综上可知，现有高强度打印材料所得3d打印产品的强度均未超过2200mpa，因此，有必要开发出能够适用于3d打印技术、不易开裂、强度超过2200mpa同时具有一定塑性和韧性的超高强钢材料。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于3d打印的钢材料及3d打印方法，以解决现有3d打印产品存在力学性能较差的缺陷。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种用于3d打印的钢材料，所述用于3d打印的钢材料以质量百分含量计包括：

4、ni 14-20％，co 10-17％，mo 4-12％，ti 0.5-2％，al 0.05-0.3％，c＜0.03％，si≤0.1％，mn≤0.1％，余量为fe及不可避免的杂质。

5、本发明提供的用于3d打印的钢材料，通过对组分进行合理设计，使得所得3d打印产品能具有良好的力学性能，抗拉强度≥2316mpa，屈服强度≥2187mpa。

6、作为本发明优选的技术方案，所述用于3d打印的钢材料中以质量百分含量计包括：

7、ni 14-17％，co 12-17％，mo 4-10％，ti 0.7-1.6％，al 0.18-0.3％，c＜0.03％，si≤0.01％，mn≤0.01％，余量为fe及不可避免的杂质，ni和mo的总质量百分含量≤25％。

8、第二方面，本发明提供了一种3d打印方法，所述3d打印方法包括：采用如第一方面所述的用于3d打印的钢材料作为打印原材料进行3d打印，之后进行热处理，得到3d打印产品。

9、作为本发明优选的技术方案，所述3d打印所得材料中沉积态残余奥氏体含量＞20％，所述热处理包括依次进行的第一热处理、第一冷却、第二热处理和第二冷却。

10、作为本发明优选的技术方案，所述第一热处理中的升温速率为3-10℃/min。

11、优选地，所述第一热处理中的保温温度为850-1050℃。

12、优选地，所述第一热处理中的保温时间为0.5-1.5h。

13、作为本发明优选的技术方案，所述第二热处理中的升温速率为3-10℃/min。

14、优选地，所述第二热处理中的保温温度为460-510℃。

15、优选地，所述第二热处理中的保温时间为4-10h。

16、作为本发明优选的技术方案，所述第一冷却的方式包括空冷。

17、优选地，所述第二冷却的方式包括空冷。

18、作为本发明优选的技术方案，所述3d打印所得材料中沉积态残余奥氏体含量≤20％，所述热处理包括依次进行的第三热处理和第三冷却。

19、作为本发明优选的技术方案，所述第三热处理中的升温速率为3-10℃/min。

20、优选地，所述第三热处理中的保温温度为460-510℃。

21、优选地，所述第三热处理中的保温时间为4-10h。

22、作为本发明优选的技术方案，所述第三冷却的方式包括空冷。

23、与现有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：

24、(1)本发明从3d打印技术的工艺特点出发，对材料成分进行重新设计，通过成分和热处理的结合调控微观组织，包括晶粒尺寸、残余/逆转奥氏体比例和分布、第二相颗粒的大小和分布等，从而在实现超高强度的同时，保持一定的塑性和韧性。

25、(2)本发明提供的钢材料为超高强钢，具体为低碳/无碳钢，碳含量控制在0.03％以下，成形过程中不产生热裂纹；碳以固溶态和碳化物的形式显著提高钢的强度，但同时也会降低钢的塑性和韧性。此外，含碳钢材料通过3d打印技术成形时，在凝固的最后阶段低熔点的碳化物容易被快速冷却产生高拉伸应力撕裂，形成裂纹。并且，由于碳钢具有较低的韧性，当热应力导致的变形达到一定程度时，成形件会发生宏观开裂。微观组织以塑韧性较好的低碳/无碳马氏体为主，以及少量残余奥氏体，具备较好的韧性，成形大尺寸构件也不易发生宏观开裂。

26、(3)本发明提供的钢材料含有14.0-20.0％的镍，避免在高温冷却过程中(3d打印凝固和热处理)产生铁素体和珠光体，同时镍含量不超过20％，避免微观组织向奥氏体转变，降低材料强度。

27、(4)本发明提供的钢材料含有10.0-17.0％的钴。钴主要用于调控(提高)ms点，即过冷奥氏体开始转变为马氏体的温度，来控制马氏体/奥氏体的比例。同时通过降低层错能，增加加工硬化应力、降低mo的溶解度、保持一定密度的位错为第二相颗粒提供形核位点。

28、(5)本发明提供的钢材料含有一定比例的mo、ti、al，这些元素在热处理过程中形成ni3mo、ni3ti、ni3al、和fe2mo等强化相颗粒，大幅度提高材料强度。

29、(6)本发明提供的钢材料中当mo和ni总含量过高时，无法获得足够强度，因此，本发明中将ni+mo的总质量百分含量控制在25％以内。