原位金属基体复合材料的分层构造制造技术

本公开涉及用于在基材上逐层沉积金属性合金以生产金属性的合金和方法。金属性部件的应用包括泵、泵部件、阀门、模具、轴承、切割工具、过滤器或筛网。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】原位金属基体复合材料的分层构造对相关应用的交叉参考本申请要求于2015年11月2日提交的美国临时申请序列号62/249,642的权益。
本专利技术涉及合金和金属基体复合材料以及以分层方式制备独立的金属基体复合材料的方法。
技术介绍
铁类合金在许多应用中用作涂层，例如钻杆加硬带、矿用卡车床内衬和锅炉管道，其中涂层对相对不耐磨的零件提供磨损和磨蚀耐受性。这些耐磨涂层可以是金属或金属基体复合材料，且可以通过各种技术如HVOF或双丝电弧热喷涂、PTAW或GMAW堆焊而施加于基材。耐磨损铁类涂层通常具有相对低的成本和相对高的表面硬度，这使材料具有耐磨性并保护下面的基材。用作耐磨损涂层的材料被设计成粘附于基材并提供所需的表面性能，因此就非表面性质如强度和韧性而言很大程度上取决于基材。用于耐磨损性的铁类金属涂层的实例包括碳化铬、复合碳化物、碳化钛、碳化钒和工具钢。当涂层的厚度增加超过临界厚度时，它们通常因涂层材料的低韧性和基材对基材/涂层材料体系的韧性的降低作用而开裂。这种开裂严重限制了涂层材料在逐层构造独立部件方面的能力。在本文中可以将分层构造理解为其中将材料层逐层地堆积(builtup)或铺设以制造独立零件而非涂层的工艺。通常将分层构造称为增材制造或3D打印。分层构造的实例包括采用激光器(PBF-L)或电子束(PBF-E)能量源的粉末床熔融、定向能量沉积(DED)、粘合剂喷射(BJ)、片材层压、材料挤出、材料喷射和容器光聚合(vatphotopolymerization)。与金属一起使用的主要分层构造工艺包括PBF-L、PBF-E、DED和BJ。分层构造工艺具有从各种延性金属(包括不锈钢合金、铝合金、钛合金、镍基合金和钴铬合金)构建独立的整体零件而非涂层的优异能力。在用于金属的液相分层构造工艺如PBF-L、PBF-E和DED中，构造材料从固相转变为液相(熔化)，然后变回固相(凝固)。用于熔化的能量源可以聚焦到要熔化的材料表面的相对小的区域，并且因此可以将熔化中的材料的体积控制到相对小的体积。与大固体体积接触的小熔融体积具有以相对快速的方式凝固的能力。与锻造金属的性能相比，这种快速凝固造成晶粒尺寸的细化、过饱和以及机械性能的匹配或增加。尽管以这种方式构造的零件的机械性能通常等于或高于锻造工艺，但是上述材料都不具有相对高的耐磨损性和韧性的组合，并且具有最高耐磨损性的那些通常需要侵蚀性热处理工艺例如淬火和回火，或固溶和时效，以生产相对高的耐磨损性。这种侵蚀性热处理通常导致增大的产量损失和零件变形，这是不希望的。对于许多应用来说，期望零件中的高耐磨损性和韧性以增加使用中的零件(例如泵、阀、模具、轴承、过滤器和筛网)的耐久性(寿命)。本专利技术现在确定了合金和相应的制造工序，其提供了通过逐层堆积制备的层状金属性材料，该材料提供相对高的耐磨损性和韧性的独特组合。此外，本文的性能不需要淬火和/或回火，而是需要不依赖于加热和冷却速率的、低畸变的热处理。
技术实现思路
将逐层构造应用于合金以生产具有相对高耐磨损性和韧性的独立材料。该合金包含至少50.0重量％的Fe连同B、Cr、Si和Ni以及任选的C和Mn。以逐层方式与合金构造的部件具有初始水平的硼化物相。逐层结构允许形成可用于诸如泵、泵部件、阀、模具、轴承、切割工具、过滤器或筛网等应用的金属性部件。该方法可以更具体地包括金属性部件的逐层构造，包括：提供颗粒形式的合金，其包含以下元素：至少50.0重量％Fe、以及B、Cr、Si和Ni与任选的C和/或Mn,并提供基材。然后，可以通过将合金熔化成熔融状态并冷却和形成凝固层来将一个或多个合金层施加于基材上，其中每个固体层具有5.0至200.0微米形成状态的厚度。随后热处理合金并任选地除去基材以形成独立金属性部件，其中一个或多个固体层显示出由ASTMG65-04(2010)工序A测量的小于或等于175mm3的耐磨蚀性。此外，冷却后的凝固层包括限定初级枝晶奥氏体相的经鉴定(identified)元素和具有小于0.1微米的层片宽度的初始水平的相对小的枝晶间层片硼化物相，并且在加热时，枝晶间层片硼化物相固结并生长，包括通过元素从初级相扩散到相对小(直径范围从约0.2微米到5微米)的球化(球状形状)的硼化物相。本公开还涉及层形式的合金，其包含以下元素：50.0-76.0重量％Fe，0.5至3.0重量％B，15.0-22.0重量％Cr，2.0至5.0重量％Si和5.0至15.0重量％Ni，任选地含有0.3至3.0重量％Mn和至多0.5重量％水平的C。该合金初始包括初级枝晶奥氏体相和具有小于0.1微米的层片间宽度的相对小枝晶间层片硼化物相。然后，该合金进一步包括由初始存在于该层中的相对小的硼化物相生长的次生球化硼化物相，其直径范围为约0.2微米至5微米，其中合金因而显示出由ASTMG65-04(2010)工序A测量的小于或等于175mm3的耐磨蚀性。附图的简要说明结合附图，参考本文实施方案的以下描述，本公开的上述和其他特征以及获得它们的方式将变得更加明白和更好理解，其中：图1是铁类合金A5粉末颗粒的SEM横截面显微照片。图2是铁类合金A6粉末颗粒的SEM横截面显微照片。图3是在构建条件下的经由PBF-L加工的铁类合金A5的SEM显微照片。图4是在构建条件下的经由PBF-L加工的铁类合金A6的SEM显微照片。图5由在构建条件下的经由PBF-L加工的合金A5的SEM图像和EDS谱组成。图6由在构建条件下的经由PBF-L生产的合金A5的SEM图像和EDS元素图组成，其显示了包含在各相中的主要元素Fe、Ni、Si、B、Cr、O和Mn。图7由在构建条件下的经由PBF-L生产的合金A6的SEM图像和EDS元素图组成，显示了包含在各种相中的主要元素Fe、Ni、Si、B、Cr、O和Mn。图8是经由PBF-L加工然后在1100℃热处理8小时的铁类合金A5的SEM显微照片。图9是经由PBF-L加工然后在1100℃热处理8小时的铁类合金A6的SEM显微照片。图10由经由PBF-L加工然后在1100℃热处理8小时的合金A5的SEM图像和EDS谱组成。图11由经由PBF-L加工然后在1100℃热处理8小时的合金A6的SEM图像和EDS谱组成。图12由经由PBF-L然后在1100℃下热处理8小时生产的合金A5的SEM图像和EDS元素图组成，其显示了包含在各相中的主要元素Fe、Ni、Si、B、Cr、O和Mn。图13由经由PBF-L然后在1100℃下热处理8小时生产的合金A6的SEM图像和EDS元素图组成，其显示了包含在各相中的主要元素Fe、Ni、Si、B、Cr、O和Mn。图14显示了在(a)构建的，(b)在1100℃热处理3小时和(c)在1100℃热处理8小时的条件下的经由PBF-L加工的合金A6的显微照片。详细说明本专利技术涉及一种构造独立且相对耐磨损和延性和/或韧性的铁基金属性材料的方法，从而通过在初始基材上逐层堆积连续的金属层来提供构建的金属性结构。逐层构建是指这样的一般工序：熔化金属合金并冷却和凝固以形成材料层，该材料层变成用于随后施加额外的熔融合金层的下方固体层，然后再次冷却。基材可能包括或可能不包括在由逐层工序形成的构建结构中。因此，在本文提及的独立的金属性材料应理解为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属性部件的逐层构造方法，该金属性部件包含：颗粒形式的合金，其包含以下元素：至少50.0重量％Fe、以及B、Cr、Si和Ni和任选的C和/或Mn；提供基材；通过将所述合金熔化成熔融状态并冷却和形成所述元素的凝固层，将一个或多个所述合金的层施加到所述基材上，其中每个所述固体层具有由3.0至200.0微米形成状态的厚度；热处理所述合金；任选地去除所述基材以形成独立的金属性部件，并且其中所述一个或多个固体层显示出由ASTM G65‑04(2010)工序A测量的小于或等于175mm3的耐磨蚀性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.02 US 62/249,6421.一种金属性部件的逐层构造方法，该金属性部件包含：颗粒形式的合金，其包含以下元素：至少50.0重量％Fe、以及B、Cr、Si和Ni和任选的C和/或Mn；提供基材；通过将所述合金熔化成熔融状态并冷却和形成所述元素的凝固层，将一个或多个所述合金的层施加到所述基材上，其中每个所述固体层具有由3.0至200.0微米形成状态的厚度；热处理所述合金；任选地去除所述基材以形成独立的金属性部件，并且其中所述一个或多个固体层显示出由ASTMG65-04(2010)工序A测量的小于或等于175mm3的耐磨蚀性。2.如权利要求1所述的方法，其中所述冷却在103-108K/秒的范围内。3.如权利要求1所述的方法，其中冷却后的所述凝固层包括限定初级枝晶奥氏体相的所述元素和具有小于0.1微米的层片宽度的初始水平的枝晶间层片硼化物相，并且在加热时，所述硼化物相固结并通过所述元素从所述初级相扩散到直径范围从约0.2微米到5微米的球化硼化物相而生长。4.权利要求1所述的方法，其中所述热处理包括在800-1200℃范围内的温度下加热30-1000分钟的时间段。5.如权利要求1所述的方法，其中所述合金包含50.0至76.0重量％水平的Fe，0.5至3.0重量％的B，15.0-22.0重量％的Cr，2.0至5.0重量％的Si和5.0至15.0重量％的Ni。6.如权利要求1所述的方法，其中所述合金含有55.5至71.5重量％的Fe；0.5至3.0重量％的B；15.0至20...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·D·杜弗雷，H·勒客，P·E·麦克，
申请(专利权)人：纳米钢公司，
类型：发明
国别省市：美国,US