一种3D打印热轧复合制备功能涂层的方法技术

本发明专利技术公开了一种3D打印热轧复合制备功能涂层的方法，采用增材制造技术，将两种材质不同的合金粉末打印成异质合金复合板材；将该板材加热至开轧温度，在此开轧温度下，快速对异质合金复合板材依次进行多道次粗轧以及多道次精轧，粗轧时每道次压缩率为30％～50％，精轧总压缩率为20％～50％，以达到破碎晶粒、再结晶和扩大板材尺寸的目的，确保在终轧温度时进行最后一道次的精轧作为终轧。本发明专利技术结合增材制造和热轧的方式实现了在基板上制备出功能涂层，改善了复合板材的微观组织，同时减小复合板上层的厚度，形成功能涂层。

A method of preparing functional coating by 3D printing and hot rolling

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印热轧复合制备功能涂层的方法
本专利技术涉及增材制造
，具体而言涉及一种3D打印热轧复合制备功能涂层的方法。
技术介绍
金属材料涂覆技术可以发挥组元材料各自的优势，实现各组元材料资源的最优配置，节约贵重金属材料，实现单一金属不能满足的性能要求，以压力容器用不锈钢-钢复合板为例，基层用一般的碳钢(Q245R，Q345R等)有很好的机械性能，涂层用不锈钢(304，316L等)有很好的耐腐蚀性能，只需要几毫米的高价不锈钢，大量节约了成本，并且几乎不改变基材的各种机械性能。除此之外，还有钢(如316)与钛(如TC4)、钢(如304)与高温合金(如IN625)、钛(如TB5)与高温合金(如IN718)等基材与功能材料层的复合制造。传统的异质金属复合板材制备方法主要有：爆炸复合、爆炸轧制复合、轧制复合、烧结复合法、铸轧复合法、反向凝固法和电磁连铸法等。然而以上几种方法中：爆炸法具有噪声大、产率低、场地限制等不足；直接轧制具有工序复杂、加工周期长、接合界面氧化等不足；烧结复合法具有孔隙率大、工序复杂、能耗大、适用范围窄等缺点；铸轧复合法存在易产生氧化层和熔损等问题；反向凝固法具有操作难度大、成材率低且尺寸精度差等问题；电磁连铸法尚处于研究阶段。常用的功能涂层制备方法主要有：等离子体喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积、物理-化学气相沉积组合技术等。这些方法所制备的涂层均存在一些致命的缺陷：功能层与基体的结合强度不够、功能层的力学性能较差等，无法满足相对苛刻的服役条件。采用3D打印可以轻易地利用元素扩散以及冶金结合的方式直接将基层金属和功能层金属复合在一起。然而，3D打印制品属于熔铸金属，存在晶粒粗大、冶金缺陷等问题，其强度、塑性等力学性能相对较差。如果再配合恰当地热轧以及热处理工艺，可以轻松获得具有高性能功能涂层的复合材料。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种3D打印热轧复合制备功能涂层的方法，旨在通过3D打印+轧制的方式，生产具有优异性能的功能涂层复合板材。为达成上述目的，本专利技术提出一种3D打印热轧复合制备功能涂层的方法，首先用金属3D打印机制备双层的异质合金功能复合板材，其中下层为较厚的基层，上层为较薄的涂层。然后采用多道次热轧的方式来达到细化晶粒、调控微观组织以及优化板材力学性能的目的。具体包括下述步骤：步骤1、采用增材制造技术，将两种材质不同的合金粉末A和合金粉末B打印成异质合金复合板材，其中，合金粉末A和合金粉末B的选取需满足合金粉末A的轧制温度范围TA和合金粉末B的轧制温度范围TB之间具有交集，设该交集为TA∩TB；步骤2、确认异质合金复合板材的轧制温度，其中，轧制温度T＝TA∩TB，开轧温度Tk选择轧制温度T的上限值T上±3℃即TA∩TB的上限值±3℃，终轧温度Tz选择轧制温度T下限值T下+5～10℃即TA∩TB的下限值+5～10℃；步骤3、将异质合金复合板材加热至开轧温度Tk，在此开轧温度Tk下，快速对异质合金复合板材依次进行多道次粗轧以及多道次精轧，粗轧时每道次压缩率为30％～50％，精轧总压缩率为20％～50％，以达到破碎晶粒、再结晶和扩大板材尺寸的目的，确保终轧温度Tz时进行最后一道次的精轧作为终轧。进一步的，步骤1中，采用增材制造技术，将两种材质不同的合金粉末A和合金粉末B按基层和涂层的先后顺序，打印成材质不同的异质合金复合板材，其中合金粉末A可以作为基层，也可以作为涂层。进一步的，步骤3中，多道次粗轧优选2～4道次粗轧。进一步的，步骤3中，多道次精轧优选3～9道次精轧。与现有技术相比，本专利技术的显著的优点在于：(1)本专利技术结合增材制造和热轧的方式制备异质合金功能复合板材，增材制造打印出来的复合板，上下层之间结合紧密、缺陷少、无夹杂，且工序简单。(2)本专利技术配合合适的热轧工艺，可以有效地对复合板材中粗大的晶粒进行破碎、再结晶，而生成尺寸细小、分布均匀的等轴晶粒，从而改善了复合板材的微观组织，优化了复合板材力学性能。(3)同时，热轧工艺还扩大了板材的面积，有效摆脱了金属3D打印设备对工件尺寸的限制。(4)本专利技术的制备功能复合板材的方法可以满足耐蚀、耐磨、耐高温、抗冲、抗压、抗热变等一种或多种特殊性能的需求。应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的专利技术主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的专利技术主题的一部分。结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本专利技术教导的前述和其他方面、实施例和特征。本专利技术的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本专利技术教导的具体实施方式的实践中得知。附图说明附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本专利技术的各个方面的实施例，其中：图1是本专利技术的通过3D打印热轧复合制备的功能板材在热轧前的微观组织示意图。图中：1表示基层，2表示涂层。图2是本专利技术的通过3D打印热轧复合制备功能板材在热轧过程中的微观组织演变示意图。具体实施方式为了更了解本专利技术的
技术实现思路
，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。在本公开中参照附图来描述本专利技术的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本专利技术的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本专利技术所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本专利技术公开的一些方面可以单独使用，或者与本专利技术公开的其他方面的任何适当组合来使用。根据本专利技术的公开，一种3D打印热轧复合制备功能涂层的方法，通过3D打印技术制备出上下两层的异质合金复合板材，复合板中基层与功能层的材质即合金粉末A和合金粉末B可以是钢与钢、钢与钛、钢与高温合金、钛与高温合金等的复合，且不限于以上所列的四种材料搭配，但是，合金粉末A和合金粉末B的选取需满足合金粉末A的轧制温度TA和合金粉末B的轧制温度TB之间具有交集，因此，在本专利技术已限定了两种合金粉末的选配范围，即轧制温度范围不存在交集的两种合金粉末不适用于本专利技术。例如：铝合金的熔点约660℃，远低于钛合金的终轧温度，因此，钛合金与铝合金粉末不存在轧制温度交集，不适用于本专利技术。上下层铸态粗晶的形貌如图1所示，此时的复合板材具有较粗大的晶粒，不能满足工程上较高的性能要求。再结合热轧工艺，对复合板材进行热加工处理。通过多道次的轧制，将3D打印后的粗大的铸态晶粒进行破碎、再结晶，生成细小的等轴晶，如图2所示，总体上提高复合板材的综合力学性能。为了便于更好的理解，下面结合具体实例对本专利技术进行进一步说明，在实施例中选取一系列配对的异质合金粉末，如：Q235和316不锈钢(钢与钢)、316和TC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印热轧复合制备功能涂层的方法，其特征在于，具体包括下述步骤：/n步骤1、采用增材制造技术，将两种材质不同的合金粉末A和合金粉末B打印成异质合金复合板材，其中，合金粉末A和合金粉末B的选取需满足合金粉末A的轧制温度T

【技术特征摘要】
1.一种3D打印热轧复合制备功能涂层的方法，其特征在于，具体包括下述步骤：
步骤1、采用增材制造技术，将两种材质不同的合金粉末A和合金粉末B打印成异质合金复合板材，其中，合金粉末A和合金粉末B的选取需满足合金粉末A的轧制温度TA和合金粉末B的轧制温度TB之间具有交集，设该交集为TA∩TB；
步骤2、确认异质合金复合板材的轧制温度，其中，轧制温度T＝TA∩TB，开轧温度Tk选取轧制温度T上限值T上±3℃，终轧温度Tz选取轧制温度T下限值T下+5～10℃；
步骤3、将异质合金复合板材加热至开轧温度Tk，在此开轧温度下，快速对异质合金复合板材依次进行多道次粗轧以及多道次精轧，粗轧...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙中刚，黄响，常辉，陈小龙，张文书，
申请(专利权)人：南京尚吉增材制造研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32