一种提高增材制造奥氏体钢力学性能的方法技术

本发明专利技术提供了一种提高增材制造奥氏体钢力学性能的方法，将可溶性稀土氧化物盐、316L球形粉末加入无水乙醇或去离子水中，使可溶性稀土氧化物盐于溶液中，316L球形粉末完全润湿，得到固液混合物；将固液混合物进行干燥蒸发，然后煅烧还原，得到初步复合球形粉体；对初步复合球形粉体和稀土单质粉末的混合粉体进行球磨使其充分混合，得到复合球形粉体；以复合球形粉体作为原材料，通过增材制造技术对复合球形粉体层进行逐层打印使其熔化凝固，同时对每一凝固的层进行激光快速重熔以制备出稀土氧化物掺杂316L复合材料。本发明专利技术通过添加稀土氧化物来调控复合材料的微观组织从而提升材料的力学性能。材料的力学性能。材料的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种提高增材制造奥氏体钢力学性能的方法


[0001]本专利技术属于金属复合材料增材制造
，特别涉及一种提高增材制造奥氏体钢力学性能的方法。

技术介绍

[0002]目前，增材制造技术作为一种先进的工艺技术广泛应用于金属，高分子和陶瓷等材料。该技术能够直接从粉末快速成型具有复杂形状的三维零件，无需耗时的模具设计过程，是一种“从下而上”近终成形的制造。
[0003]316L奥氏体钢因具有良好的延展性，耐腐蚀性，抗氧化性和相对较低的成本而广泛用作核反应堆的结构材料。但是，316L奥氏体钢较低的力学性能限制了其在高温下的应用。与传统工艺制造的的316L奥氏体钢相比，激光增材制造的316L奥氏体钢因其具有高致密的网络位错结构等微观组织而具有更高的力学性能。但是，如何在激光增材制造316L奥氏体钢的基础上进一步提升合金的力学性能依旧是需要考虑的问题。一种解决方案是在基体中引入稳定的纳米物，形成所谓的第二相弥散强化钢。如在申请公布号CN110355367A的中国专利技术专利公告文本中公开了一种Al3Ti/316L钢复合材料的增材制造方法。该专利通过添加Al3Ti来调控316L奥氏体钢的奥氏体相区，从而形成奥氏体+铁素体双相组织钢和铁素体钢。但是该专利添加的Al3Ti熔点较低(1173℃)且热稳定性差，无法赋予材料优良的高温性能。因此，添加高熔点和热稳定性好的氧化物第二相纳米颗粒不仅能够提高材料的室温和高温性能，还能吸收辐照过程中产生的He泡而形成He陷阱以提升其抗辐照性能。如在申请公布号CN111590079A的中国专利技术专利公告文本中公开了一种纳米氧化物弥散强化钢件及其快速增材制造方法。该专利添加Y2O3作为纳米增强相来提升316L奥氏体钢性能。但是，该专利制备工序复杂且繁琐，包括氧化钇与316L粉体的球磨混粉，成型拉丝，电弧增材等。此外，相较与激光增材制造技术，电弧增材制造技术存在成形件精度不够，原材料粉体重复使用率低等弊端。
[0004]基于以上弊端，本专利通过采用高成形精度的选区激光熔化技术制备出高性能的纳米稀土氧化物掺杂316L成形件。本专利的提出将为增材制造高性能ODS钢提供切实可行的方法。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种提高增材制造奥氏体钢力学性能的方法，使用增材制造技术在保证所制备的复合材料无明显缺陷的情况下，通过添加稀土氧化物来调控复合材料的微观组织从而提升材料的力学性能。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术提供了一种提高增材制造奥氏体钢力学性能的方法，所述方法包括如下步骤：
[0008]步骤S1，将可溶性稀土氧化物盐、316L球形粉末加入无水乙醇或去离子水中，通过
超声震荡或机械搅拌使可溶性稀土氧化物盐于溶液中且316L球形粉末完全润湿，得到固液混合物；
[0009]步骤S2，将步骤S1得到的固液混合物进行干燥蒸发，使稀土氧化物盐沉积在316L球形颗粒上，然后在含有氢气的气氛中450～600℃煅烧2～6h进行还原，得到稀土氧化物均匀分散包裹在316L球形颗粒表面的初步复合球形粉体；
[0010]步骤S3，在步骤S2得到的初步复合球形粉体中加入稀土单质粉末，对初步复合球形粉体和稀土单质粉末的混合粉体进行球磨使其充分混合，得到复合球形粉体；所述稀土单质的稀土元素与步骤S1中的可溶性稀土氧化物盐中的稀土元素相同；
[0011]步骤S4，以步骤S3制备的复合球形粉体作为原材料，通过增材制造技术对复合球形粉体层进行逐层打印使其熔化凝固，同时对每一凝固的层进行激光快速重熔以制备出稀土氧化物掺杂316L复合材料。
[0012]作为优选，步骤S4中所述增材制造技术为激光选区熔化技术，其工艺参数为：激光体能量密度范围为70～200J/mm3，每一层厚度为30～50μm，每层中的熔道间的搭接量为10％～50％。
[0013]作为优选，步骤S4中所述激光快速重熔的工艺参数为：激光体能量密度范围为70～250J/mm3，扫描速度为800～1600mm/s。
[0014]作为优选，步骤S1中所述可溶性稀土氧化物盐为硝酸钇或硝酸镧；如果可溶性稀土氧化物盐为硝酸钇，则步骤S3中加入的稀土单质为纯钇；如果可溶性稀土氧化物盐为硝酸镧，则步骤S3中加入的稀土单质为纯镧。
[0015]作为优选，步骤S3得到的复合球形粉体中的稀土氧化物含量为0.25wt.％～1.0wt.％。
[0016]作为优选，步骤S2中得到纳米尺寸的稀土氧化物均匀分散包裹在316L球形颗粒表面的初步复合球形粉体，所述稀土氧化物尺寸范围为10～900nm。
[0017]作为优选，步骤S2中含有氢气的气氛为纯氢气或氢氩混合气。
[0018]本专利技术具有如下有益效果：
[0019]本专利技术所提供的一种提高增材制造奥氏体钢力学性能的方法，使用增材制造技术在保证所制备的复合材料无明显缺陷的情况下，通过添加稀土氧化物来调控复合材料的微观组织从而提升材料的力学性能。
[0020]1.本专利提出的利用两种方法依次添加稀土氧化物和稀土单质。其中第一种添加稀土氧化物是基于物理沉积，还原以及形核机制使稀土氧化物在保持纳米尺寸的基础上能够紧密地包覆在奥氏体钢球形粉体上，并且能够保持球形度。第二种通过球磨将稀土单质与初始复合粉体混合，不仅能够吸附上述添加稀土氧化物过程中的氧原子，还能够吸附打印过程中的氧原子。加入的稀土单质在吸附过程中形成了稀土氧化物，避免了因稀土氧化物掺杂316L复合材料的氧化而造成的打印缺陷，如孔洞、裂纹等，从而保证打印件的力学性能。通过上述两步添加稀土氧化物和稀土物的方法，不仅能够减少在添加稀土氧化物方法中因氧原子的存在而导致的材料缺陷，还能够比只添加稀土单质更节省成本。
[0021]2.相比与不采用快速激光重熔技术，本专利创新性提出了快速激光重熔手段。这种快速激光重熔能够利用马兰哥尼对流效应将团聚的稀土氧化物进行破碎和重新分布以消除稀土氧化物的团聚，从而使稀土氧化物能够弥散分布在316L中以发挥弥散强化效应来
增强打印件的力学性能。
[0022]3.相比与无添加稀土氧化物的316L，加入的稀土氧化物能够通过齐纳钉扎效应来细化复合材料的胞状亚晶尺寸，这将使材料具有细晶强化效应从而提高其力学性能。
[0023]4.本专利技术制备的稀土氧化物与316L的复合粉末在完全满足增材制造工艺的要求下，其制备成本低，效率高，无需添加其他添加物和过程控制剂。此外，本专利技术能够设计和制备不同稀土氧化物含量的复合粉末以增材制造出满足不同服役条件的打印件。
[0024]5.与纯316L相比，加入稀土氧化物试样的强度都有提高。复合材料中的纳米稀土氧化物尺寸细小且弥散分布。这说明了通过增材制造技术来提升稀土氧化物与316L复合材料的性能是可行的。这弥补了传统粉末冶金法存在成分偏析和难以制备大型复杂构件的不足。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高增材制造奥氏体钢力学性能的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤S1，将可溶性稀土氧化物盐、316L球形粉末加入无水乙醇或去离子水中，通过超声震荡或机械搅拌使可溶性稀土氧化物盐于溶液中且316L球形粉末完全润湿，得到固液混合物；步骤S2，将步骤S1得到的固液混合物进行干燥蒸发，使稀土氧化物盐沉积在316L球形颗粒上，然后在含有氢气的气氛中450～600℃煅烧2～6h进行还原，得到稀土氧化物均匀分散包裹在316L球形颗粒表面的初步复合球形粉体；步骤S3，在步骤S2得到的初步复合球形粉体中加入稀土单质粉末，对初步复合球形粉体和稀土单质粉末的混合粉体进行球磨使其充分混合，得到复合球形粉体；所述稀土单质的稀土元素与步骤S1中的可溶性稀土氧化物盐中的稀土元素相同；步骤S4，以步骤S3制备的复合球形粉体作为原材料，通过增材制造技术对复合球形粉体层进行逐层打印使其熔化凝固，同时对每一凝固的层进行激光快速重熔以制备出稀土氧化物掺杂316L复合材料。2.根据权利要求1所述的提高增材制造奥氏体钢力学性能的方法，其特征在于，步骤S4中所述增材制造技术为激光选区熔化技术，其工艺参数为：激光体能量密度范围为70...

【专利技术属性】
技术研发人员：马宗青，胡章平，杨振文，刘永长，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：