基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法技术

本公开是一种基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法，包括如下步骤：合金粉末成分设计，调节层错能大小，降低孪生开动所需临界应力；以所述合金粉末为原料，调节成形工艺参数，得到沿加载方向呈<110>或<111>强织构的激光增材制造孪生诱发塑性不锈钢。本公开基于织构工程思想制备的新型增材制造孪生诱发塑性不锈钢，强塑积最高可达47GPa％，远超目前国内外商用激光增材制造316L不锈钢的力学性能指标。力学性能指标。力学性能指标。

【技术实现步骤摘要】
基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法


[0001]本公开涉及金属增材制造
，具体地，涉及一种基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法。

技术介绍

[0002]高性能和轻量化一直以来是金属材料的重要发展方向。传统金属材料的强化手段包括固溶强化、细晶强化、位错强化和沉淀强化，但上述手段在提升强度的同时不可避免地会削弱材料的塑性，这种强塑性能不匹配严重限制了高性能金属材料的开发与应用。研究表明，在金属材料中引入纳米孪晶可以同步提升材料的强度与塑性，打破金属材料固有的强塑性倒置困境。当前，引入纳米孪晶的技术手段主要有两种：一种是通过直流电解沉积或严重塑性变形方式在材料制备环节引入纳米孪晶；另一种是通过降低合金层错能在材料受载或服役环节产生变形孪晶。孪生诱发塑性(twinning
‑
induced plasticity，TWIP)钢引入孪晶的方式属于第二种。TWIP钢的特点是锰含量高(15～30wt.％)，以孪生方式主导塑性变形，显著的孪生诱发塑性效应使得材料表现出优异的强塑性能匹配。但高的锰含量导致TWIP钢的使用成本增加，限制了其广泛的商业化应用。如何在尽可能少地使用锰元素的情况下，发挥孪生诱发塑性效应优势，实现材料强塑性能的同步提升是当前需要解决的关键技术难题之一。
[0003]孪生诱发塑性效应的作用机理是：低层错能金属或合金在受载过程中，通过孪生方式产生大量变形孪晶，不断分割晶粒，引发动态Hall
‑
Petch效应，进而使材料产生显著的细晶强化效果；与此同时，所形成的大量孪晶界面能够有效容纳位错，提高晶粒内部位错存储能力，延缓颈缩行为发生，使材料塑性同步提升。研究表明，层错能和晶体学取向是决定金属材料动态Hall
‑
Petch效应强弱的两个主要因素。较低的层错能(15～45mJ/m2)有助于全位错分解成不全位错，抑制位错滑移行为而促进孪生行为的发生。对于不同取向的晶粒，<111>和<100>分别是最利于和最不利于孪生的取向，而<110>取向则介于两者之间。
[0004]金属激光增材制造技术相较于传统制造技术，在成形过程中具有高温度梯度、高冷却速率(淬火)以及循环再加热
‑
冷却(回火)特点。因此，有望在仅添加少量锰元素的情况下，通过综合调节激光束能量、扫描速度、扫描策略等工艺参数在加载方向上获得特定晶体学织构，进而充分激发孪生诱发塑性效应，实现低成本、高性能增材制造孪生诱发塑性不锈钢的制造。

技术实现思路

[0005]针对传统TWIP钢因添加过量锰元素导致材料使用成本上升的问题，本公开提供了一种基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法，在不添加大量锰元素、有效控制成本的前提下，通过织构类型与织构强度的调控，充分激发孪生诱发塑性效应，制备出具有优异强塑性能匹配的低成本孪生诱发塑性不锈钢材料。
[0006]本公开提供了一种基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法，包
括：
[0007]合金粉末成分设计，调节层错能大小、降低孪生开动所需临界应力；
[0008]以所述合金粉末为原料，调节成形工艺参数，得到沿加载方向呈<110>或<111>强织构的激光增材制造孪生诱发塑性不锈钢。
[0009]在本公开的一些实施例中，所述合金粉末成分设计步骤中，所述合金粉末至少包括Cr、Mo、Mn、C元素，且Mn元素的质量百分比不超过3％，其中，以质量百分比计，所述Cr为15.5
‑
15.9％，所述Mo为1.2
‑
1.6％，所述Mn为2.1
‑
3.0％，所述C为0.031
‑
0.035％。
[0010]在本公开的一些实施例中，所述合金粉末还包括Ni、Si、O、P、S和Fe元素，其中，以质量百分比计，所述Ni为12
‑
13％，所述Si为0.4
‑
0.8％，所述O为0
‑
0.06％，所述P为0.031％，所述S为0.012％，其余为Fe。
[0011]在本公开的一些实施例中，所述合金粉末成分设计步骤中，所述合金粉末采用气体雾化法、等离子雾化法或旋转电极法制备而成。
[0012]在本公开的一些实施例中，所述合金粉末成分设计步骤中，所述合金粉末的粒径范围(D10
‑
D90)为30
‑
70μm。
[0013]在本公开的一些实施例中，所述对成形工艺参数进行调控的步骤中，所述成形工艺包括激光选区熔化法或激光熔化沉积法，通过综合调节工艺参数以调控织构类型与织构强度，在加载方向上形成<110>或<111>强织构，使材料充分发挥孪生诱发塑性效应。
[0014]在本公开的一些实施例中，所述对成形工艺参数进行调控的步骤中，采用激光选区熔化成形设备，设定基板预热温度为200℃，腔室内充保护气体(氩气、氮气或者氮/氩混合气体)并确保氧气含量低于0.05％，激光束能量为225
‑
300W，扫描速度为850
‑
1500mm/s，铺粉厚度为30μm，熔道间距为120μm，扫描策略为单层往复扫描、相邻层旋转33
‑
67
°
。
[0015]本公开提供的基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法，获得的新型不锈钢材料具有以下组织特征：沿加载方向具有<110>或<111>强织构，织构强度≥5，平均晶粒尺寸为20
‑
35μm，晶粒内部由等轴状位错网络胞结构组成，平均直径为400
‑
500nm。
[0016]本公开实施例还提供了所述增材制造合金材料通过后续严重塑性变形方法进一步调节其强塑性能匹配的相关基础研究中的应用。
[0017]本公开还提供了一种所述的增材制造合金材料在航空航天、交通运输或能源动力领域中的应用。
[0018]从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法，相对于现有技术具有以下有益效果：
[0019]1、本公开提供的基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法，充分利用了激光增材制造技术高温度梯度和高冷却速率的成形工艺特点，依次通过合金粉末成分设计与成形工艺参数调节，成功获得了沿加载方向具有强<110>织构的合金试样，充分激发了孪生诱发塑性效应，实现了新型不锈钢强塑性能的同步提升，强塑积最高可达47GPa％，远超目前国内外商用激光增材制造316L不锈钢的力学性能指标。
[0020]2、本公开提供的基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法，借助本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法，其特征在于，包括：合金粉末成分设计，调节层错能大小，降低孪生开动所需临界应力；以所述合金粉末为原料，调节成形工艺参数，得到沿加载方向呈<110>或<111>强织构的激光增材制造孪生诱发塑性不锈钢。2.根据权利要求1所述的基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法，其特征在于，所述合金粉末成分设计步骤中，所述合金粉末至少包括Cr、Mo、Mn、C元素，且Mn元素的质量百分比不超过3％，其中，以质量百分比计，所述Cr为15.5
‑
15.9％，所述Mo为1.2
‑
1.6％，所述Mn为2.1
‑
3.0％，所述C为0.031
‑
0.035％。3.根据权利要求2所述的基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法，其特征在于，所述合金粉末还包括Ni、Si、O、P、S和Fe元素，其中，以质量百分比计，所述Ni为12
‑
13％，所述Si为0.4
‑
0.8％，所述O为0
‑
0.06％，所述P为0.031％，所述S为0.012％，其余为Fe。4.根据权利要求1所述的基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法，其特征在于，所述合金粉末成分设计步骤中，所述合金粉末采用气体雾化法、等离子雾化法或旋转电极法制备而成。5.根据权利要求1所述的基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制...

【专利技术属性】
技术研发人员：易新，万宏远，黄黎明，刘海林，王道宽，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：