一種3d打印用耐熱模具鋼材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光3D打印用耐熱模具鋼材料及其制備方法，材料是以所需耐熱模具的材料成分為基礎(chǔ)成分，添加C元素、脫氧元素和抗裂紋元素的量，三者的添加量分別為0.1-0.15wt％、0.1-0.5wt％和0.05-0.5wt％，用以彌補(bǔ)3D打印過(guò)程C元素的流失，減少3D打印過(guò)程中的氧化，并提高組織的抗裂紋性能；材料為15μm-100μm的規(guī)則球形。方法首先采用元素補(bǔ)償?shù)撵F化方法制備出球形金屬粉末，然后通過(guò)分級(jí)篩分和定比例混合方法獲得所需的粉末材料。制備的粉末純度高，粉末粒度細(xì)，球形度高，流動(dòng)性好，有利于提高零件的致密度，非常適合激光3D打印快速成形；解決了奧氏體耐熱鋼難加工、難以制造復(fù)雜零件的難題，擴(kuò)大了這種難以加工的材料在熱能、動(dòng)力、高端耐熱液壓模具等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】一種3D打印用耐熱模具鋼材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光3D打印專用材料領(lǐng)域，具體涉及了一種激光3D打印用耐熱模具鋼材料及其制備方法。本發(fā)明依據(jù)激光3D打印過(guò)程中元素變化等特點(diǎn)，調(diào)整傳統(tǒng)方法難以加工的奧氏體耐熱鋼成分，將其制成微細(xì)粉末，使其在激光3D打印時(shí)擁有良好成形性能，凝固形貌均勻，球化現(xiàn)象受到抑制。將其應(yīng)用于激光3D打印制造耐熱模具，擴(kuò)展了激光3D打印在聞端I旲具制造中的應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]3D打印制造技術(shù)是一種集CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、新材料和計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一體的先進(jìn)制造技術(shù)，利用三維CAD數(shù)據(jù)，通過(guò)3D打印裝備逐層制造零件截面形狀，堆積成三維實(shí)體零件。相比于傳統(tǒng)制造方法，具有周期短、成本低、節(jié)省材料、成形零件復(fù)雜度高等突出優(yōu)點(diǎn)。在模具制造領(lǐng)域，激光3D打印可以快速制造出傳統(tǒng)加工方法無(wú)法制造的金屬模具，如具有隨形冷卻流道的模具，可以極大地提高模具的冷卻效率和質(zhì)量，從而降低模具生產(chǎn)中的成本，推動(dòng)了模具設(shè)計(jì)與制造的進(jìn)步與創(chuàng)新。
[0003]3D打印采用粉末材料、片狀材料、絲狀材料和液態(tài)樹脂等材料，在制造高性能模具時(shí)多采用球形金屬粉末。目前激光3D打印用模具材料主要為普通的注塑模具鋼和熱作模具鋼，并且種類較為單一，工業(yè)級(jí)激光3D打印用模具材料不足10種。英國(guó)、伊朗等國(guó)的高校和研究所采用H13和M2模具鋼作為激光3D打印材料進(jìn)行制造模具的研究。德國(guó)EOS公司研發(fā)了 DirectSteel 50、DirectSteel H20 和 EOS MaragingSteel MSl 等材料用于注塑模具的激光3D打印制造。模具材料的匱乏極大地限制了激光3D打印技術(shù)在液鍛鋼件模具等聞端1旲具上的應(yīng)用。
[0004]奧氏體耐熱鋼以?shī)W氏體組織為基體，在600°C以上具有很好的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性，可在核電、火力發(fā)電等性能要求苛刻的領(lǐng)域應(yīng)用。奧氏體耐熱鋼具有較高常溫和高溫力學(xué)性能，使用傳統(tǒng)的機(jī)械去除方式難以加工，通常奧氏體耐熱鋼通過(guò)熔煉方法和后處理方法制成板材、棒材等形狀，然后通過(guò)焊接等方法制造出簡(jiǎn)單形狀的零件，難以制造出形狀復(fù)雜的零件，極大地限制了其應(yīng)用范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種激光3D打印用耐熱模具鋼材料及其制備方法，目的在于使該材料能夠應(yīng)用激光3D打印技術(shù)成形出形狀復(fù)雜精細(xì)的高性能耐熱零部件，解決奧氏體耐熱鋼難加工、難以制造復(fù)雜零件的難題。
[0006]本發(fā)明提供的一種激光3D打印用耐熱模具鋼材料，其特征在于，該材料是以所需耐熱模具的材料成分為基礎(chǔ)成分，添加C元素、脫氧元素和抗裂紋元素的量，C的添加量為0.1-0.15wt%，脫氧元素的添加量為0.1-0.5wt%，抗裂紋元素的添加量為0.05-0.5wt%,材料為粒徑分布在15 μ m-100 μ m的規(guī)則球形。
[0007]本發(fā)明提供的一種激光3D打印用耐熱模具鋼材料的制備方法，其特征在于，該方法首先采用元素補(bǔ)償?shù)撵F化方法制備出球形金屬粉末，元素補(bǔ)償是指以以所需耐熱模具的材料成分為基礎(chǔ)成分，添加C元素、脫氧元素和抗裂紋元素的量，C的添加量為0.1-0.15wt%，脫氧元素的添加量為0.1-0.5wt%，抗裂紋元素的添加量為0.05-0.5wt% ；
[0008]然后通過(guò)分級(jí)篩分和定比例混合方法獲得粒徑分布在15 μ m-100 μ m的規(guī)則球形的粉末材料，以適用于激光3D打印成形。
[0009]本發(fā)明通過(guò)將奧氏體耐熱鋼制成激光3D打印用粉末，可成形出形狀復(fù)雜的耐熱模具，在高端模具的制造中意義重大。通過(guò)霧化制粉技術(shù)制備奧氏體耐熱鋼粉末材料，不僅污染小，冷卻速率快，生產(chǎn)效率高，而且制取的粉末純度高，粉末粒度細(xì)，球形度高，流動(dòng)性好，有利于提高零件的致密度，非常適合激光3D打印快速成形。
[0010]總之，本發(fā)明通過(guò)粉末材料設(shè)計(jì)、元素補(bǔ)償?shù)撵F化制備和粉末后處理方法制備激光3D打印用奧氏體耐熱材料，應(yīng)用激光3D打印技術(shù)成形出形狀復(fù)雜精細(xì)的高性能耐熱零部件，解決奧氏體耐熱鋼難加工、難以制造復(fù)雜零件的難題，擴(kuò)大了這種難以加工的材料在熱能、動(dòng)力、高端耐熱液壓模具等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。

【具體實(shí)施方式】
[0011]激光3D打印用奧氏體耐熱鋼材料不僅在材料形態(tài)與傳統(tǒng)材料不同，同時(shí)成分上也有特殊的要求。使用激光3D打印技術(shù)成形奧氏體耐熱鋼需要將粉末材料熔化然后凝固成一層截面形狀，然后逐層堆積形成三維實(shí)體零件。在粉末熔化時(shí)極易與氧元素集合，形成氧化物，造成球化等缺陷，同時(shí)在激光高溫的作用下，合金組織瞬間受熱熔化并快速冷卻，從而產(chǎn)生很大的應(yīng)力，導(dǎo)致材料有較大的開裂傾向，影響成形件的性能。奧氏體鋼中的Fe、Cr和C元素都容易與O發(fā)生反應(yīng)，在激光3D打印過(guò)程中會(huì)燒蝕掉。但是過(guò)高的C、Cr等合金元素含量會(huì)增加成形缺陷，同時(shí)為保證成形件的強(qiáng)度和高溫性能，必須根據(jù)需求按照相應(yīng)用途的耐熱鋼材料配比保證合金元素比例。
[0012]本發(fā)明提供的3D打印用奧氏體耐熱鋼粉末基于傳統(tǒng)的耐熱鋼材料成分進(jìn)行優(yōu)化，具體實(shí)現(xiàn)是:按照所需耐熱模具的材料成分配制原料，并在其中添加C元素、脫氧元素和抗裂紋元素，C的添加量為0.1-0.15wt%，用以彌補(bǔ)3D打印過(guò)程C元素的流失；脫氧元素的添加量為0.1-0.5wt%，用于減少3D打印過(guò)程中的氧化；抗裂紋元素的添加量0.05-0.5wt%,以提高組織的抗裂紋性能，粉末材料粒徑分布為15 μ m-100 μ m,粉末為規(guī)則球形，如球形度90%以上的球形粉末。
[0013]脫氧元素可以是T1、Cr、Zr和Nb等，抗裂紋元素可以是Mn、V等，其中添加的元素可以和原材料成分中本身所含有的相同或者不同。
[0014]本發(fā)明提供的激光3D打印用耐熱模具鋼材料的制備方法是通過(guò)元素補(bǔ)償?shù)撵F化方法制備出球形金屬粉末，再通過(guò)分級(jí)篩分和定比例混合方法獲得相對(duì)松裝密度在54%?59%的粉末材料，以適用于激光3D打印成形。
[0015]激光3D打印技術(shù)在制造金屬零部件時(shí),不僅是材料由粉末形態(tài)變?yōu)槿S實(shí)體,而且粉末材料發(fā)生熔化、汽化、凝固等復(fù)雜的物理化學(xué)變化，材料的成分、組織也發(fā)生了變化，即元素的含量會(huì)發(fā)生變動(dòng)，從而影響最終成形零件的性能。因?yàn)榧す?D打印技術(shù)是一種材料成形與制備一體化的技術(shù)，相比于其他材料成形技術(shù)，激光3D打印用粉末材料需要通過(guò)元素補(bǔ)償來(lái)確保最終成形零件中的化學(xué)成分。激光3D打印用粉末材料要求形貌為球形，粒徑集中，且分布為15-100μπι，不同激光3D打印工藝采用不同平均粒徑的粉末。霧化制粉技術(shù)是目前主流的球形粉末制備方法，其中氣霧化制粉、選擇電極法制備的粉末都開始應(yīng)用于激光3D打印中，本發(fā)明提出在霧化制粉中進(jìn)行元素補(bǔ)償，保障激光3D打印最終零件的化學(xué)成分。
[0016]元素補(bǔ)償?shù)撵F化方法的具體過(guò)程為:
[0017](I)選取主要化學(xué)成分符合要求的耐熱鋼材料，通過(guò)購(gòu)置或按成分配比熔煉材料，添加0.1-0.15wt%的C, 0.1-0.5wt%的Ti等關(guān)鍵脫氧元素，加入0.05-0.5wt%的Mn等抗裂紋元素；
[0018](2)通過(guò)真空熔煉獲得無(wú)偏析的金屬溶液；
[0019](3)將熔煉完畢的合金溶液倒入保溫包中，溶液通過(guò)噴嘴在不大于5Mpa的Ar氣下霧化成合金溶液，由噴嘴噴出最終冷卻成金屬粉末。
[0020]激光3D打印技術(shù)是粉末致密化的過(guò)程，粉末初始相對(duì)密度會(huì)影響成形性，初始相對(duì)密度太低成形件的孔隙等缺陷多，初始相對(duì)密度太高粉末流動(dòng)性差也降低成形性，因此激光3D打印用粉末對(duì)初始粉末相對(duì)密度進(jìn)行控制，通過(guò)分級(jí)篩分粉末然后定比例混合的方法獲得合適初始粉末相對(duì)密度的。
[0021]分級(jí)篩分和定比例混合方法的具體過(guò)程為:
[0022](I)對(duì)于粒徑10 μ m以上的粉末使用不同規(guī)格的篩子進(jìn)行震動(dòng)篩分；粒徑10 μ m以下粉末使用篩子震動(dòng)篩分難度大、效率低，使用氣流篩分機(jī)，在密閉狀態(tài)下利用高速氣流作為載體，將充分?jǐn)U散的粉末噴射向篩網(wǎng)，達(dá)到分級(jí)的目的；
[0023](2)將篩分的粉末分組成1ym以下、10-20μπι、20-50μπι、50-100μπι四組，再根據(jù)工藝需求從中選取相應(yīng)的三組粉末，按照粒徑范圍由小到大的順序按照接近1:3-4:3-4的比例進(jìn)行混合后進(jìn)行球磨1-2小時(shí)，轉(zhuǎn)速85-100r/min。
[0024]本發(fā)明中的材料制備方法適用于Cr-Mn-N、Cr-Mn-N1-N, Cr-N1-N及Fe-Al-Mn和Cr-Mn-Al-Si等系耐熱鋼粉末材料的制備，制備的金屬粉末材料可用于激光選區(qū)熔化、激光近凈成形、電子束選區(qū)熔化、直接金屬熔敷等3D打印制造技術(shù)。
[0025]目前制備耐熱模具時(shí)通常按照其所需耐熱模具成品的成分進(jìn)行原料配比，其主要元素含量如下:c元素含量0.08-0.18wt%，Cr元素含量15_30wt%,Ni < 25wt%，V元素含量0.3-0.5wt%,同時(shí)含Mn、Mo等合金元素含量不超過(guò)5wt%, P、S雜質(zhì)不超過(guò)0.01wt%, O元素控制在0.01wt%以下，不含W等高溫難熔金屬元素。
[0026]下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說(shuō)明。在此需要說(shuō)明的是，這些實(shí)施方式的說(shuō)明主要用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0027]實(shí)例:
[0028]實(shí)例1:
[0029]奧氏體耐熱鋼HR3C(25Cr-20N1-Nb_N鋼)是一種新型的耐熱不銹鋼，高溫蠕變強(qiáng)度和高溫抗氧化性能好，可以用于火力發(fā)電機(jī)組中關(guān)鍵零部件。因該材料含有大量的Ni，抗氧化性強(qiáng)，3D打印成形性好。成分為25Cr-20N1-Nb-N的3D打印用粉末材料制備過(guò)程如下:
[0030](I)參考傳統(tǒng)材料成分，按照 0.16wt% 的 C、17-23wt% 的 Cr、17_23wt% 的 N1、0.2-0.6wt%^ Νο、0.15-0.35wt%^ Ν、1.5wt%^ Si,2wt%^ Mn 和不超過(guò) 0.01wt%^ P、S進(jìn)行配比。
[0031](2)由于3D打印過(guò)程中粉末材料會(huì)損失C元素，故增加0.^^%的C作為補(bǔ)償，
0.5界丨％的Cr作為脫氧元素，0.05?〖％的Mn作為抗裂紋元素，將原料加入高真空度熔煉設(shè)備的坩堝中，將熔煉設(shè)備抽至高真空狀態(tài)，通入惰性氣體作為保護(hù)氣。通過(guò)感應(yīng)加熱將原材料熔化，使用攪拌棒、超聲振動(dòng)等方式使金屬熔化成分均勻化，消除成分偏析。將熔煉完畢的合金溶液倒入保溫包中，溶液通過(guò)噴嘴在不大于5Mpa的Ar氣下霧化成合金溶液，由噴嘴噴出最終冷卻成金屬粉末。
[0032](3)使用篩分出 10μπι-20μπι、20μπι-50μπι、50μπι-100μπι，三個(gè)級(jí)別的粉末，按照體積比1:1:3的比例混合，其余粉末回收再利用，將混合的粉末材料進(jìn)行真空儲(chǔ)存。
[0033]制備的金屬粉末用于激光近凈成形、直接金屬涂敷等可以成形大尺寸零件的3D打印制造技術(shù)，用于大尺寸復(fù)雜形狀的耐熱零部件毛坯的近凈成形。
[0034]實(shí)例2:
[0035]3Cr24Ni7Si2不銹鋼使用溫度為950-1050°C，是液鍛鋼件模具的理想材料，但是該材料無(wú)法使用數(shù)控加工，將其制備成粉末材料，使用3D打印技術(shù)可成形復(fù)雜精密的液鍛鋼件模具。該粉末含Cr、C較多，Ni較少，在3D打印中存在C、Cr氧化、汽化等因素，需要進(jìn)行元素補(bǔ)償。成分為3Cr24Ni7Si2的3D打印用耐熱鋼粉末材料制備過(guò)程如下:
[0036](I)購(gòu)置商業(yè)化的3Cr24Ni7Si2不銹鋼管材，將其切成小塊，加入高真空度熔煉設(shè)備的坩堝中。
[0037](2)增加0.15界七％的(:，0.^^%的0元素進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)加入0.5￥七％的]?11作為抗裂紋元素，將熔煉設(shè)備抽至高真空狀態(tài)，通入惰性氣體作為保護(hù)氣。通過(guò)感應(yīng)加熱將原材料熔化，使用攪拌棒、超聲振動(dòng)等方式使金屬熔化成分均勻化，消除成分偏析。將熔煉完畢的合金溶液倒入保溫包中，溶液通過(guò)噴嘴在不大于9Mpa的惰性氣體下霧化成合金溶液，由噴嘴噴出最終冷卻成金屬粉末。
[0038](3)使用篩子篩分出1um以下、10 μ m_20 μ m、20 μ m_50 μ m的粉末，按照體積比1:4:4的比例混合，其余粉末回收再利用，將制備的粉末材料進(jìn)行真空儲(chǔ)存。
[0039]制備的金屬粉末用于激光選區(qū)熔化技術(shù)等可以精細(xì)結(jié)構(gòu)的激光3D打印制造技術(shù)，用于復(fù)雜精細(xì)的液鍛鋼件模具的制造。
[0040]實(shí)例3:
[0041]3Crl8Mnl2Si2N不銹鋼最高工作溫度為1000°C左右，有較好的高溫強(qiáng)度，并具有良好的抗氧化性及抗?jié)B碳性，多用于制造加熱爐的受熱構(gòu)件、鍋爐中的吊鉤等，常以鑄件的形式使用。如果將其制備成粉末材料，使用激光3D打印技術(shù)可用于制造加熱爐精密耐熱構(gòu)件。成分為3Cr24Ni7Si2的3D打印用耐熱鋼粉末材料制備過(guò)程如下:
[0042](I)購(gòu)置商業(yè)化的3Crl8Mnl2Si2N不銹鋼管帶，將其切成小塊，加入高真空度熔煉設(shè)備的坩堝中。
[0043](2)增加0.13界七％的(:，0.2￥七％的0元素進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)加入0.1wt %的Mn作為抗裂紋元素，將熔煉設(shè)備抽至高真空狀態(tài)，通入惰性氣體作為保護(hù)氣。通過(guò)感應(yīng)加熱將原材料熔化，使用攪拌棒、超聲振動(dòng)等方式使金屬熔化成分均勻化，消除成分偏析。將熔煉完畢的合金溶液倒入保溫包中，溶液通過(guò)噴嘴在不大于9Mpa的惰性氣體下霧化成合金溶液，由噴嘴噴出最終冷卻成金屬粉末。
[0044](3)使用篩子篩分出1um以下、10 μ m_20 μ m、20 μ m_50 μ m的粉末，按照體積比
1:4:3的比例混合，其余粉末回收再利用，將制備的粉末材料進(jìn)行真空儲(chǔ)存。
[0045]制備的金屬粉末用于激光選區(qū)熔化技術(shù)等可以精細(xì)結(jié)構(gòu)的激光3D打印制造技術(shù)，用于復(fù)雜精細(xì)的液鍛鋼件模具的制造。
[0046]以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種激光3D打印用耐熱模具鋼材料，其特征在于，該材料是以所需耐熱模具的材料成分為基礎(chǔ)成分，添加C元素、脫氧元素和抗裂紋元素的量，C的添加量為0.1-0.15wt%，脫氧元素的添加量為0.1-0.5wt%,抗裂紋元素的添加量為0.05-0.5wt%,材料為規(guī)則球形，其粒徑分布為15 μ m-100 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光3D打印用耐熱模具鋼材料，其特征在于，材料為球形度90%以上的球形粉末。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光3D打印用耐熱模具鋼材料，其特征在于，所添加的脫氧元素和抗裂紋元素與原材料成分中本身所含有的相同或者不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光3D打印用耐熱模具鋼材料，其特征在于，材料的相對(duì)松裝密度為54%?59%。
5.一種激光3D打印用耐熱模具鋼材料的制備方法，其特征在于，該方法首先采用元素補(bǔ)償?shù)撵F化方法制備出球形金屬粉末，元素補(bǔ)償是指以以所需耐熱模具的材料成分為基礎(chǔ)成分，添加C元素、脫氧元素和抗裂紋元素的量，C的添加量為0.1-0.15wt%，脫氧元素的添加量為0.1-0.5wt%，抗裂紋元素的添加量為0.05-0.5wt% ； 然后通過(guò)分級(jí)篩分和定比例混合方法獲得粒徑分布在15 μ m-100 μ m的規(guī)則球形的粉末材料，以適用于激光3D打印成形。
6.一種權(quán)利要求5所述激光3D打印用耐熱模具鋼材料的制備方法，其特征在于，所述元素補(bǔ)償?shù)撵F化方法的具體過(guò)程為: (1.D按成分配比熔煉材料； (1.2)通過(guò)真空熔煉獲得無(wú)偏析的金屬溶液； (1.3)將熔煉完畢的合金溶液倒入保溫包中，溶液通過(guò)噴嘴在小于等于5Mpa的Ar氣下霧化成合金溶液，由噴嘴噴出冷卻成球形金屬粉末。
7.—種權(quán)利要求5或6所述激光3D打印用耐熱模具鋼材料的制備方法，其特征在于，所述分級(jí)篩分和定比例混合方法的具體過(guò)程為: (2.1)對(duì)于10 μ m以上的粉末使用不同規(guī)格的篩子進(jìn)行震動(dòng)篩分；10μπι以下粉末使用氣流篩分機(jī)，在密閉狀態(tài)下利用高速氣流作為載體，將充分?jǐn)U散的粉末噴射向篩網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分級(jí)； (2.2)將篩分的粉末分組成10 μ m以下、10-20 μ m、20-50 μπκ 50-100 μ m四組，再根據(jù)工藝需求從中選取相應(yīng)的三組粉末，并按照接近1:3-4:3-4的比例進(jìn)行混合后進(jìn)行球磨1-2小時(shí)，轉(zhuǎn)速85-100r/min，得到相對(duì)松裝密度在54%?59%的粉末材料。
8.—種權(quán)利要求7所述激光3D打印用耐熱模具鋼材料的制備方法，其特征在于，所添加的脫氧元素和抗裂紋元素與原材料成分中本身所含有的相同或者不同。
9.一種權(quán)利要求7所述激光3D打印用耐熱模具鋼材料的制備方法，其特征在于，所獲得材料的相對(duì)松裝密度為54%?59%。
【文檔編號(hào)】B22F1/00GK104325128SQ201410520215
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】魏青松, 趙曉, 羅喜旺, 杜若舟, 張昂 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)