一种激光熔化沉积24CrNiMo合金钢的方法与流程

本发明涉及一种激光熔化沉积24crnimo合金钢的方法。更具体地，本发明涉及激光增材制造高性能合金钢零件，即通过优化后的激光沉积方法调控24crnimo合金钢的物相结构、内部缺陷以及拉伸性能等。

背景技术：

24crnimo是我国现阶段低合金高强钢常用的材料成分体系，目前，该体系合金钢通常经过传统的铸造和锻压工艺来制作合金钢坯料，再根据不同的使用需求设计热处理工艺。经过加工之后的合金钢具有比强度高、高温条件下成分稳定、抗冲击韧性高以及耐磨性良好的优点，广泛地应用于卧式锻造机传动偏心轴、锻压机中的曲轴和高铁刹车盘等对强度要求高、承受高负荷的零件。此外，该体系合金钢经过表面处理后还被应用于传动齿轮以及石油勘探设备等对耐磨性和强度要求高的零件。

24crnimo低合金高强钢零件的传统加工方法包括铸造、锻压、热烧结、热处理以及车削等加工步骤。传统加工方法生产周期长、能源消耗严重且环境污染大。24crnimo合金钢在不同的热处理状态下获得的物相结构和力学性能有所区别，所以传统加工工艺会根据成品零件对力学性能的要求，选择不同的热处理工艺。一般而言，重型机械设备中的偏心轴、曲轴以及凸轮轴等要求内韧外硬，所以芯部经过调质处理后，进行高温或中温回火处理，获得韧性良好的粒状贝氏体组织。传统齿轮和石油勘探设备中牙轮钻头则需要零件具有较高的强度和硬度，所以24crnimo合金钢锻压后一般经过调质加低温回火得到强度较高的低碳马氏体组织。

激光熔化沉积(lasermeltingdeposition)增材制造采用激光作为热源熔化同步输送的金属粉末并且通过逐层堆积的方式实现金属构件的增材制造。在增材制造过程中按照零件模型或程序可以精确地控制激光能量输入、扫描路径、扫描速度以及送粉量等工艺参数，实现自由成形制造复杂形状金属零件。激光熔化沉积相比传统制造技术具有生产周期短、材料利用率高以及环境污染小的优点。目前，针对24crnimo合金钢激光增材制造的研究主要集中在激光工艺参数对沉积零件缺陷数量的影响，通过改变激光熔化沉积过程中的沉积方法实现24crnimo合金钢物相结构调控，目前尚没有学者进行研究。根据24crnimo合金钢加工工艺特点，其物相结构主要受奥氏体化温度a3至室温温度之间的冷却速率的影响，因此可在激光熔化沉积过程中通过改变沉积层的层间冷却时间间隔获得不同的冷却速率，进而实现针对24crnimo合金钢激光在激光增材过程中物相结构的实时调控。

技术实现要素：

cr-ni-mo系列低合金高强钢经过铸造、锻压、热处理以及车削加工等传统制备方法处理后被广泛的应用于对强度和韧性要求极高的石油勘探领域的钻头、重型机械领域的齿轮部件、传动轴以及高速铁路领域的刹车盘等零部件。根据不同零部件对强度、耐磨性以及韧性等力学性能的需求针对锻压后的低合金高强钢进行不同的热处理，主要的热处理工艺为调质处理。传统加工方法中的调质处理存在加工周期长、人工成本高以及能源消耗严重等问题。本发明旨在通过变换激光熔化沉积方法改变24crnimo合金钢沉积层凝固过程的最高温度和冷却速率，以此对24crnimo合金钢物相结构和力学性能进行调控。与传统加工方法相比，本发明方法省去复杂的热处理工艺步骤，实现激光熔化沉积24crnimo合金钢物相结构的实时调控，减少了能源消耗和人工成本，缩短了加工周期。此外，经过激光熔化沉积24crnimo合金钢实时调控得到的物相结构和晶粒尺寸显著小于传统加工方法得到的物相结构和晶粒尺寸，显著提高了合金钢构件的力学性能。

在一个方面中，本发明涉及一种激光熔化沉积24crnimo合金钢的方法，所述方法在沉积相邻沉积层时，设置2-10min的时间间隔，使在先沉积的沉积层温度降至180℃～220℃再沉积下一层。

在激光熔化沉积完一层后，为了避免产生较大的热量累计，需要在相邻沉积层之间停顿一段时间，已沉积层的温度会随着间隔时间延长而逐渐降低，使用接触式测温设备测量沉积层温度变化，当温度降至180℃-220℃之间，可继续激光熔化沉积新的沉积层。如果在已沉积层温度低于180℃后再激光熔化沉积新沉积层，一方面由于层间时间间隔的延长会降低生产效率，另一方面已沉积层与氧气接触时间过长会产生氧化物夹杂，进而影响沉积层之间的冶金结合，产生内部缺陷从而降低力学性能。如果已沉积层温度高于220℃再激光熔化沉积新的沉积层，则会在沉积层内部产生热量累计，进而降低沉积层的冷却速率，由于此时沉积层的冷却速率低于产生板条马氏体的临界冷却速率，最终无法得到力学性能优异的板条马氏体组织。

在优选的实施方式中，每个沉积层采用往复式扫描进行沉积，相邻沉积层之间的扫描方向相同或者不同，优选旋转90°。

在优选的实施方式中，所述方法在惰性气体保护下，使用光纤激光器、半导体激光器或co2激光器将24crnimo合金钢粉末激光熔化沉积在基板材料上。

在优选的实施方式中，所述方法参数设置如下：激光功率2500w～10000w，优选2500w～4000w，扫描速度5mm/s～100mm/s，优选5mm/s～20mm/s，搭接率40％～50％，送粉速率8g/min～100g/min、优选8g/min～20g/min，每层z轴提升量1mm～4mm、优选1mm～4mm，激光光斑直径3mm～4mm，离焦量2mm。

激光熔化沉积的具体工艺参数和相邻沉积层之间的时间间隔根据基板和沉积层的尺寸进行适当选择，只要使在先沉积的沉积层温度降至180℃～220℃再沉积下一层即可。

在优选的实施方式中，24crnimo合金钢粉末的粒径为40～180μm，按照质量百分比计，元素组成如下：c：0.2～0.25％、ni：1～1.49％、cr：1～1.2％、mn：0.5～1％、mo：0.4～1％、o：0.034％以下、余量为fe元素。

在优选的实施方式中，基板材料选自304l、316l、q195、q215、q235、q255或q275。

在优选的实施方式中，所述惰性气体为纯度高于99.99％的氩气或氮气。

在优选的实施方式中，所述方法包括以下步骤：

(1)24crnimo合金钢粉末预处理：将24crnimo合金钢粉末置于真空干燥箱中进行去水处理，温度设定为100～120℃，持续4～6h；

(2)基板材料预处理：使用砂轮对基板材料表面进行打磨，去除铁锈或氧化皮；接下来依次使用200#和400#砂纸打磨基板表面，打磨后使用无水乙醇清洗表面，吹干后备用；

(3)激光熔化沉积成形：按照如上所述的方法进行激光熔化沉积，最终得到具有板条马氏体物相结构的24crnimo合金钢材料。

在另一个方面中，本发明涉及由上述方法获得的24crnimo合金钢制品。

附图说明

图1为激光熔化沉积24crnimo合金钢拉伸试样件尺寸示意图。

图2为24crnimo合金钢粉末sem形貌图。

图3为24crnimo合金钢粉末粒径正态分布图。

图4为制备24crnimo合金钢的示意图。

图5为制备24crnimo合金钢方法的示意图。

图6为24crnimo合金钢的xrd衍射图谱，图6(a)：s1试样，图6(b)：s2试样，图6(c)：s3试样。

图7为24crnimo合金钢的cct曲线模拟结果。

图8为24crnimo合金钢的金相组织和sem形貌，图8(a)：s1试样，图8(b)：s2试样，图8(c)：s3试样。

图9为激光熔化沉积24crnimo合金钢tem形貌及选区衍射斑点，图9(a)为s1试样的tem形貌和选区衍射斑点，图9(b)为s2试样的tem形貌和选区衍射斑点，图9(c)为s3试样的tem形貌和选区衍射斑点。

图10为24crnimo合金钢的室温拉伸曲线。

图11为24crnimo合金钢拉伸断口sem形貌，图11(a)和图11(b)分别为s1试样的低倍和高倍sem形貌，图11(c)和图11(d)分别为s2试样的低倍和高倍sem形貌，图11(e)和图11(f)分别为s3试样的低倍和高倍sem形貌。

图12为24crnimo合金钢硬度曲线图。

具体实施方式

下文将结合附图来对本发明的原理和特征进行描述，所描述的实施例仅用于解释本发明，并不意图对本发明的范围构成任何限定，本发明所要求保护的范围仅通过所附的权利要求来限定。

本发明所用激光器为ysl-4000光纤激光器，使用pw3040/60型x射线衍射分析仪分析沉积样品中物相组成(cukα靶材，扫描范围20°～120°，扫描速度2°/min，管电压40kv，管电流200ma)。沉积态试样的物相结构形貌采用navananosem650型二次电子扫描显微镜进行分析观察。jem-2100f型透射电子显微镜用于观察分析沉积态试样的晶体结构和tem形貌。使用负载为2.945n且负载时间为15s的micromet-5101硬度测试仪测量从基板到沉积层的显微硬度。沉积态试样的测试拉伸性能将通过ag-x100kn测试机(suns，china)在室温下以0.6mm/s的拉伸速度测量。这些拉伸试样的尺寸(根据iso6892～1：2016标准)如图1所示，拉伸试样的厚度为2mm。为了确保测试的可重复性，制备相同条件下的试样进行测量并取平均值作为拉伸数据，选取典型的拉伸数据绘制拉伸曲线。通过sem观察失效的拉伸试样的断面形态。

实施例1

通过变换激光熔化沉积策略改变沉积态24crnimo合金钢凝固过程的最高温度和冷却速率，获得不同的物相结构和力学性能。具体的实施过程包括以下步骤：

(1)24crnimo合金钢粉末预处理：24crnimo合金钢粉末按照质量百分比(wt.％)，元素组成为：c：0.25％、ni：1.49％、cr：1.12％、mn：0.65％、mo：0.49％、o：0.030％、余量为fe。粉末sem形貌如图2所示，呈现球形形貌。粉末的粒径分布如图3所示，其平均粒径为79μm。将上述粉末置于真空干燥箱中，在110℃下保温4小时，去除粉末中的水分。

(2)基板材料预处理：基板材料选择轧制态q235合金钢板，具体尺寸为60mm×80mm×15mm。首先使用砂轮去除基板表面的氧化皮和铁锈，使用无水乙醇清洗基板表面。接下来使用200#和400#砂纸依次对基板表面进行打磨，再使用无水乙醇清洗表面，并使用吹风机将基板表面吹干后备用。

(3)激光熔化沉积试验：采用光纤激光器，将预处理过的24crnimo合金钢粉末激光熔化沉积于q235合金钢基板上，沉积过程采用三种不同的沉积策略，得到具有三种不同物相结构的24crnimo合金钢沉积层，具体步骤如下：

a)启动plc总控制器、光纤激光器、六轴关节机器人、水冷循环、保护气以及送粉气开关，将预处理过的q235基板表面向上放置于样品台。通过机器人示教盒调整激光熔覆头至基板表面的距离，使基板表面距激光熔覆头14mm。此外，将预处理过的24crnimo合金钢粉末放入送粉装置的粉罐中。

b)图4为激光熔化沉积过程示意图，具体工艺参数设定为：激光功率2500w、扫描速度5mm/s、搭接率40％、送粉速率11.6g/min、相邻沉积层的z轴提升量为1mm、激光光斑直径3mm、离焦量2mm。24crnimo合金钢沉积层尺寸为50mm×20mm×10mm。

c)在上述激光熔化沉积工艺参数基础上，设计了三种激光熔化沉积策略并且分别命名为s1、s2和s3，对应的沉积态试样名称分别为s1试样、s2试样和s3试样。如图5所示，三种沉积策略每个沉积层内均采用往复扫描策略：s1策略采用无时间间隔的连续沉积方法，s2策略相邻沉积层之间有2分钟时间间隔，s3策略在相邻沉积层之间在具有2分钟时间间隔基础上相邻沉积层激光扫描方向相差90°。

实施例2

物相结构分析：在激光熔化沉积试验后，沿垂直于第一层激光扫描方向的平面切割沉积态试样，并依次使用200#、400#、600#、800#、1000#以及1500#砂纸对横截面进行打磨，打磨后使用2μm粒径金刚石抛光液对横截面进行抛光至无明显划痕。使用腐蚀溶液(4mlhno3+96mlc2h5oh)腐蚀横截面后，通过光学显微镜(olympus，japan)，扫描电子显微镜(zissis，germany)和高分辨率透射电子显微镜(jem-2100)分析样品物相结构。通过x射线衍射(xrd)分析样品的物相组成，相关工艺参数为cukα，扫描速率3°/min，扫描角度20°～120°，电压40kv，电流150ma。具体试验结果及分析如下：

1)xrd衍射分析

图6a，b，和c分别为s1，s2和s3试样的xrd衍射图谱，由图可知s1、s2以及s3试样的主相均为体心立方结构的α-fe(m)，其中m为固溶在α-fe中的c、ni、cr、mo等合金元素。由于24crnimo合金钢中合金元素含量较少，所以α-fe晶格畸变程度较低，可以近似看作体心立方结构。

2)24crnimo合金钢cct曲线

通过热力学模拟软件可以得到图7所示的24crnimo合金钢cct曲线。通过cct曲线可知24crnimo合金钢在不同的冷却速率下可得到包括贝氏体、马氏体和珠光体等不同的物相结构，其中冷却速度为240.5℃/s的冷却曲线为直接发生马氏体转变的临界冷却速度。本发明可以通过改变激光熔化沉积过程中相邻沉积层的时间间隔改变冷却速率，因此24crnimo合金钢的cct曲线为本发明中激光熔化沉积24crnimo合金钢物相结构调控的实现提供了参考依据。

3)组织形貌观察

图8(a)，(b)和(c)分别为s1、s2和s3试样中部的金相组织形貌(图片上部)和sem形貌(图片下部)，分析组织形貌可知s1试样主要由粒状贝氏体组成，粒状贝氏体以贝氏体铁素体为基体，其上分布着m-a岛元。而s2和s3试样则主要由板条马氏体(lathmartensite,简称lm)组成，在板条马氏体上还分布者少量的m-a岛元。由于s2和s3试样在激光熔化沉积过程中存在时间间隔，所以其冷却速率高于连续沉积方法制备的s1试样。结合24crnimo合金钢的cct曲线分析可知，s1试样自奥氏体温度a3冷却至室温过程中发生了贝氏体转变，然而s2和s3试样由于冷却速率高于240.5℃/s，所以冷却过程中直接发生了马氏体转变。

图9(a)、(b)和(c)分别为s1、s2和s3试样的tem形貌及选区衍射斑点(如右上角插图所示)。通过tem可以观察分析s1试样内部m-a岛元的显微形貌和结构，由图9(a)可观察到s1试样中的m-a岛元内部的板条马氏体形貌，通过衍射斑点可确定其低碳马氏体结构，c与fe元素的化学计量比为0.09:1.91。由图9(b)和(c)中的tem形貌和选区衍射斑点可判断s2和s3试样中的显微结构为低碳马氏体，该低碳马氏体的晶体结构、c和fe元素化学计量比均与s1试样中的低碳马氏体相同。

实施例3

力学性能测试

1)室温拉伸性能

图10为s1、s2和s3试样的室温拉伸曲线图，由图可知s3试样的室温拉伸性能最高，平均抗拉强度为1214mpa，平均屈服强度为1011mpa，平均延伸率为18％。s1试样次之，平均抗拉强度为949mpa，平均屈服强度为873mpa，平均延伸率为15％。s2试样的拉伸性能最差，平均抗拉强度为922mpa，平均屈服强度为832mpa，平均延伸率为12％。s3试样拉伸性能高于s1和s2试样是由于s3试样得到的低碳马氏体具有高强高韧的力学性能，而且相邻沉积层之间旋转90°可以显著降低试样内部的夹杂物缺陷，有效减少了试样在拉伸过程中裂纹萌生点和降低了裂纹扩展速率。s1试样的拉伸性能高于s2试样，这是由于s2试样的相邻沉积层之间存在2分钟时间间隔，所以已沉积层表面金属与氧气的接触时间更长，进而在沉积层之间形成金属氧化物夹杂，这些沉积零件内部的夹杂物缺陷会成为裂纹萌生点降低试样的拉伸性能。

图11(a)和(b)，(c)和(d)，(e)和(f)分别为s1，s2和s3试样的拉伸断口低倍和高倍sem形貌。如图11(b)所示，s1试样的拉伸断口上观察到具有准解理特征的韧窝和撕裂棱外，还在断口失效表面观察到未熔化的合金钢粉末颗粒。s1试样中未熔颗粒的存在降低了拉伸性能。如图11(c)所示，s2试样的断口包括纤维区和剪切唇区两部分。s2试样(图11(d))主要由大量的韧窝和少量的撕裂棱组成，主要表现为韧性断裂特征。另外，可以在s2试样的断裂表面中观察到孔洞缺陷，这种空隙是由于在拉伸载荷下试样内部未熔化的粉末的剥落而产生的。s3试样(图11e)的断口同样分为纤维区和剪切唇区两部分，相比s2试样，s3试样(图11f)断口表面上的韧窝更小且更深。通过观察试样的断口形貌可知，s3试样的孔洞和未熔颗粒的数量低于s1和s2试样。由于这些缺陷在拉伸试验中通过引起裂缝和加速裂纹扩展而作为引发断裂的主要部位，所以缺陷数量较少的s3试样的拉伸性能高于s1和s2试样。

2)硬度

图12为s1、s2和s3试样的硬度分布曲线图。s1，s2和s3试样的平均显微硬度分别为302hv，328hv和360hv。由于凝固过程中s2和s3试样的冷却速率高于s1试样，因此s2和s3试样具有更小的晶粒尺寸。在细晶强化作用下，s2和s3试样的显微硬度高于s1试样的显微硬度。此外，由于相邻沉积层旋转90°可以降低试样内部的夹杂物缺陷，所以在晶粒度相差较小的情况下，s3试样的内部缺陷数量低于s2试样。这些内部缺陷会在受到负载时成为萌生微小裂纹的薄弱点，因此内部缺陷数量最少的s3试样具有较少的薄弱位置，使得s3试样的硬度高于s2试样。

虽然本发明已经以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。