一种高强度耐氢脆增材制造不锈钢制造工艺

本发明属于增材制造金属材料领域，尤其是涉及一种高强度耐氢脆增材制造不锈钢制造工艺。

背景技术：

在核电领域中，许多关键部件存在结构复杂、制造难度大、承受载荷高和服役环境苛刻等特点，传统制造技术难以同时满足这些零部件在结构复杂性、强塑性和耐氢脆性等多方面的综合要求。因此亟待研发一种既能进行复杂结构加工又能获得高强度、耐氢脆性能的新型制造技术。

选区激光熔化（slm）是一种较为成熟的金属增材制造技术，通过slm制备的奥氏体不锈钢具有加工自由度高，打印质量优良等优势，较为适合复杂零件制造。目前slm不锈钢的力学性能已经远超传统工艺材料，这为增材制造奥氏体不锈钢在复杂零部件中的应用提供了可能。但是目前增材制造奥氏体不锈钢的耐蚀性能较差并且性能稳定性较低，许多研究结果显示，slm不锈钢的耐蚀性能弱于同成分的传统工艺不锈钢材料，并且不同打印条件下的slm不锈钢氢脆性能差异巨大，这极大的增加了slm不锈钢在核电和氢能等领域中的应用隐患。可见，slm不锈钢的耐蚀性能问题是限制其在高压、高氢脆环境中应用的重要障碍。

slm奥氏体不锈钢的耐氢脆性能与其显微结构密切相关，其中包括跨尺度界面（熔池边界、晶界和富含位错的胞状边界等）、元素偏析和微观缺陷。跨尺度界面一方面影响氢脆敏感性另一方面又影响强塑性，因此其可以作为增材制造不锈钢获得高强度耐氢脆性能的中间桥梁，而跨尺度界面组织的结构复杂，其对氢脆行为的影响尚未解明，并且影响跨尺度界面组织的因素较多，这给有效调控带来了较大困难。由此可见，增材制造不锈钢跨尺度界面组织对氢脆行为的影响机制以及高强度耐氢脆调控机理是当前亟待解决的关键问题。

技术实现要素：

本发明的发明目的是为了克服背景技术中不足和缺陷，提供了一种研发出高强度耐氢脆的增材制造不锈钢的方法。

本发明的增材制造不锈钢的化学成分按重量百分比为：c：≤0.03%，mn:≤2%,p:≤0.045%,s:≤0.03%,si:≤0.75%,cr:15-17%,ni:12-14%,mo:3-3.5%,n：0.2-0.3%，余量为fe及不可避免的杂质。

可见，相比于传统不锈钢金属粉末了化学成分而言，本发明添加了合金元素钼，同时添加了一定氮含量。其主要作用及配比如下：

钼：钼元素一方面可以改善基体组织的耐蚀性,特别是材料的抗点蚀性能。另一方面,在时效过程中还可以析出fe2mo、ni3mo、mo2c等纳米析出相,从而提高钢的回火稳定性与二次硬化效应。但过高的钼含量会促进铁素体的形成,对性能产生不利影响。综合考虑，本发明钼含量为2-3%。

氮：首先，组织性能方面，氮是对不锈钢基体组织的影响是强烈的。氮的这种作用使其在不锈钢中可以代替部分镍、降低钢中的铁素体含量，可以使奥氏体更稳定，防止有害金属间相的析出、甚至在冷加工条件下可避免出现马氏体转变。其次，力学性能方面，氮在显著提高不锈钢强度的同时，并不降低材料的塑韧性。最后，耐氢脆性能方面氮对不锈钢耐蚀性能的有益作用表现在耐晶间氢脆、点氢脆、缝隙氢脆。

本发明涉及到的工艺如下：

1.粉末参数为c：≤0.03%，mn:≤2%,p:≤0.045%,s:≤0.03%,si:≤0.75%,cr:15-17%,ni:12-14%,mo:3-3.5%,n:0.10%，余量为fe及不可避免的杂质，粉末粒度满足：d10：17.99，d50：31.8，d90：53.3，无空心粉，球形度95%以上，流动性由霍尔实验测定为17.18s/50g，未检测到夹杂物，氧含量为186ppm。

2.3d打印工艺采用eosm290设备，yb-fibre光纤激光器，功率300-400w，光斑直径100um-500um，扫描功率200-250w，扫描间距0.08-0.11mm,扫描速度950-980mm/s,铺粉沉厚0.03-0.04mm。

3.热处理工艺用线切割设备把slm增材制造316l奥氏体不锈钢制成所需大小试样，把实验放入充满氩气的马弗炉中（氩气用来保护试样不被氧化）。热处理的升温速率为10°c/min，直至升温到500-1100℃，恒温4h。

本发明有以下优点：

1.与传统不锈钢材料相比，可以实现高强度和耐氢脆性能

力学性能指标：增材制造316l不锈钢热处理后屈服强度不低于450mpa，抗拉强度高于700mpa，延伸率超过35%。强塑积超过普通316l不锈钢的2倍。

耐氢脆性能指标：在5%nacl环境中，热处理充氢后增材制造不锈钢的相对延伸率76.03%，

与传统增材制造不锈钢材料相比，可以实现高强度和耐氢脆两方面性能同时具备。

综合而言，950℃亚临界热处理的slmss316l同时具有优异的机械性能和耐氢脆性能。

附图说明

图1未经热处理slmss316l式样的力学性能曲线；

图2经热处理slmss316l式样的力学性能曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例1

1.粉末参数为c：0.025%，mn:2%,p:0.04%,s:0.03%,si:0.65%,cr:17%,ni:12%,

mo:3.4%,n:0.10%，余量为fe及不可避免的杂质，粉末粒度满足：d10：17.99，d50：31.8，d90：53.3，无空心粉，球形度95%以上，流动性由霍尔实验测定为17.18s/50g，未检测到夹杂物，氧含量为186ppm。

2.3d打印工艺采用eosm290设备，yb-fibre光纤激光器，功率400w，光斑直径250um，扫描功率200w，扫描间距0.08mm,扫描速度950mm/s,铺粉沉厚0.04mm。

3.热处理工艺，把实验放入充满氩气的马弗炉中（氩气用来保护试样不被氧化）。热处理的升温速率为10°c/min，直至升温到950℃，恒温4h。

4.充氢工艺用950℃热处理后的式样进行机械打磨（除氧化层），用酒精或丙酮进行超声清洗，吹干。放入充氢釜，进行抽真空（时间30min），通入氢气，并开始升温，升温升至300℃（常温25℃下，充氢9.4mpa）。最终充氢18mpa，充氢时间14天。（根据pv=nrt进行计算）

实施例2

实施例2与实施例1在粉末成分与打印工艺完全相同，区别在于本实施例不进行充氢，其它内容与实施例1的内容相同。

实施例3

实施例3与实施例1的不同之处在于本实施例不进行热处理和充氢，其它内容与实施例1的内容相同。

实施例4

与实施例1,2,3相同尺寸的锻造试样。

由图1可知，充氢后普通316l不锈钢和slm316l不锈钢均出现了延伸率下降的现象，说明塑性也在下降。由图2可知，未充氢950°c热处理试样延伸率超过100%，具有优良的塑性，而充氢后的两组950°c热处理试样较未充氢的试样延伸率下降，但下降比率不大，说明在充氢后在空气中和5%nacl溶液中950°c热处理slm316l不锈钢仍然具有良好的塑性，进一步说明热处理对slm316l不锈钢可以提升抗氢脆性能。