一种基于LMD成形Fe基合金材料的组织调控及氧化物无害化方法

本发明属于激光增材制造领域，涉及到一种基于lmd成形fe基合金材料的组织调控及氧化物无害化方法。

背景技术：

1、激光熔化沉积(laser melting deposition，lmd)技术使用激光束作为高温热源将基材表面熔化产生熔池，通过送粉/送丝设备将金属粉末/丝材同步送入熔池，粉末/丝材经过快速熔化冷却后凝固并与基体材料形成冶金结合，激光沉积工作头在计算机控制下按照预先规划好的路径移动，并通过逐层堆积的方式实现零部件实体制造。依据沉积材质的不同，整个过程通常需要在氩气、氮气等惰性气体氛围中进行。lmd增材制造系统主要由激光沉积系统、运动控制系统和防护监测系统组成。激光沉积系统是整个增材制造系统的核心，主要由激光器、送粉/送丝设备、冷却器、沉积头和成形平台组成，用于材料输送并熔化沉积到成形平台上；运动控制系统主要由cnc机床/机械臂、程序控制器及cam编程软件组成，用于实现沉积头/成形平台的空间定位移动，对不同形状的构件进行制造；防护监测系统主要由安全外壳、气体室、在线监测设备及配套软件组成，用于保护加工安全，监测整个成形过程保证加工精度。

2、fe-cr-ni-co-mo体系是一种新型的，能兼顾高强度和良好韧性的马氏体时效不锈钢。马氏体时效不锈钢是由低碳马氏体相变强化和时效强化两种强化效应叠加的高强度不锈钢，用马氏体时效不锈钢逐步代替沉淀硬化不锈钢是高强度不锈钢的发展的重要趋势，利用lmd技术成形fecrnicomo钢具有广阔的应用前景，市场价值巨大。但由于该材料合金化程度高，在lmd成形时，凝固和固态相变过程复杂，其增材制造工艺成熟度还远未达到较高的制造水平，激光增材制造高强钢可能存在有合金碳化物、残余奥氏体和马氏体等多相组织导致的组织应力，同时可能存在由于制造过程中高温度梯度导致的较大的热应力，这两类应力的存在极易导致构建出现变形和开裂等现象，因此需要热处理来改善组织优化性能。

3、激光熔化沉积(lmd)技术因其较快的冷却速度和大尺寸的熔池特征而区别于传统的铸造和增材制造技术，但其本质上仍属于“固-液-气”三相反应的范畴，与传统铸造技术类似。lmd增材制造过程中，微熔池中合金元素优先和钢液中溶解氧以及周围气体环境中游离氧结合而形成氧化物，因而lmd过程中氧含量对夹杂物生成和演变具有极其重要的影响。

技术实现思路

1、本发明是针对航空航天、低温贮存等领域中的需要，配制一种新型马氏体时效钢粉末，并提供一种成形工艺方式，并通过调整工艺参数得到最好的成形效果，调控其微观组织和力学性能，并通过添加添加1.00-5.00wt％的cazr中间合金使得成形过程中氧化物造渣，ca元素能对氧化物杂质起变质作用，作为脱氧剂和孕育剂的，引起微合金化；zr元素与o元素有很强的化学亲和力，能优先与o反应生成zro2，在基体上生成表层渣脱落，可降低钢的氧含量还能改善氧化物的形貌和分布而提高其性能；二者还可细化氧化物杂质颗粒。最后通过热处理来进一步优化。

2、本发明涉及到一种基于lmd成形fe基合金材料的组织调控及氧化物无害化方法，该粉末各组分质量百分比如下：c：0.001～0.003wt％，cr：10.5～12.0wt％，ni：6.0～9.0wt％，co：3.0～7.0wt％，mo：1.5～3.5wt％，v：0.01～0.03wt％，ti：0.1～0.2wt％，al：0.02～0.03wt％，si：0.1～0.2wt％，mn：0.1～0.7wt％，s：0.001～0.002wt％，p：0.001～0.002wt％，余量为fe。在本体材料中添加1.00-5.00wt％的cazr中间合金(ca：50wt％，zr：50wt％)。预设好样块的预成形尺寸，通过数控系统将数据和指令输入abb机械手示教器，控制同步送粉激光熔覆头工作进行激光金属沉积成形。工艺参数如下：激光功率：1100～4000w，激光扫描速度：3.0～12mm/s，送粉速率：12.0～70.0g/min，光斑直径1～5mm，搭接率30～60％，激光熔覆头保护气(氩气)流量20～40l/min，氩仓保护气(氩气)流量10～30l/min。单层搭接可形成厚度0.8-1.6mm厚的fecrnicomo钢材料涂层。

3、在激光金属沉积成形完毕并进行机加工后，将样块整体进行热处理，其工艺路线为：热等静压处理(1000～1300℃，120～140mpa，4～4.5h)，高温固溶处理(1000～1200℃，1～3h)，低温固溶处理(600～800℃，1～3h)，冷处理(-60～-80℃，2～4h)，时效处理(400～600℃，3～5h)。

技术特征：

1.一种基于lmd成形fe基合金材料的组织调控及氧化物无害化方法，其特征在于，所使用本体粉末材料各组分的质量百分比如下：c：0.001～0.003wt％，cr：10.5～12.0wt％，ni：6.0～9.0wt％，co：3.0～7.0wt％，mo:1.5～3.5wt％，v:0.01～0.03wt％，ti：0.1～0.2wt％，al：0.02～0.03wt％，si:0.1～0.2wt％，mn:0.1～0.7wt％，s:0.001～0.002wt％，p:0.001～0.002wt％，余量为fe；

技术总结
一种基于LMD成形FeCrNiCoMo钢组织调控及氧化物无害化方法属于激光增材制造技术领域。该钢粉末元素成分为C：0.001～0.003wt％，Cr：10.5～12.0wt％，Ni：6.0～9.0wt％，Co：3.0～7.0wt％，Mo:1.5～3.5wt％，V:0.01～0.03wt％，Ti：0.1～0.2wt％，Al：0.02～0.03wt％，Si:0.1～0.2wt％，Mn:0.1～0.7wt％，S:0.001～0.002wt％，P:0.001～0.002wt％，余量为Fe。针对LMD成形钢材料的过程中孔洞、未熔合等缺陷，以及材料微观组织演变问题，本发明给出了优化LMD工艺参数以及针对性热处理制度；针对该钢材料成形过程中产生的有害氧化物，通过在本体材料中添加1.00～5.00wt％的CaZr中间合金(Ca：50wt％，Zr：50wt％)，改善该钢材料成形过程中对氧的敏感性并在成形时用于氧化物造渣。制得的零部件可用于航空航天、低温贮存等领域。

技术研发人员：杨胶溪,王振,刘文夫,王枭健,杜志成
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15