一種提高3d打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件硬度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高3D打印(增材制造)馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件硬度的方法，屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印依據(jù)數(shù)字模型，通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料的方式來制造三維實體物件，是當前世界制造業(yè)發(fā)展的新趨勢，將推動航空航天、軍事、汽車、醫(yī)療和消費電子產(chǎn)品等核心產(chǎn)業(yè)的革新。特別是在樣品設(shè)計、研制階段，以及復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的小批量生產(chǎn)、定制等領(lǐng)域，3D打印的優(yōu)勢可以得到充分發(fā)揮。
[0003]由于3D打印是一種近凈成形技術(shù)，無法通過變形加工來調(diào)整其結(jié)構(gòu)和力學性能，因而采用表面處理和/或熱處理成為對3D打印結(jié)構(gòu)件進行結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控的少數(shù)可選手段。比如，中國專利CN201410315813.X公開了一種增材制造金屬件表面多重激光拋光及強化方法，利用毫秒脈沖激光和納秒脈沖激光多次掃描處理增材制造金屬零件表面，實現(xiàn)增材制造金屬零件表面的拋光;多重激光掃描拋光過程中，對增材制造金屬件進行保溫處理，可以使增材制造金屬件表面應(yīng)力分布均勻;對激光拋光的增材制造金屬件表面進行激光掃描強化，可以改變增材制造金屬件表面應(yīng)力狀態(tài)，由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，提高增材制造金屬件抗疲勞性能，滿足金屬零件的使用性能。中國專利CN201510508138.7公開了一種TC4鈦合金激光選區(qū)熔化增材制造及熱處理方法，對TC4鈦合金成形構(gòu)件采用雙重退火工藝進行熱處理:先將TC4鈦合金構(gòu)件置于溫度為780?820°C的真空熱處理爐中，保溫1.5?2h后空冷至室溫;然后重新置于溫度為530?550°C的真空熱處理中，保溫2?3h后再空冷至室溫。經(jīng)上述工藝處理后的TC4鈦合金構(gòu)件強度在超過100MPa的同時延伸率達到不小于10%。
[0004]不銹鋼是金屬3D打印的重要原材料之一。其中，馬氏體不銹鋼具備高強度和耐蝕性，可用于制造渦輪葉片，醫(yī)療器械、測量用具、彈簧、模具等。目前，已有一些馬氏體不銹鋼成功應(yīng)用于3D打印行業(yè)，然而，這些采用3D打印技術(shù)制造的馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件存在硬度分布不均勻，硬度有待進一步提高的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是要提供一種提高3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件硬度的方法。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是為通過降低和消除3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件中的殘余奧氏體，并在馬氏體基體中析出納米級的碳化物，實現(xiàn)提高其硬度的目的。
[0007]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:一種提高3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件硬度的方法，其特征在于:其通過對3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件進行“低溫回火+超深冷處理+低溫回火”的熱處理，來降低或消除殘余奧氏體，并在馬氏體基體中析出具有增強作用的納米級碳化物。
[0008]具體步驟如下:
第一步:將3D打印的馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件在100-250°C之間進行低溫回火，以消除構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力，同時，內(nèi)應(yīng)力的消除也有利于殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。
[0009]第二步:利用液氮作為冷卻介質(zhì)，將低溫回火處理后的3D打印不銹鋼結(jié)構(gòu)件冷卻至-196°C進行超深冷處理，并保持0-2小時，然后升溫至室溫；
第三步:將超深冷處理后的3D打印不銹鋼結(jié)構(gòu)件在100-250°C之間進行低溫回火，以消除超深冷處理在構(gòu)件中引起的內(nèi)應(yīng)力。
[0010]第四步:對上述處理后的3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件中的殘余奧氏體含量進行實驗測定，如殘余奧氏體含量仍較高，可重復(fù)進行上述超深冷處理步驟，直至殘余奧氏體的含量或硬度達到要求。
[0011]本發(fā)明所依據(jù)的原理是馬氏體不銹鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變終止溫度一般都低于零度，因而淬火至室溫時，馬氏體轉(zhuǎn)變尚未完成，同時，先轉(zhuǎn)變的馬氏體對奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過程有阻礙作用，上述原因?qū)е埋R氏體不銹鋼中保留了部分殘余奧氏體，由于奧氏體的硬度低于馬氏體，因而會引起3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件的硬度分布不均勻，及硬度較低的現(xiàn)象。本發(fā)明通過去應(yīng)力低溫回火和超深冷處理，可使殘余奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并析出具有增強作用的納米尺寸的碳化物，對馬氏體基體起到了增強作用，使得3D打印馬氏體不銹鋼具有接近單相馬氏體的相結(jié)構(gòu)，消除了硬度分布不均勻，并提高了其硬度。
[0012]目前提高3D打印結(jié)構(gòu)件硬度的方法主要有表面噴丸、激光表面處理等，這些手段僅能改善結(jié)構(gòu)件的表面硬度。與之相比，本發(fā)明所采取的手段降低了 3D打印馬氏體結(jié)構(gòu)件整體的殘余奧氏體含量，并在馬氏體基體上析出了具有增強作用的納米級碳化物，使得結(jié)構(gòu)件從表面到內(nèi)部的整體硬度都得以增大。
[0013]本發(fā)明一種提高3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件硬度的方法的優(yōu)點是:可使3D打印馬氏體不銹鋼具有接近單相馬氏體的相結(jié)構(gòu)，消除了硬度分布不均勻，并提高了其硬度，對促進3D打印馬氏體結(jié)構(gòu)件的工程應(yīng)用具有促進作用。
【具體實施方式】
[0014]實施例1
提高ICr I INi 2W2MoV馬氏體不銹鋼3D打印結(jié)構(gòu)件的硬度。
[0015](I)以ICr I lNi2W2MoV馬氏體不銹鋼粉末為原材料，粉末平均粒徑為30微米，球形形貌;采用選區(qū)激光恪化3D打印工藝制造尺寸為I cm X I cm X I cm的結(jié)構(gòu)件試樣，激光功率400 W、掃描速率 0.01 m/s ο
[0016](2)將3D打印的lCrllNi2W2MoV馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件試樣在150°C進行低溫回火lh，之后利用液氮作為冷卻介質(zhì)，以5°C/min的降溫速率冷卻至-196°C，并在該溫度保溫Ih;然后以5°C/min的升溫速率升溫至室溫;最后將試樣在150°C進行低溫回火lh。
[0017](3)將處理后的試樣進行相結(jié)構(gòu)表征和硬度測試，發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體含量降低至5%以下，硬度值為39 HRC，比處理前提高約15%，且硬度分布均勻。
[0018]實施例2
提高3Cr 13馬氏體不銹鋼3D打印結(jié)構(gòu)件的硬度。
[0019](I)以3Crl3馬氏體不銹鋼粉末為原材料，粉末平均粒徑為30微米，球形形貌;采用選區(qū)激光熔化3D打印工藝制造尺寸為IcmX IcmX Icm的結(jié)構(gòu)件試樣，激光功率400 W、掃描速率0.01 m/s ο
[0020](2)將3D打印的3Crl3馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件試樣在200°C進行低溫回火lh，之后利用液氮作為冷卻介質(zhì)，以5°C/min的降溫速率冷卻至-196°C，并在該溫度保溫lh;然后以5°C/min的升溫速率升溫至室溫;最后將試樣在200°C進行低溫回火lh。
[0021] (3)將處理后的試樣進行相結(jié)構(gòu)表征和硬度測試，發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體含量降低至3%以下，硬度值為56 HRC，比處理前提高約10%，且硬度分布均勻。
【主權(quán)項】
1.一種提高3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件硬度的方法，其特征在于:其通過對3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件進行“低溫回火+超深冷處理+低溫回火”的熱處理，來降低或消除殘余奧氏體，并在馬氏體基體中析出具有增強作用的納米級碳化物。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件硬度的方法，其特征在于，具體步驟如下: 第一步:將3D打印的馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件在100-250°C之間進行低溫回火，以消除構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力，同時，內(nèi)應(yīng)力的消除也有利于殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變； 第二步:利用液氮作為冷卻介質(zhì)，將低溫回火處理后的3D打印不銹鋼結(jié)構(gòu)件冷卻至-196°C進行超深冷處理，并保持0-2小時，然后升溫至室溫； 第三步:將超深冷處理后的3D打印不銹鋼結(jié)構(gòu)件在100-250°C之間進行低溫回火，以消除超深冷處理在構(gòu)件中引起的內(nèi)應(yīng)力； 第四步:對上述處理后的3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件中的殘余奧氏體含量進行實驗測定，如殘余奧氏體含量仍較高，可重復(fù)進行上述超深冷處理步驟，直至殘余奧氏體的含量或硬度達到要求。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件硬度的方法，其通過對3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件進行“低溫回火+超深冷處理+低溫回火”的熱處理，來降低或消除殘余奧氏體，并在馬氏體基體中析出具有增強作用的納米級碳化物；本發(fā)明提出的方法解決了3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件中存在的硬度分布不均勻現(xiàn)象，并進一步提高了其硬度，對于改善3D打印馬氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件的力學性能，促進其工程應(yīng)用具有積極作用。
【IPC分類】C21D6/04
【公開號】CN105586477
【申請?zhí)枴緾N201610114473
【發(fā)明人】杜宇雷, 翟海平, 陶文明, 王慶, 江基興
【申請人】江蘇星火特鋼有限公司
【公開日】2016年5月18日
【申請日】2016年3月1日