激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末及其制备方法

摘要

本发明涉及一种激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末及其制备方法，所述激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末以重量百分数计，包括：碳0.05～0.15%、硅0.1～0.4%、锰0.3～0.6%、铬8.0～12.0%、钨1.5～1.9%、钼0.1～0.8%、钒0.1～0.3%、钽0.1～0.3%、钇0.1～0.3%和铈0.01～0.1%，余量为铁，本发明的激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末具有优异的成形工艺性能，激光增材制造成形的组织为板条马氏体+弥散碳化物+弥散氧化物，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态，并且由于本发明的配方中添加有金属钇，钇在激光制造成形过程中会在微熔池中形成Y2O3，并快速凝固，弥散分布在成形组织中，在保证优异的组织致密度同时有效控制了成形组织中的夹杂物类型和含量。

权利要求

1.一种激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末，其特征在于，以重量百分数计，所述新型马氏体耐热钢合金粉末的组成为：碳0.05～0.15%；

硅0.1～0.4%；

锰0.3～0.6%；

铬8.0～12.0%；

钨1.5～1.9%；

钼0.1～0.8%；

钒0.1～0.3%；

钽0.1～0.3%；

钇0.1～0.3%；

铈0.01～0.1%；

余量为铁。

2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末，其特征在于，以重量百分数计，所述新型马氏体耐热钢合金粉末的组成为：碳0.1%、硅0.3%、锰0.5%、铬9.1%、钨1.5%、钼0.4%、钒0.2%、钽0.15%、钇0.15%和铈0.05%，余量为铁。

3.根据权利要求1所述的一种激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末，其特征在于，以重量百分数计，所述新型马氏体耐热钢合金粉末的组成为：碳0.15%、硅0.4%、锰0.5%、铬11.5%、钨1.5%、钼0.6%、钒0.2%、钽0.15%、钇0.3%和铈0.1%，余量为铁。

4.一种用于制备如权利要求1至3任一项所述的新型马氏体耐热钢合金粉末的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：配料→熔炼→真空气雾化→干燥→筛分；

具体如下：

（1）配料：按照目标成分进行配料；

（2）熔炼：将配好的金属锰、金属铬、金属钨、金属钼、金属钒和金属铁加入中频感应炉中，通电加热使其熔化，将其余配置好的原料作为补料依次加入熔化的合金溶液中，炉前调整成分合格后，出炉；

（3）真空气雾化：将步骤（2）最终得到的合金熔液雾化，雾化介质为氩气；

（4）干燥：采用远红外烘干机进行干燥；

（5）筛分：由筛粉机筛出粒度范围为150～350目的粉末作为成品粉，即为所需的新型马氏体耐热钢合金粉末。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，将原料中的碳块、原料硅、金属钽、金属铈和金属钇作为补料，并在其余原材料熔化后依次加入所述中频感应炉中。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，通过加入原料中的金属铈进行脱氧处理，脱氧处理的时间为1～2min；控制碳含量和合金含量达到要求后，再添加原料中的金属钇。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，合金溶液的出炉温度为

1450～1500℃。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：加入补料时所述中频感应炉内的温度控制在1500 1550℃。

~

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的雾化压力为2～10MPa。

10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤（4）中的烘干温度为200～250℃。

说明书

激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及合金粉末技术领域，具体涉及一种激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末及其制备方法。

背景技术

[0002] 目前用于高温的耐热钢常规制备方法有两种，一种是冶炼后热加工成形，一种是热等静压成形。前者主要以P91和P92耐热钢为代表，但是由于析出相以M23C6和MX为主，这两种析出相在高温长期服役下容易聚集粗化或转变为粗大Laves相Z相，导致高温服役性能显著下降。ODS耐热钢粉末通过添加Y2O3粉末热等静压成形，由于设备的限制成形的零件尺寸有限，成形原理也决定了不可避免存在大量的孔隙，影响产品的力学性能。因此设计激光制造专用的新型马氏体耐热钢合金粉末，通过激光增材制造可以制备出结构复杂，大型复杂的耐热钢结构件。

发明内容

[0003] 本发明提供一种激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末，通过优化配方并在合金粉末中添加钇元素，在激光制造成形过程中在微熔池中形成Y2O3，并快速凝固，弥散分布在成形组织中，在保证优异的组织致密度的同时可有效控制成形组织中夹杂物类型和含量。

[0004] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末，以重量百分数计，包括：

[0005] 碳0.05～0.15％；

[0006] 硅0.1～0.4％；

[0007] 锰0.3～0.6％；

[0008] 铬8.0～12.0％；

[0009] 钨1.5～1.9％；

[0010] 钼0.1～0.8％；

[0011] 钒0.1～0.3％；

[0012] 钽0.1～0.3％；

[0013] 钇0.1～0.3％；

[0014] 铈0.01～0.1％；

[0015] 余量为铁。

[0016] 进一步的，以重量百分数计，所述新型马氏体耐热钢合金粉末包括：碳0.1％、硅0.3％、锰0.5％、铬9.1％、钨1.5％、钼0.4％、钒0.2％、钽0.15％、钇0.15％和铈0.05％，余量为铁。

[0017] 进一步的，以重量百分数计，所述新型马氏体耐热钢合金粉末包括：碳0.15％、硅0.4％、锰0.5％、铬11.5％、钨1.5％、钼0.6％、钒0.2％、钽0.15％、钇0.3％和铈0.1％，余量为铁。

[0018] 本发明还提供一种用于制备上述新型马氏体耐热钢合金粉末的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：配料→熔炼→真空气雾化→干燥→筛分；

[0019] 具体如下：

[0020] (1)配料：按照目标成分进行配料；

[0021] (2)熔炼：将配好的金属锰、金属铬、金属钨、金属钼、金属钒和金属铁加入中频感应炉中，通电加热使其熔化，将其余配置好的原料作为补料依次加入熔化的合金溶液中，控制氧含量和碳含量达到要求，炉前调整成分合格后，出炉；

[0022] (3)真空气雾化：将步骤(2)最终得到的合金熔液雾化，雾化介质为氩气；

[0023] (4)干燥：采用远红外烘干机进行干燥；

[0024] (5)筛分：由筛粉机筛出粒度范围为150～350目的粉末作为成品粉，即为所需的新型马氏体耐热钢合金粉末。

[0025] 进一步的，所述步骤(2)中，将原料中的碳块、原料硅、金属钽、金属铈和金属钇作为补料，并在其余原材料熔化后依次加入所述中频感应炉中。

[0026] 进一步的，所述步骤(2)中，通过加入原料中的金属铈进行脱氧处理，脱氧处理的时间为1～2min；控制碳含量和合金含量达到要求后，再添加原料中的金属钇。

[0027] 进一步的，所述步骤(2)中，合金溶液的出炉温度为1450～1500℃

[0028] 进一步的，加入补料时所述中频感应炉内的温度控制在1500～1550℃。

[0029] 进一步的，所述步骤(3)中的雾化压力为2～10MPa。

[0030] 进一步的，所述步骤(4)中的烘干温度为200～250℃。

[0031] 采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末具有优异的成形工艺性能，激光增材制造成形的组织为板条马氏体+弥散碳化物+弥散氧化物，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态；并且由于本发明的配方中添加有金属钇，钇在激光制造成形过程中会在微熔池中形成Y2O3，并快速凝固，弥散分布在成形组织中，在保证优异的组织致密度同时有效控制了成形组织中的夹杂物类型和含量。

附图说明

[0032] 附图1为本发明实施例1得到的金相组织图；

[0033] 附图2为本发明实施例2得到的金相组织图；

[0034] 附图3为本发明实施例3得到的金相组织图；

[0035] 附图4为本发明实施例4得到的金相组织图。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

[0037] 本发明提供一种激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末，以重量百分数计，包括：碳0.05～0.15％、硅0.1～0.4％、锰0.3～0.6％、铬8.0～12.0％、钨1.5～1.9％、钼0.1～0.8％、钒0.1～0.3％、钽0.1～0.3％、钇0.1～0.3％和铈0.01～0.1％，余量为铁。

[0038] 本发明还提供一种制备上述新型马氏体耐热钢合金粉末的方法，包括以下工艺步骤：配料→熔炼→真空气雾化→干燥→筛分；

[0039] 具体如下：

[0040] (1)配料：采用金属锰、金属铬、金属钨、金属钼、金属钒、金属铁、碳块、原料硅、金属钽、金属铈和金属钇作为原材料按照目标成分进行配料。

[0041] (2)熔炼：

[0042] (2.1)将配好的金属锰、金属铬、金属钨、金属钼、金属钒和金属铁加入中频感应炉中，通电加热使其熔化，碳块、原料硅、金属钽、金属铈和金属钇作为补料。

[0043] (2.2)将配置好的碳块、原料硅和金属钽依次加入熔化的合金溶液中。

[0044] (2.3)通过加入金属铈进行脱氧处理，脱氧处理的时间为1～2min。

[0045] (2.4)控制碳含量和合金含量达到要求后，再添加金属钇，炉前调整成分合格后，出炉，出炉温度为1450～1500℃。

[0046] 优选的，加入补料时中频感应炉内的温度控制在1500～1550℃。步骤(2.4)中，中间漏包采取保温措施。

[0047] (3)真空气雾化：将步骤(2)最终得到的合金熔液雾化，雾化介质为氩气，雾化压力为2～10MPa。

[0048] (4)干燥：采用远红外烘干机，烘干温度为200～250℃。

[0049] (5)筛分：由筛粉机筛出粒度范围为150～350目的粉末作为成品粉，即为所需的新型马氏体耐热钢合金粉末。

[0050] 本发明所用的原料其来源没有限制，均为市售商品。

[0051] 采用GB/T223《钢铁及合金化学分析方法》的标准，测试由上述步骤所制得的新型马氏体耐热钢合金粉末的成分，检测结果为，以重量百分数计，包括：碳0.05～0.15％、硅0.1～0.4％、锰0.3～0.6％、铬8.0～12.0％、钨1.5～1.9％、钼0.1～0.8％、钒0.1～0.3％、钽0.1～0.3％、钇0.1～0.3％和铈0.01～0.1％，余量为铁。

[0052] 将上述新型马氏体耐热钢合金粉末冷却至室温后采用激光增材制造的方法制成具有复杂流道结构的零部件，其步骤如下：

[0053] (1)三维建模，使用图像分层软件进行切片分层，同时使用路径规划软件进行成形路径设计。

[0054] (2)选取不同的工艺参数，分析工艺对组织和性能的影响，提出最佳工艺参数，根据预先制定的成形路径打印零部件。

[0055] (3)进行表面清理，去应力退火等后处理，获得质量优良的零部件。

[0056] 将上述获得的零部件进行切片、研磨、抛光、腐蚀后进行金相组织观察，可以看到组织致密，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态，成形的组织为板条马氏体+弥散碳化物+弥散氧化物，组织中可见弥散分布于组织中的细小Y2O3析出相。

[0057] 本发明的新型马氏体耐热钢合金粉末中各元素的作用如下：

[0058] (1)硅元素：主要用于提高合金粉末的成形工艺性。

[0059] (2)锰元素：降低A1点，促进M6C析出。

[0060] (3)铬元素：用于保证耐腐蚀性和抗高温氧化性，铬同时也是铁素体形成元素，有利于淬火后得到马氏体组织以改善力学性能。

[0061] (4)钨元素：是影响耐热钢强度和韧脆转变温度DBTT的重要元素，在能保证所需的高温强度的情况下，由于钨也能促进析出大量的Laves相将显著恶化韧性，因此也需要控制钨含量来尽量减少成形过程中Laves相析出的可能性。

[0062] (5)钼元素：通过析出M6C用以提高高温强度，同时，钼元素也能起到固溶强化的作用，通过影响扩散的方式阻止奥氏体晶粒长大。

[0063] (6)钒元素和钽元素：用于在较高温度就形成MX颗粒，VN和TaC在较低温度才析出，这些细小弥散的碳化物颗粒对位错起钉扎作用，可以改善力学性能和高温蠕变性能。

[0064] (7)铈元素：用于合金熔炉时脱氧，具有优异的脱氧效果，从而控制氧含量，避免后续添加的钇元素被氧化，提高收得率。

[0065] (8)钇元素：用于增材制造过程中微熔池冶金过程中与氧发生反应，原位形成细小弥散的Y2O3，提高板条马氏体的热稳定性，改善高温服役性能。

[0066] 以下是优选实施例：

[0067] 实施例1

[0068] 首先按照以下配比进行配料，以重量百分数计，包括0.07％碳、0.2％硅、0.5％锰、8.0％铬、1.5％钨、0.1％钼、0.15％钒、0.15％钽、0.1％钇和0.02％铈，余量为铁。

[0069] 将配好的金属锰、金属铬、金属钨、金属钼、金属钒和金属铁加入中频感应炉中，通电加热使其熔化，碳块、原料硅、金属钽、金属铈和金属钇作为补料加入，加入补料时中频感应炉内的温度控制在1520℃。将配置好的碳块、原料硅和金属钽依次加入熔化的合金溶液中。通过加入金属铈进行脱氧处理，脱氧处理的时间为1min。控制碳含量和合金含量达到要求后，再添加金属钇，炉前调整成分合格后，出炉，出炉温度为1460℃。将合金熔液雾化以制备合金粉末，雾化介质为氩气，雾化压力为4MPa。采用远红外烘干机对合金粉末进行烘干，烘干温度为210℃。然后由筛粉机筛出粒度范围为100目～350目的粉末作为成品粉。

[0070] 将上述成品粉冷却至室温后采用激光增材制造的方法制成具有复杂流道结构的零部件。

[0071] 将上述制得的零部件进行切片、研磨、抛光、腐蚀后进行金相组织观察，得到的金相组织图片如图1所示，由图1可知，本发明实施例1制备得到的零部件组织致密，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态，成形的组织为板条马氏体+弥散碳化物+弥散氧化物，组织中可见弥散分布于组织中的细小Y2O3析出相。

[0072] 从本发明实施例1制备得到的零部件上取样并进行力学性能测试，测试结果如表1所示。表1为本发明的各个实施例提供的新型马氏体耐热钢合金粉末的成分和所制得的复杂流道结构的力学性能测试结果。

[0073] 实施例2

[0074] 按照实施例1所述的方法制备复杂流道结构的零部件，与实施例1不同的是，本实施例按照下述目标成分进行配料，以重量百分数计，包括0.1％碳、0.3％硅、0.5％锰、9.1％铬、1.5％钨、0.4％钼、0.2％钒、0.15％钽、0.15％钇和0.05％铈，余量为铁。新型马氏体耐热钢合金粉末的制备过程中，加入补料时中频感应炉内的温度控制在1500℃，出炉温度1450℃，雾化压力为6MPa，远红外烘干机的烘干温度为230℃。然后由筛粉机筛出粒度范围为100目～350目的粉末作为成品粉。附图2为本发明实施例2制备得到的具有复杂流道结构的零部件的金相组织图片。

[0075] 按照实施例1所述的方法，从本发明实施例2制备得到的零部件上取样并进行力学性能测试，测试结果如表1所示。

[0076] 实施例3

[0077] 按照实施例1所述的方法制备复杂流道结构的零部件，与实施例1不同的是，本实施例按照下述目标成分进行配料，以重量百分数计，包括0.11％碳、0.4％硅、0.5％锰、9.1％铬、1.5％钨、0.4％钼、0.2％钒、0.15％钽、0.3％钇和0.05％铈，余量为铁。新型马氏体耐热钢合金粉末的制备过程中，加入补料时中频感应炉内的温度控制在1540℃，出炉温度1480℃，雾化压力为6.5MPa，远红外烘干机的烘干温度为250℃。然后由筛粉机筛出粒度范围为100目～350目的粉末作为成品粉。附图3为本发明实施例3制备得到的具有复杂流道结构的零部件的金相组织图片。

[0078] 按照实施例1所述的方法，从本发明实施例3制备得到的零部件上取样并进行力学性能测试，测试结果如表1所示。

[0079] 实施例4

[0080] 按照实施例1所述的方法制备复杂流道结构的零部件，与实施例1不同的是，本实施例按照下述目标成分进行配料，以重量百分数计，包括0.15％碳、0.4％硅、0.5％锰、11.5％铬、1.5％钨、0.6％钼、0.2％钒、0.15％钽、0.3％钇和0.1％铈，余量为铁。新型马氏体耐热钢合金粉末的制备过程中，加入补料时中频感应炉内的温度控制在1550℃，出炉温度1500℃，雾化压力为8MPa，远红外烘干机的烘干温度为235℃。然后由筛粉机筛出粒度范围为100目～350目的粉末作为成品粉。附图4为本发明实施例4制备得到的具有复杂流道结构的零部件的金相组织图片。

[0081] 按照实施例1所述的方法，从本发明实施例4制备得到的零部件上取样并进行力学性能测试，测试结果如表1所示。

[0082] 表1

[0083]

[0084] 由表1可知，本发明的激光增材制造用新型马氏体耐热钢合金粉末具有优异的成形工艺性能，激光增材制造制备得到的复杂流道结构具有较好的力学性能，成形的组织为板条马氏体+弥散碳化物+弥散氧化物，组织致密，晶粒细小均匀，无柱状晶组织形态。由于本发明的配方中添加有金属钇，钇在激光制造成形过程中会在微熔池中形成Y2O3，并快速凝固，弥散分布在成形组织中，在保证优异的组织致密度同时有效控制了成形组织中的夹杂物类型和含量。

[0085] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。