基于电弧熔丝增材制造300M钢的方法及300M钢

摘要

本发明公开了一种基于电弧熔丝增材制造300M钢的方法及300M钢。所述方法包括下列步骤：(1)利用电弧熔丝增材制造技术制备沉积态300M钢，该沉积态300M钢为马氏体与贝氏体的复合体，其中，贝氏体的含量小于6.5％；(2)对所述沉积态300M钢进行热处理得到所述300M钢，所述热处理包括：将所述沉积态300M钢加热并保温；将保温后的300M钢直接淬入淬火油中冷却至室温，使所述复合体转变为马氏体与残余奥氏体；将冷却后的300M钢进行一次回火，使所述马氏体转变为回火马氏体，残余奥氏体转变为马氏体；将完成一次回火的300M钢进行二次回火，使第一次回火形成的马氏体转变为回火马氏体；即可得到均匀的回火马氏体300M钢。本发明有效提升了电弧熔丝增材制造300M钢的力学性能。

权利要求

1.一种基于电弧熔丝增材制造300M钢的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：(1)利用电弧熔丝增材制造技术制备沉积态300M钢，该沉积态300M钢为马氏体与贝氏体的复合体，其中，贝氏体的含量小于6.5％；

(2)对所述沉积态300M钢进行热处理得到所述300M钢，所述热处理包括：将所述沉积态

300M钢以10‑15℃/min加热至890‑970℃，并保温1‑1.5h；将保温后的300M钢直接淬入淬火油中冷却至室温，使所述复合体转变为马氏体与残余奥氏体；将冷却后的300M钢进行一次回火，使所述马氏体转变为回火马氏体，残余奥氏体转变为马氏体；将完成一次回火的300M钢进行二次回火，使第一次回火形成的马氏体转变为回火马氏体；即可得到均匀的回火马氏体300M钢。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用电弧熔丝增材制造技术制备沉积态

300M钢时，采用的制备参数具体为：电弧熔丝增材制造的沉积材料为300M钢焊丝，电流140‑

220A，电压16‑21V，送丝速度50‑150mm/s，沉积速度3‑11mm/s，搭接率30‑50％。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用电弧熔丝增材制造技术制备沉积态

300M钢时，采用的制备参数具体为：电弧熔丝增材制造的沉积材料为300M钢焊丝，电流

190A，电压18.6V，送丝速度90mm/s，沉积速度6mm/s，搭接率45％。

4.如权利要求1‑3任一项所述的方法，其特征在于，所述300M钢包括下列重量百分含量的组分：C：0.38％，Si：1.76％‑1.80％，Mn：0.69‑0.71％，Cr：0.8‑0.83％，Ni：1.83‑1.93％，Cu：0.14‑0.15％，V：0.07％，Mo：0.34‑0.38％，余量为Fe。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一次回火具体包括：将冷却后的300M钢以10‑15℃/min加热至260‑310℃，保温1.5‑2h，并空冷至室温；所述二次回火具体包括：将完成一次回火的300M钢以10‑15℃/min加热至260‑310℃，保温1.5‑2h，并空冷至室温。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中利用电弧熔丝增材制造技术制备得到的沉积态300M钢的孔隙率小于0.1％；该沉积态300M钢的抗拉强度为1340‑

1550MPa，屈服强度为900‑1050MPa，延伸率为8‑18％。

7.一种根据权利要求1‑6任一项所述的方法制造得到的300M钢，其特征在于，所述300M钢为均匀的回火马氏体。

8.如权利要求7所述的300M钢，其特征在于，所述300M钢的孔隙率小于0.1％，所述300M钢的抗拉强度为1870‑2050MPa，屈服强度为1660‑1790MPa，延伸率为8‑14％。

说明书

基于电弧熔丝增材制造300M钢的方法及300M钢

技术领域

[0001] 本发明属于电弧熔丝增材制造技术领域，更具体地，涉及一种基于电弧熔丝增材制造300M钢的方法及300M钢。

背景技术

[0002] 超高强钢是用于制造承受较高应力结构件的一类合金钢，其被广泛应用于航空、航天、风电、核能等领域关键承力构件的制造，如飞机起落架、核电封头、风电法兰等。300M超高强钢，其具有强度高、断裂韧性高和抗腐蚀性能好等优点，并已经成为世界上应用最广泛和声誉最好的起落架用钢。300M超高强钢的构件通常是通过模锻生产制造的。然而，由于300M超高强钢的高应力集中敏感性和高变形阻力，用传统的制造方法很难制造出具有复杂几何形状的构件。同时，在传统制造工序的过程中，往往还存在材料利用率低、制造周期长和成品率低等问题。

[0003] 电弧熔丝增材制造是以金属丝材产生的电弧作为热源，熔化金属丝材并逐层堆积成形金属构件的一种快速成形技术，该技术具有效率高、成本低、成形零件自由度大的特点。但是，由于电弧增材制造过程具有快速加热冷却和多次热循环的特点，使得超高强钢中存在不均匀的冶金组织并伴随着较大的残余应力，导致材料的力学性能较差，无法达到工程应用标准。锻态的300M超高强钢的服役组织为回火马氏体，拉伸性能指标为：抗拉强度1860MPa，屈服强度1515MPa，延伸率8％。但电弧熔丝增材制造300M超高强钢的显微组织为马氏体+贝氏体，延伸率达到标准要求，但是强度远远低于标准要求。因此，如何提升通过电弧熔丝增材制造得到的300M的力学性能是目前研发人员关注的问题。

发明内容

[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于电弧熔丝增材制造300M钢的方法及300M钢，其目的在于通过优化电弧熔丝增材制造过程中的参数以及对电弧熔丝增材制造的300M钢进行热处理，得到均匀的回火马氏体300M钢，由此解决目前电弧熔丝增材制造300M钢的强度远远低于标准要求的技术问题。

[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于电弧熔丝增材制造300M钢的方法，所述方法包括下列步骤：

[0006] (1)利用电弧熔丝增材制造技术制备沉积态300M钢，该沉积态300M钢为马氏体与贝氏体的复合体，其中，贝氏体的含量小于6.5％；

[0007] (2)对所述沉积态300M钢进行热处理得到所述300M钢，所述热处理包括：将所述沉积态300M钢加热并保温；将保温后的300M钢直接淬入淬火油中冷却至室温，使所述复合体转变为马氏体与残余奥氏体；将冷却后的300M钢进行一次回火，使所述马氏体转变为回火马氏体，残余奥氏体转变为马氏体；将完成一次回火的300M钢进行二次回火，使第一次回火形成的马氏体转变为回火马氏体；即可得到均匀的回火马氏体300M钢。

[0008] 优选地，所述利用电弧熔丝增材制造技术制备沉积态300M钢时，采用的制备参数具体为：电弧熔丝增材制造的沉积材料为300M钢焊丝，焊丝直径为1.2mm，采用福尼斯CMT‑4000Advanced型电源，电流140‑220A，电压16‑21V，送丝速度50‑150mm/s，沉积速度3‑11mm/s，搭接率30‑50％。

[0009] 优选地，所述利用电弧熔丝增材制造技术制备沉积态300M钢时，采用的制备参数具体为：电弧熔丝增材制造的沉积材料为300M钢焊丝，焊丝直径为1.2mm，采用福尼斯CMT‑4000Advanced型电源，电流190A，电压18.6V，送丝速度90mm/s，沉积速度6mm/s，搭接率
45％。

[0010] 优选地，所述300M钢包括下列重量百分含量的组分：C：0.38％，Si：1.76％‑1.80％，Mn：0.69‑0.71％，Cr：0.8‑0.83％，Ni：1.83‑1.93％，Cu：0.14‑0.15％，V：0.07％，Mo：0.34‑0.38％，余量为Fe。

[0011] 优选地，所述将所述沉积态300M钢加热后保温，具体为：将所述沉积态300M钢以10‑15℃/min加热至890‑970℃，并保温1‑1.5h。

[0012] 优选地，所述一次回火具体包括：将冷却后的300M钢以10‑15℃/min加热至260‑310℃，保温1.5‑2h，并空冷至室温。

[0013] 优选地，所述二次回火具体包括：将完成一次回火的300M钢以10‑15℃/min加热至260‑310℃，保温1.5‑2h，并空冷至室温。

[0014] 优选地，所述步骤(1)中利用电弧熔丝增材制造技术制备得到的沉积态300M钢的孔隙率小于0.1％；该300M钢的抗拉强度为1340‑1550MPa，屈服强度为900‑1050MPa，延伸率为8‑18％。

[0015] 按照本发明的另一个发明，提供了一种根据上文所述的方法制备得到的300M钢，所述300M钢为均匀的回火马氏体。

[0016] 优选地，所述300M钢的孔隙率小于0.1％，所述300M钢的抗拉强度为1870‑2050MPa，屈服强度为1660‑1790MPa，延伸率为8‑14％。

[0017] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。

[0018] (1)本发明首先采用电弧熔丝增材制造得到马氏体+少量贝氏体的沉积态300M钢，并将贝氏体的含量控制在小于6.5％的范围，从而保证后续热处理能够实现全部转变为回火马氏体，若在电弧熔丝增材制造得到沉积态300M钢的过程中贝氏体的含量过高，会导致热处理后最终的300M钢强度降低。对电弧熔丝增材制造的沉积态300M超高强钢进行热处理，淬火后经过一次回火使得马氏体会转变为回火马氏体，并促使残余奥氏体转变为马氏体，然后经过二次回火，实现将在第一次回火中形成的马氏体也会转变为回火马氏体，从而得到均匀的回火马氏体。有效提高了电弧熔丝增材制造的300M超高强钢的抗拉强度和屈服强度，本发明中经过热处理得到的300M钢的抗拉强度为1870‑2050MPa，屈服强度为1660‑1790MPa，延伸率为8‑14％。有效解决了电弧熔丝增材制造300M超高强钢的组织不均匀、残余应力大和力学性能差等问题。

[0019] (2)本发明中通过电弧熔丝增材制造的制备参数的优化使得钢的孔隙率控制在一定范围，孔隙率也是影响钢的强度的重要因素之一，本发明中经过电弧熔丝增材制造的沉积态300M钢的孔隙率小于0.1％，热处理后能够得到孔隙率小于0.1％均匀的回火马氏体，为后续得到高强度钢提供了保障。若孔隙率较高，则热处理后的300M钢的强度明显降低。

[0020] (3)本发明中油淬前的加热温度高于完全奥氏体化温度60‑140℃即890‑970℃，这可以促进合金元素扩散，碳化物溶解，使组织均匀化。解决电弧熔丝增材制造过程中元素偏析的问题。

[0021] (4)本发明在一次回火过程中，由于残余奥氏体会转变为马氏体，马氏体的形成会增加材料的脆性并产生残余应力，但通过二次回火后，消除了残余应力，新形成的马氏体也进一步转变为回火马氏体，从而形成均匀的回火马氏体组织。

附图说明

[0022] 图1是本发明提供的基于电弧熔丝增材制造300M钢的方法中热处理的工艺参数示意图；

[0023] 图2是通过本发明实施例1提供的热处理前的沉积态300M钢的显微组织图；

[0024] 图3是通过本发明实施例1提供的热处理前的沉积态300M钢的应力应变曲线图；

[0025] 图4是通过本发明实施例1提供的热处理后的300M钢的显微组织图；

[0026] 图5是通过本发明实施例1提供的热处理后的300M钢的应力应变曲线图；

[0027] 图6是实施例2提供的热处理后的300M钢的光学显微镜图；

[0028] 图7是实施例3提供的热处理后的300M钢的光学显微镜图；

[0029] 图8是对比例1提供的热处理后的300M钢的光学显微镜图；

[0030] 图9是对比例3提供的热处理后的300M钢的显微组织图；

[0031] 图10是对比例2提供的热处理后的300M钢的显微组织图。

具体实施方式

[0032] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0033] 本发明首先提供了一种基于电弧熔丝增材制造300M钢的方法，所述方法包括下列步骤：

[0034] (1)利用电弧熔丝增材制造技术制备沉积态300M钢，该沉积态300M钢为马氏体与贝氏体的复合体，其中，贝氏体的含量小于6.5％；

[0035] (2)对所述沉积态300M钢进行热处理得到所述300M钢，所述热处理包括：将所述沉积态300M钢加热后保温1h；将保温后的300M钢直接淬入淬火油中冷却至室温，使所述复合体转变为马氏体与残余奥氏体；将冷却后的300M钢进行一次回火，使所述马氏体转变为回火马氏体，残余奥氏体转变为马氏体；将完成一次回火的300M钢进行二次回火，使第一次回火形成的马氏体转变为回火马氏体；即可得到均匀的回火马氏体300M钢。该热处理的过程参见图1。

[0036] 所述利用电弧熔丝增材制造技术制备沉积态300M钢时，采用的制备参数具体为：电弧熔丝增材制造的沉积材料为300M钢焊丝，焊丝直径为1.2mm，采用福尼斯CMT‑
4000Advanced型电源，电流140‑220A，电压16‑21V，送丝速度50‑150mm/s，沉积速度3‑11mm/s，搭接率30‑50％。

[0037] 所述利用电弧熔丝增材制造技术制备沉积态300M钢时，采用的制备参数具体为：电弧熔丝增材制造的沉积材料为300M钢焊丝，焊丝直径为1.2mm，采用福尼斯CMT‑
4000Advanced型电源，电流1900A，电压18.6V，送丝速度90mm/s，沉积速度6mm/s，搭接率
45％。

[0038] 所述300M钢包括下列重量百分含量的组分：C：0.38％，Si：1.76％‑1.80％，Mn：0.69‑0.71％，Cr：0.8‑0.83％，Ni：1.83‑1.93％，Cu：0.14‑0.15％，V：0.07％，Mo：0.34‑
0.38％，余量为Fe。

[0039] 所述将所述沉积态300M钢加热后保温，具体为：将所述沉积态300M钢以10‑15℃/min加热至890‑970℃，并保温1‑1.5h。

[0040] 所述一次回火具体包括：将冷却后的300M钢以10℃/min加热至260‑310℃，保温1.5‑2h，并空冷至室温。

[0041] 所述二次回火具体包括：将完成一次回火的300M钢以10℃/min加热至260‑310℃，保温1.5‑2h，并空冷至室温。

[0042] 所述步骤(1)中利用电弧熔丝增材制造技术制备得到的沉积态300M钢的孔隙率小于0.1％；该沉积态300M钢的抗拉强度为1340‑1550MPa，屈服强度为900‑1050MPa，延伸率为8‑18％。

[0043] 本发明还提供了一种根据上文所述的方法制备得到的300M钢，所述300M钢为均匀的回火马氏体。

[0044] 所述300M钢的孔隙率小于0.1％，所述300M钢的抗拉强度为1870‑2050MPa，屈服强度为1660‑1790MPa，延伸率为8‑14％。

[0045] 实施例1

[0046] 本实例中，电弧熔丝增材制造的沉积材料为300M超高强钢焊丝，焊丝直径为1.2mm，其化学成分按重量百分含量为，C：0.38％，Si：1.76％，Mn：0.69％，Cr：0.8％，Ni：
1.83％，Cu：0.14％，V：0.07％，Mo：0.34％，余量为Fe。

[0047] 电弧熔丝增材制造300M钢的制备技术参数为：福尼斯CMT‑4000Advanced型电源，电流200A，电压19V，送丝速度100mm/s，沉积速度7mm/s，搭接率45％。通过该电弧熔丝增材制造得到的沉积态300M钢的显微组织为马氏体+贝氏体，孔隙率小于0.1％，贝氏体含量为6.5％，如图2所示。经检测，沉积态300M超高强钢的抗拉强度为1349MPa，屈服强度为
905.5MPa，延伸率为13.1％，应力应变曲线如图3所示。

[0048] 对通过该电弧熔丝增材制造得到的沉积态300M钢进行热处理，其具体步骤为：(1)加热保温：将电弧熔丝增材制造的沉积态300M超高强钢以10℃/min加热至900℃，并保温1h；得到马氏体+少量残余奥氏体；(2)油淬：将保温后的300M超高强钢直接淬入淬火油中冷却至室温；(3)一次回火：将冷却后的300M超高强钢以10℃/min加热至300℃，保温1.5h，并空冷至室温；此过程中马氏体会转变为回火马氏体，残余奥氏体也开始分解，形成马氏体；
(4)二次回火：将冷却后的300M超高强钢再以10℃/min加热至300℃，保温1.5h，并空冷至室温，第一次回火形成的马氏体会转变为回火马氏体，从而得到均匀的回火马氏体组织。

[0049] 电弧熔丝增材制造300M钢在热处理后，显微组织为回火马氏体，孔隙率小于0.1％，如图4所示。经检测，热处理后300M超高强钢的抗拉强度为1903.6MPa，屈服强度为
1700.6MPa，延伸率为12.3％，应力应变曲线如图5所示。

[0050] 实例结果表明，本发明方法通过热处理改善了电弧熔丝增材制造300M超高强钢的组织结构，将其抗拉强度从1349MPa提升至1903.6MPa，提高了41.1％，屈服强度从905.5MPa提升至1700.6MPa，提高了87.8％，而延伸率几乎不变，并且使材料达到使用要求。

[0051] 实施例2‑3及对比例1‑2

[0052] 实施例2‑3及对比例1‑2采用与实施例1相同的方法制备300M钢，不同之处在于，在电弧熔丝增材制造300M钢的制备技术参数不同。具体请参见表1和表2。

[0053] 表1电弧熔丝增材工艺参数对孔隙率的影响，及孔隙率对拉伸强度和延伸率的影响

[0054]

[0055] 可以看出，低于本发明提供的电弧熔丝增材制造工艺中的电压和电流制备得到的300M钢的孔隙率大于1％，参见图6、图7和图8，图6为实施例2的光学显微镜图，图7为实施例
3的光学显微镜图，图8为对比例1的光学显微镜图，在经过相同的热处理之后，孔隙率大的
300M钢的抗拉强度和延伸率明显降低。

[0056] 表2电弧增材工艺参数对300M钢中贝氏体含量的影响，及对热处理后拉伸性能的影响

[0057]

[0058] 可以看出，高于本申请中提供的电弧熔丝增材制造工艺中的电压和电流制备得到的300M钢的贝氏体含量较高，在经过相同的热处理之后，孔隙率大的300M钢的抗拉强度明显降低。其中，对比例2的显微组织图请参见图10。

[0059] 对比例3

[0060] 对比例3采用与实施例1相同的方法制备300M钢，不同之处在于，在对所述300M钢进行热处理时，将300M钢以10℃/min加热至830℃(该温度即为淬火温度)，并保温1h。具体请参见表3。

[0061] 表3淬火温度对元素偏析的影响

[0062]

[0063] 可以看出，淬火温度对胞状晶形貌及消除元素偏析的影响。通过电弧熔丝增材得到的300M钢的晶体结构呈现典型的胞状结构，胞状晶内和晶间存在明显的元素偏析。因此本发明中采用较高的淬火温度，可以增加元素扩散系数，提高元素扩散速率，消除胞状晶形貌，消除元素偏析，使更多的元素溶解于奥氏体中，从而在随后的淬火中，形成固溶强化效果更好的马氏体，提高拉伸强度。通过对比例3(参见图9)可以看出，采用低于本申请中提供的淬火温度处理的300M钢未有效消除元素偏析，导致后续抗拉强度降低。

[0064] 实施例4

[0065] 本实施例采用与实施例1相同的方法制备300M钢，不同之处在于，电流190A，电压18.6V，送丝速度90mm/s，焊接速度6mm/s。

[0066] 本实施例得到的300M钢的孔隙率小于0.1％，300M钢的抗拉强度为2050MPa，屈服强度为1790MPa，延伸率为14％。

[0067] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。