不锈钢复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及不锈钢，具体而言，涉及一种不锈钢复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、316l不锈钢作为典型的奥氏体不锈钢，凭借优异的耐腐蚀性能与良好的力学性能，广泛应用于能源电力、海洋船舶及医疗器械等关键领域。同时，316l不锈钢也是增材制造中应用最为成熟的材料之一。随着高端装备对复杂结构一体化构件需求的日益增长，传统制造技术因成型难度大、加工工序繁琐等瓶颈，逐渐难以满足需求。选区激光熔化（slm）技术凭借近净成形及实现复杂异形结构一体化成型的优势，成为突破上述局限的重要手段。然而，奥氏体不锈钢在slm逐层熔凝及往复热循环的工艺特性影响下，中大型构件成形过程中的热积聚效应显著。在高温度梯度与结构约束应力的耦合作用下，材料易出现局部晶粒异常长大，甚至诱发凝固热裂纹；此外，晶界处cr23c6碳化物的析出会引发晶间贫铬现象，导致材料耐蚀性能显著下降。

2、为改善上述问题，现有技术主要通过改进扫描策略、调整合金元素成分或引入氮化物、氟化物等陶瓷增强相来制备钢基复合材料。然而，现有方案仍存在诸多局限：

3、中国专利申请cn120243903b采用slm技术制备tin增强双相不锈钢复合材料。虽然其在3.5% nacl溶液中的自腐蚀电位可达-0.03v~-0.13v，但存在明显缺陷：一是双相不锈钢（奥氏体和马氏体混合）在增材制造中的两相组织调控难度极高，受工件形状、扫描策略及基板状态等多因素影响，难以通过固定工艺参数实现精准调控；二是该材料易因热应力与相变应力耦合产生裂纹，且易析出fe-cr-mo σ相脆性相；三是其原料供应体系不如316l不锈钢完备，产业化推广阻力较大。

4、中国专利申请cn119457124a采用slm工艺制备了vn强化gcr15轴承钢基复合材料，但其基体gcr15为高碳马氏体钢，该类材料碳含量高，极易析出cr23c6碳化物导致晶界贫铬，耐蚀性能较差，无法满足海洋、化工及酸碱潮湿等腐蚀环境下的长期服役要求，工程应用受限。

5、综上所述，现有vn强化钢基复合材料多基于gcr15等高碳铬钢（马氏体钢），因易形成晶间贫铬区而导致耐蚀性差，且不适用于slm打印。双相钢的综合性能较好，但在增材制造的非平衡凝固及复杂热循环条件下，其两相组织取决于局部的热循环历程，难以通过固定工艺参数来调控，组织均匀性与工艺可重复性差。slm打印过程中反复热循环产生的热应力与相变应力相互耦合，会加剧开裂倾向，难以稳定控制成形质量。目前，尚缺乏一种既能兼顾高强度又能显著提升耐蚀性能的316l不锈钢增材制造方法。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种不锈钢复合材料及其制备方法，以解决现有技术中增材制造316l不锈钢的耐蚀性能不佳的问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种不锈钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤s1，将316l不锈钢粉末与氮化钒粉末混合，通过真空球磨，得到复合粉末；步骤s2，将复合粉末真空烘干后过筛，得到烘干粉末；步骤s3，将烘干粉末进行slm打印，得到不锈钢复合材料；复合粉末中，氮化钒粉末的重量百分含量≤3.5wt.%，氮化钒粉末的粒径范围为1~30μm，slm打印的扫描间距为70~110μm。

3、进一步地，步骤s1中，氮化钒粉末包括氮化钒细粉和氮化钒粗粉，氮化钒细粉的粒径范围大于等于1μm且小于10μm，氮化钒粗粉的粒径范围为10~30μm；优选地，氮化钒细粉与氮化钒粗粉的质量比为（10~20）:（80~90）；和/或316l不锈钢粉末的粒径范围为15~53μm。

4、进一步地，步骤s1中，复合粉末中，氮化钒粉末的重量百分含量为2~3.5wt.%。

5、进一步地，步骤s1中，真空球磨的转速为180~220r/min，时间为2~4h；和/或真空球磨的自转公转比为（2~4）:1，球料比为（3.5~4.5）:1；和/或真空球磨的磨球包括大球和小球，大球的直径为0.8~1.2cm，小球的直径为0.2~0.4cm，大球和小球的重量比为（2.5~3.5）:1。

6、进一步地，步骤s2中，真空烘干的温度为70~80℃，保温时间为6~10h；和/或过筛的筛网为200目。

7、进一步地，步骤s3中，slm打印的扫描间距为90~110μm；和/或slm打印的扫描速度为500~700mm/s。

8、进一步地，步骤s3中，slm打印的激光功率为250~350w。

9、进一步地，步骤s3中，slm打印的基板预热温度为100~150℃；和/或slm打印的层厚为30~50μm；和/或slm打印的体能量密度为75.76~166.67j/mm3。

10、根据本发明的另一方面，提供了一种不锈钢复合材料，使用上述的不锈钢复合材料的制备方法得到。

11、进一步地，不锈钢复合材料的致密度为98.11~99.81%，自腐蚀电位为-0.238~-0.044v，自腐蚀电流密度为3.2×10-9~9.4×10-8a/cm2。

12、应用本发明的技术方案，利用选区激光熔化制备耐蚀氮化钒（vn）/316l不锈钢复合材料，在316l不锈钢粉末中引入vn陶瓷颗粒作为增强相，通过球磨混粉的方式制备vn/316l不锈钢复合粉末，通过特定粒径vn颗粒的晶界钉扎作用，抑制slm成形过程中的晶粒异常长大，并通过vn颗粒的弥散强化作用阻碍裂纹扩展；vn的碳亲和力比铬更高，可优先与基体中的游离碳结合，抑制晶间贫铬现象。同时，通过slm技术制备不锈钢复合材料，并优化slm成形工艺参数，可以提升vn/316l不锈钢复合材料的耐蚀性。综上，本发明利用氮化钒作为第二相增强相并配合优化的slm工艺参数，能够有效抑制成形过程中的热积聚效应，从而避免局部晶粒异常长大、碳化物析出引发的晶界贫铬以及凝固热裂纹的产生，显著提升材料的耐蚀性能，且制备成本可控。

1.一种不锈钢复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的不锈钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，

3.根据权利要求1或2所述的不锈钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述复合粉末中，所述氮化钒粉末的重量百分含量为2~3.5wt.%。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的不锈钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，

5.根据权利要求1至4中任一项所述的不锈钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，

6.根据权利要求1至5中任一项所述的不锈钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，

7.根据权利要求1至6中任一项所述的不锈钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述slm打印的激光功率为250~350w。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的不锈钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，

9.一种不锈钢复合材料，其特征在于，使用权利要求1至8中任一项所述的不锈钢复合材料的制备方法得到。

10.根据权利要求9所述的不锈钢复合材料，其特征在于，所述不锈钢复合材料的致密度为 98.11~99.81%，自腐蚀电位为-0.238~-0.044v，自腐蚀电流密度为3.2×10-9~9.4×10-8a/cm2。