一种增材制造含氮抗氢钢及其制备方法与流程

本发明涉及金属增材制造，尤其涉及一种金属增材制造含氮抗氢钢及其制备方法。

背景技术：

1、氢能源以其清洁无污染、能量转化效率高、可存储和可持续等诸多优点，成为全世界能源转型的焦点。但氢能源的储运，尤其是高压气态储氢过程中，氢原子会扩散到储氢容器内部，引起容器用材料的塑性损失，并导致裂纹扩展速率加快，即发生“氢脆”，严重威胁设备运行安全。含氮抗氢钢作为一类兼具强韧性、耐蚀性、抗氢脆等优异性能的金属材料，是氢能储运、核电设备、高压容器、石油化工加氢装置等极端工况领域不可或缺的关键结构材料。

2、传统冶炼制备含氮抗氢钢，为保障奥氏体相稳定性、抑制氢致开裂、氮含量必须严格控制在0.3 wt.%以上，部分高端抗氢钢氮含量甚至达到0.4～0.5 wt.%。高氮钢在凝固过程中易形成气泡，导致内部气孔和疏松，易产生“氢脆”，且高氮钢在热变形时易产生粗大的氮化物，降低热塑性，锻造或轧制时极易开裂，因此很难做出复杂结构。选区激光熔化（slm）增材制造工艺，采用逐层铺粉、选区熔化、层层叠加的工艺手段，可直接制造任意复杂内腔、一体化的金属构件，完美解决传统工艺难以制造复杂抗氢构件的难题，成为含氮抗氢钢高端构件制造的首选技术。

3、但采用slm金属增材制备含氮抗氢钢时，激光选区瞬时熔化成型，升降温速率极快，若含氮抗氢钢合金粉末体系设计不合理或工艺参数控制不当，难以稳定控制所得产品的氮含量，易产生气孔、未熔合、微裂纹等缺陷，柱状晶组织显著，内部缺陷与特殊组织导致钢材料氢脆敏感性偏高，临氢服役可靠性不足等问题，严重制约了高性能含氮抗氢钢增材制造的工业化应用，亟须突破传统设计理念，开发全新的制备工艺。

技术实现思路

1、鉴于上述分析，本发明提供了一种增材制造含氮抗氢钢及其制备方法，用以解决现有slm增材制造方法制备含氮抗氢钢存在的气孔严重、柱状晶组织显著、抗氢与力学性能差、充氢后性能衰减等技术问题，从而推动增材制造含氮抗氢钢的工业化应用。

2、一方面，本发明提供了一种增材制造含氮抗氢钢。

3、具体的，所述增材制造含氮抗氢钢，以质量百分数计，其化学成分为：n 0.18%～0.21%、mn 8.5%～9.5%、cr 19.0%～21.0%、ni 7.0%～8.0%，杂质o≤0.03%，余量为fe。

4、具体的，所述增材制造含氮抗氢钢，其沉积态坯体的致密度≥99.8%。

5、具体的，所述增材制造含氮抗氢钢，其沉积态坯体组织中含有0.5～2 vol.% δ-铁素体，δ-铁素体的晶粒尺寸≤1 μm。

6、具体的，所述含氮抗氢钢在室温下的抗拉强度≥820 mpa、屈服强度≥650 mpa、断面收缩率≥59%；饱和充氢条件下，断面收缩率≥55%。

7、另一方面，本发明还提供了一种增材制造含氮抗氢钢的制备方法，包括如下步骤：

8、s1：采用真空惰性气雾化法制备含氮抗氢钢粉末；

9、s2：将s1所述粉末装入slm成型舱，通入惰性气体，控制成型舱内氧含量≤100ppm；

10、s3：采用slm工艺对所述含氮抗氢钢粉末进行增材制造，得到含氮抗氢钢沉积态坯体；所述能量密度为78.7～101.2 j/mm³，激光功率为280～340 w，扫描速率为700～900mm/s；

11、s4：将含氮抗氢钢沉积态坯体进行加热去应力退火，获得含氮抗氢钢成品。

12、具体的，步骤s1中，所述含氮抗氢钢粉末，以质量百分数计，化学成分为：n 0.22%～0.24%、mn 8.5%～9.5%、cr 19.0%～21.0%、ni 7.0%～8.0%，杂质o ≤0.03%，余量为fe。

13、进一步地，步骤s1中，所述含氮抗氢钢粉末的颗粒粒径为15～53 μm，球形度≥90%，d50为30～45 μm。

14、具体的，步骤s2中，所述惰性气体为纯度不低于99.9%的氩气。

15、优选的，步骤s3中，所述能量密度为88.5～101.2 j/mm³，激光功率为300～340 w，扫描速率为700～800 mm/s。

16、具体的，步骤s4中，所述去应力退火的温度为300～500 ℃，保温时间≥2 h。

17、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

18、（1）本发明充分考虑slm成形过程中，氮元素存在稳定烧损的工艺特点，从原料粉末端开展合金成分体系的适配设计，通过对原料粉末氮含量进行预补偿，实现slm成形后的成品钢氮含量稳定处于0.18～0.21wt.%的性能最优区间；进一步优化mn、cr、ni等核心合金元素的配比，并严格控制杂质o含量，获得稳定奥氏体组织，改善基体强韧性与抗氢脆能力，减少气孔、熔合不良等冶金缺陷，所得含氮抗氢钢坯体的致密度可达99.8%以上。

19、（2）本发明通过对slm增材制造工艺参数的优化，结合本发明含氮抗氢钢合金成分体系的设计，可有效调控熔池凝固热力学条件，诱导生成体积分数为0.5～2 vol.%微量δ-铁素体，且铁素体晶粒尺寸≤1 μm。弥散分布的δ-铁素体可充当奥氏体异质形核位点，破坏熔池凝固过程中粗大柱状晶连续生长条件，实现基体晶粒细化，有利于提升钢材力学性能与抗氢性能稳定性。

20、（3）通过对合金成分体系与制备方法的协同优化，本发明制备的含氮抗氢钢具有“稳定奥氏体相、超低孔隙率、含微量δ-铁素体、超细晶粒”特点的复合微观结构，显著提高含氮抗氢钢的强度、塑性及抗氢性能。最终制备的含氮抗氢钢成品室温下的抗拉强度≥820mpa、屈服强度≥650 mpa、断面收缩率≥59%，在饱和充氢极端条件下，断面收缩率仍≥55%，远超传统增材制造抗氢钢力学水平。

21、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容来实现和获得。

1.一种增材制造含氮抗氢钢，其特征在于，以质量百分数计，化学成分为：n 0.18%～0.21%、mn 8.5%～9.5%、cr 19.0%～21.0%、ni 7.0%～8.0%，杂质o ≤0.03%，余量为fe。

2.根据权利要求1所述的增材制造含氮抗氢钢，其特征在于，其沉积态坯体的致密度≥99.8%。

3.根据权利要求1所述的增材制造含氮抗氢钢，其特征在于，其沉积态坯体的微观组织中含有0.5～2 vol.% δ-铁素体，δ-铁素体的晶粒尺寸≤1 μm。

4.根据权利要求1所述的增材制造含氮抗氢钢，其特征在于，所述含氮抗氢钢在室温下的抗拉强度≥820 mpa、屈服强度≥650 mpa、断面收缩率≥59%；饱和充氢条件下，断面收缩率≥55%。

5.一种如权利要求1～4任一项所述的增材制造含氮抗氢钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的增材制造含氮抗氢钢制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述含氮抗氢钢粉末，以质量百分数计，化学成分为：n 0.22%～0.24%、mn 8.5%～9.5%、cr19.0%～21.0%、ni 7.0%～8.0%，杂质o ≤0.03%，余量为fe。

7.根据权利要求6所述的增材制造含氮抗氢钢制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述含氮抗氢钢粉末的颗粒粒径为15～53 μm，球形度≥90%，d50为30～45 μm。

8.根据权利要求5所述的增材制造含氮抗氢钢的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述惰性气体为纯度不低于99.9%的氩气。

9.根据权利要求5所述的增材制造含氮抗氢钢的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述能量密度为88.5～101.2 j/mm³，激光功率为300～340 w，扫描速率为700～800 mm/s。

10.根据权利要求7所述的增材制造含氮抗氢钢的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述去应力退火的温度为300～500 ℃，保温时间≥2 h。