一种选区激光熔化增材制造用高强高韧不锈钢粉末的制备方法与流程

1.本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种选区激光熔化增材制造用高强高韧不锈钢粉末的制备方法。


背景技术：

2.目前，通过金属增材制造技术成形的金属材料零部件正逐渐被应用于航空航天、医疗器械、汽车制造等领域，典型的金属增材制造技术有激光选区熔化、电子束选区熔化、激光立体成形、电子束熔丝沉积等，激光选区熔化技术（slm）是激光在充满惰性气体的舱室中按特定路径扫描铺粉器预先铺放的一层金属粉末，金属熔化并与前一层形成冶金结合，如此层层堆积，形成所需实体；该技术所采用的金属粉末细小（15-53μm），铺粉层薄（≤0.05mm），具有高的尺寸精度（
±
0.05mm）和表面质量（粗糙度ra≤10），采用slm可以制作传统方法无法加工的复杂结构，如多孔结构和点阵结构等。
3.金属粉末的制备技术是使金属、合金或金属化合物通过一系列物理化学变化将其从固态、液态或气态转变成粉末状态，传统粉末冶金所制备的粉末材料由于粒径大、球形度差、流动性不好等原因很难应用到选区激光熔化增材制造领域；经过多年发展，气雾化制粉技术已经成为生产高性能球形金属及合金粉末的主要方法，也成为当前用于生产选区激光熔化增材制造用高性能金属粉末的主流技术，但当前气雾化技术制备的粉末中符合要求的粉末收得率不高，同时制备的粉末通过选区激光增材制造技术制备的试件性能较差，尤其是强度和韧性，不能满足实际需求。
4.气雾化过程中雾化喷嘴是雾化的关键,是雾化设备中最重要的组成部分，气雾化喷嘴存在以下两种缺陷：（1）通过机加工制备，但由于内部气路的构造受加工工艺的局限只能采取分体式锻造，然后组合到一起通过电焊等形式组装使用，尺寸精度差，材料消耗大，使用寿命短，雾化效果差，符合要求的粉末收得率比较低；（2）熔模铸造工艺，采用3d打印工艺sls制备聚苯乙烯模芯，接着制备外部耐温壳体，然后通过焙烧去除模芯材料，最后浇注金属材料，脱壳得到成品；目前采用聚苯乙烯材料通过高压蒸汽脱蜡，容易残留在型壳中，最终造成铸件产生夹渣缺陷，且在焙烧中产生大量黑烟，污染较重。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供一种选区激光熔化增材制造用高强高韧不锈钢粉末的制备方法，通过调整成分配比，采用环保型聚苯乙烯粉末3d打印模芯和优化后的熔模铸造工艺制备，喷嘴尺寸精度高，制备过程无污染，脱蜡彻底，使用寿命更长，雾化效果好，符合要求的粉末收得率高；制备的粉末流动性好，通过激光选区增材制造的测试件力学性能明显提高：rm（抗拉强度）≥1000mpa，rp0.2（屈服强度，非比例延伸率为0.2%时的延伸强度）≥900mpa，a5（断后伸长率）≥10%，z（断面收缩率）≥40%。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种选区激光熔化增材制造用高强高韧不锈钢粉末的制备方法，其步骤如下：s1：选取符合成分设计的金属元素料进行配料，炉内抽真空小于500pa，原料真空感应加热熔化，熔炼温度1300-1800℃，钢液完全化清后继续精炼10-60min，直到熔池停止冒泡，炉料完全化清至液面平静，保持2-10min，金属液浇入中间包保温坩埚，经保温坩埚底部导流管流入超音速气雾化喷嘴；s2：通入高压惰性氩气，经过拉瓦尔结构腔体加速，形成超音速气流，气体压力3mpa-8mpa，将落入雾化区的金属液冲击破碎，使其雾化成细微的金属液滴；s3：液滴在空中受表面张力变为球形颗粒，在雾化室内快速冷却凝固成为金属粉末，再经过旋风分离系统将金属粉末收集；s4：对制备的粉末按要求进行筛分，制得符合要求的粉末产品，目标粉末粒径：15-53μm。
7.步骤s1中成分设计配料为：c：《0.035%、cr：10～15%、ni：7～11%、mo：1.0～3.5%、co：0.1～0.5%、cu：0.9～1.3%、ti：《0.1%、mn：《0.07%、nb：0.05～0.1%、y：0.2～0.8%、la：《0.02%，余量为fe。
8.进一步地，成分设计配料为：c：《0.02%、cr：11.2～13.8%、ni： 8.5～10.7%、mo：1.2～2.5%、co：0.2～0.38%、cu：1.1～1.15%、ti：《0.08%、mn：《0.05%、nb：0.055～0.075%、y： 0.33～0.65%、la：《0.03%，余量为fe。
9.步骤s1中所述气雾化喷嘴包括2个进气口、导流管粘结口、拉乌尔型腔和环缝喷口，左右两侧分别设一个进气口，两个进气口相互对称，进气口末端均设拉乌尔型腔，拉乌尔型腔下端设环缝喷口，进气口与拉乌尔型腔、环缝喷口内部连通构成喷嘴，喷嘴外壳正面中心处留有导流管粘结口。
10.步骤s1中气雾化喷嘴的制备方法步骤如下：s1：选择苯乙烯、丙烯酸酯、乙酸乙烯单体为共聚原料，苯乙烯、丙烯酸酯、乙酸乙烯含量分别为：20-60%、15-40%、20-54%，加入引发剂过硫酸铵、乳化剂十二烷基苯磺酸钠，进行乳液聚合，聚合温度为30-110℃，通过液氮冷冻机械磨粉法制备成粉末；s2：用上述制得的环保型聚烯烃复合粉末材料，依据设计好的喷嘴文件数据进行sls打印制备，打印模型时激光扫描速度为1000-2400mm
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，分层厚度为0.1-0.5mm，扫描间距为0.1-0.4mm，粉末预热温度为40-100℃，铺粉速度为5-50mm
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，接着制备外部耐温型壳，采用高温焙烧汽化脱蜡，先在100℃～350℃使大部分蜡流出，而后升温至500℃～950℃烧失残余部分ps粉原型；s3：升温至1000℃～1200℃进行型壳的高温焙烧，最终使用316l不锈钢液浇注得到气雾化喷嘴。
11.进一步地，所述苯乙烯、丙烯酸酯、乙酸乙烯共聚物（ａ）中含量分别为：30-46%、20-35%、25-42%。
12.进一步地，所述苯乙烯、丙烯酸酯、乙酸乙烯共聚温度为65-77℃。
13.进一步地，所述打印模型制备时激光扫描速度为1700-1900mm
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。
14.进一步地，所述打印模型时分层厚度为0.15-0.2mm，扫描间距为0.25-0.28mm，粉末预热温度为60-80℃，铺粉速度为15-20mm
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。
15.进一步地，所述熔模用打印模型初始脱蜡温度为220-280℃。
16.进一步地，所述熔模用打印模型剩余部分烧失温度630-750℃。
17.与现有技术相比，本发明取得的有益效果：（1）采用自制环保型聚苯乙烯粉末结合3ｄ打印工艺制备熔模铸造所需喷嘴模芯，尺寸更精确，消除制备喷嘴脱蜡过程产生大量黑烟的污染问题，制备过程更环保，同时在脱蜡时能够完全脱除，解决由于脱蜡存在残留造成最终制品有瑕疵的问题；（2）采用自制一体化气雾化喷嘴，喷嘴尺寸精度高，使用寿命更长，雾化效果好，符合要求的粉末收得率高；（3）采用合理的成分比例，制备的粉末流动性明显改善，通过选区激光熔化制备的增材制造测试件性能有明显提升，尤其是强度和韧性。
附图说明
18.图1为雾化喷嘴的结构示意图；1、进气口；2、导流管粘结口；3、拉乌尔型腔；4、环缝喷口。
具体实施方式
19.下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
20.如图1所示，所述气雾化喷嘴包括2个进气口1、导流粘结口2、拉乌尔型腔3和环缝喷口4，左右两侧分别设一个进气口1，两个进气口相互对称，进气口末端均设拉乌尔型腔3，拉乌尔型腔3下端设环缝喷口4，进气口1与拉乌尔型腔3、环缝喷口4内部连通构成喷嘴，喷嘴外壳正面中心处留有导流管粘结口2。
21.实施例1一种选区激光熔化增材制造用高强高韧不锈钢粉末的制备方法，其步骤如下：s1：选取符合成分设计的金属元素料进行配料，炉内抽真空小于500pa，原料真空感应加热熔化，熔炼温度1300-1800℃，钢液完全化清后继续精炼10-60min，直到熔池停止冒泡，炉料完全化清至液面平静，保持2-10min，金属液浇入中间包保温坩埚，经保温坩埚底部导流管流入超音速气雾化喷嘴；s2：通入高压惰性氩气，经过拉瓦尔结构腔体加速，形成超音速气流，气体压力3mpa-8mpa，将落入雾化区的金属液冲击破碎，使其雾化成细微的金属液滴；s3：液滴在空中受表面张力变为球形颗粒，在雾化室内快速冷却凝固成为金属粉末，再经过旋风分离系统将金属粉末收集；s4：对制备的粉末按要求进行筛分，制得符合要求的粉末产品。
22.步骤s1中成分设计配料为：c：0.018%、cr：12.5%、ni：10%、mo：1.8%、co：0.3%、cu：1.14%、ti：0.07%、mn：0.04%、nb：0.06%、y：0.58%、la：0.025%，余量为fe。
23.步骤s1中气雾化喷嘴的制备方法步骤如下：s1：选择苯乙烯、丙烯酸酯、乙酸乙烯单体为共聚原料，苯乙烯、丙烯酸酯、乙酸乙烯共聚物中含量分别为：32%、28%、40%，加入引发剂过硫酸铵，乳化剂十二烷基苯磺酸钠，进行乳液聚合，共聚温度为68℃，通过液氮冷冻后机械研磨制备成粉末；s2：用上述制得的环保型聚烯烃复合粉末材料，依据设计好的喷嘴文件数据进行
sls打印制备，接着制备外部耐温型壳，打印模型制备时激光扫描速度为1750mm
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，分层厚度为0.18mm，扫描间距为0.26mm，粉末预热温度为65℃，铺粉速度为16mm
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，采用高温焙烧汽化脱蜡，先在230℃使大部分蜡流出，而后升温至650℃烧失残余部分ps粉原型；s3：升温至1000℃～1200℃进行型壳的高温焙烧，最终使用316l不锈钢液浇注得到气雾化喷嘴。
24.实施例2一种选区激光熔化增材制造用高强高韧不锈钢粉末的制备方法，其步骤如下：s1：选取符合成分设计的金属元素料进行配料，炉内抽真空小于500pa，原料真空感应加热熔化，熔炼温度1300-1800℃，钢液完全化清后继续精炼10-60min，直到熔池停止冒泡，炉料完全化清至液面平静，保持2-10min，金属液浇入中间包保温坩埚，经保温坩埚底部导流管流入超音速气雾化喷嘴；s2：通入高压惰性氩气，经过拉瓦尔结构腔体加速，形成超音速气流，气体压力3mpa-8mpa，将落入雾化区的金属液冲击破碎，使其雾化成细微的金属液滴；s3：液滴在空中受表面张力变为球形颗粒，在雾化室内快速冷却凝固成为金属粉末，再经过旋风分离系统将金属粉末收集；s4：对制备的粉末按要求进行筛分，制得符合要求的粉末产品。
25.步骤s1中成分设计配料为：c：0.018%、cr：12.5%、ni：10%、mo：1.8%、co：0.3%、cu：1.14%、ti：0.07%、mn：0.04%、nb：0.06%、y：0.58%、la：0.025%，余量为fe。
26.步骤s1中气雾化喷嘴的制备方法步骤如下：s1：选择苯乙烯、丙烯酸酯、乙酸乙烯单体为共聚原料，苯乙烯、丙烯酸酯、乙酸乙烯共聚物中含量分别为：40%、30%、30%，加入引发剂过硫酸铵、乳化剂十二烷基苯磺酸钠，进行乳液聚合，共聚温度为72℃，通过冷冻磨粉法制备成粉末；s2：用上述制得的环保型聚烯烃复合粉末材料，依据设计好的喷嘴文件数据进行sls打印制备，接着制备外部耐温型壳，打印模型制备时激光扫描速度为1800mm
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，分层厚度为0.16mm，扫描间距为0.27mm，粉末预热温度为70℃，铺粉速度为18mm
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，采用高温焙烧汽化脱蜡，先在270℃使大部分蜡流出，而后升温至700℃烧失残余部分ps粉原型；s3：升温至1000℃～1200℃进行型壳的高温焙烧，最终使用316l不锈钢液浇注得到气雾化喷嘴。
27.实施例3一种选区激光熔化增材制造用高强高韧不锈钢粉末的制备方法，其步骤如下：s1：选取符合成分设计的金属元素料进行配料，炉内抽真空小于500pa，原料真空感应加热熔化，熔炼温度1300-1800℃，钢液完全化清后继续精炼10-60min，直到熔池停止冒泡，炉料完全化清至液面平静，保持2-10min，金属液浇入中间包保温坩埚，经保温坩埚底部导流管流入超音速气雾化喷嘴；s2：通入高压惰性氩气，经过拉瓦尔结构腔体加速，形成超音速气流，气体压力3mpa-8mpa，将落入雾化区的金属液冲击破碎，使其雾化成细微的金属液滴；s3：液滴在空中受表面张力变为球形颗粒，在雾化室内快速冷却凝固成为金属粉末，再经过旋风分离系统将金属粉末收集；s4：对制备的粉末按要求进行筛分，制得符合要求的粉末产品。
28.步骤s1中成分设计配料为：c：0.018%、cr：12.5%、ni：10%、mo：1.8%、co：0.3%、cu：1.14%、ti：0.07%、mn：0.04%、nb：0.06%、y：0.58%、la：0.025%，余量为fe。
29.步骤s1中气雾化喷嘴的制备方法步骤如下：s1：选择苯乙烯、丙烯酸酯、乙酸乙烯单体为共聚原料，所述苯乙烯、丙烯酸酯、乙酸乙烯共聚物中含量分别为：25%、33%、42%，加入引发剂过硫酸铵、乳化剂十二烷基苯磺酸钠，进行乳液聚合，共聚温度为75℃，通过液氮冷冻后机械研磨制备成粉末；s2：用上述制得的环保型聚烯烃复合粉末材料，依据设计好的喷嘴文件数据进行sls打印制备，接着制备外部耐温型壳，打印模型制备时激光扫描速度为1850mm
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，分层厚度为0.19mm，扫描间距为0.26mm，粉末预热温度为75℃，铺粉速度为19mm
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，采用高温焙烧汽化脱蜡，先在255℃使大部分蜡流出，而后升温至730℃烧失残余部分ps粉原型；s3：升温至1000℃～1200℃进行型壳的高温焙烧，最终使用316l不锈钢液浇注得到雾化喷嘴。
30.对比例1按照实施例1的方法进行制得喷嘴，不同的是，步骤中粉末采用目前市售聚苯乙烯粉末。
31.对比例2按照实施例2的方法进行制得喷嘴，不同的是，脱蜡工艺采用高温蒸汽一步法脱蜡。
32.对比例3采用传统分体式制备方法制备喷嘴，机加工后使用焊接制备.对上述实施例和对比例制备工艺以及应用制得的喷嘴进行气雾化测试,具体结果见表1。
33.表1通过上述检测例可知,上述实施例所制备的喷嘴质量好，寿命长，符合要求的粉末收得率明显提升，通过上述实施例的检测结果得知,本发明提供的一种雾化喷嘴具有质量好，寿命长，制备的金属粉末中符合要求的粉末收得率高，制备过程无污染的特性。
34.实施例4一种选区激光熔化增材制造用高强高韧不锈钢粉末的制备方法，其步骤如下：s1：选取符合成分设计的金属元素料进行配料，炉内抽真空小于500pa，原料真空感应加热熔化，熔炼温度1300-1800℃，钢液完全化清后继续精炼10-60min，直到熔池停止冒泡，炉料完全化清至液面平静，保持2-10min，金属液浇入中间包保温坩埚，经保温坩埚底部导流管流入超音速气雾化喷嘴；s2：通入高压惰性氩气，经过拉瓦尔结构腔体加速，形成超音速气流，气体压力3mpa-8mpa，将落入雾化区的金属液冲击破碎，使其雾化成细微的金属液滴；s3：液滴在空中受表面张力变为球形颗粒，在雾化室内快速冷却凝固成为金属粉末，再经过旋风分离系统将金属粉末收集；s4：对制备的粉末按要求进行筛分，制得符合要求的粉末产品。
35.步骤s1中成分设计配料为：c：0.015%、cr：12%、ni：9%、mo：2.2%、co：0.35%、cu：1.12%、ti：0.05%、mn：0.02%、nb：0.065%、y：0.5%、la：0.02%，余量为fe。
36.步骤s1中气雾化喷嘴的制备方法步骤如下：s1：选择苯乙烯、丙烯酸酯、乙酸乙烯单体为共聚原料，苯乙烯、丙烯酸酯、乙酸乙烯共聚物（ａ）中含量分别为：32%、28%、40%，加入引发剂过硫酸铵，乳化剂十二烷基苯磺酸钠，进行乳液聚合，共聚温度为68℃， 通过液氮冷冻后机械研磨制备成粉末；s2：用上述制得的环保型聚烯烃复合粉末材料，依据设计好的喷嘴文件数据进行sls打印制备，接着制备外部耐温型壳，打印模型制备时激光扫描速度为1750mm
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s-1
，分层厚度为0.18mm，扫描间距为0.26mm，粉末预热温度为65℃，铺粉速度为16mm
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s-1
，采用高温焙烧汽化脱蜡，先在230℃使大部分蜡流出，而后升温至650℃烧失残余部分ps粉原型；s3：升温至1000℃～1200℃进行型壳的高温焙烧，最终使用316l不锈钢液浇注得到气雾化喷嘴。
37.对比例4按照实施例4的方法进行制得喷嘴，所不同的是，采用现用金属配方，成分中缺少成分镧la：0.02%和钛ti：0.05%。
38.成分设计配料为：c：0.015%、cr：12%、ni：9%、mo：2.2%、co：0.35%、cu：1.12%、mn：0.02%、nb：0.065%、y：0.5%，余量为fe。
39.对上述实施例4和对比例4制备的金属粉末及采用激光选区增材制造的试样进行测试，具体结果见表2。
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案例实施例4对比例4流动性≤16s/50g≤25s/50g抗拉强度（mpa）1027951屈服强度（mpa）971842断后伸长率rp0.2（%）127断面收缩率z（%）4133
40.表2通过上述检测例可知,上述实施例所制备的粉末流动性好，通过选区激光熔化技
术制备的增材制造测试件性能相对于原配方有明显提升。
41.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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。