[发明专利]一种面向增材制造颗粒增强17-4PH材料及其成型方法

说明书

本发明涉及金属材料技术领域，且公开了一种面向增材制造颗粒增强17‑4PH材料及其成型方法，包括以下步骤：(1)在17‑4PH不锈钢粉末中添加适量的SiC颗粒，并通过V形混粉器使17‑4PH不锈钢粉末均匀混合，然后进行打印制备；(2)用选区激光熔化方法成型混合粉末，并通入保护气氛，激光功率：180‑300W，扫描速度：800‑1500mm/s，扫描间距：80‑100um激光直径80‑120μm；(3)对成型后的17‑4PH热处理。该面向增材制造颗粒增强17‑4PH材料及其成型方法，通过添加适量的SiC颗粒，SiC一方面作为形核剂起到细化晶粒的作用，另外一方面作为第二相进行弥散强化，从而提高材料的强度及韧性。通过选区激光熔化成型及热处理后，可以获得强度大于1000MPa，冲击吸收功不低于100J的17‑4PH。

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，具体为一种面向增材制造颗粒增强17-4PH材料及其成型方法。

背景技术

核电是安全、清洁和高效的能源。发展核电对于满足我国电力需求，优化能源结构，保障能源安全，促进经济发展具有战略性意义。不锈钢部件因优良的力学和化学性能，而被广泛(约占50％以上)用于制造核电设备中的运动零件。作为典型的用于制造核电设备零件的钢种，17-4PH(马氏体沉淀硬化型不锈钢)具有良好的强韧性、塑性和耐蚀性等综合性能。尽管如此，该类零件在日常服役过程中极易在冲击载荷作用下发生断裂失效，从而导致设备性能下降，甚至核燃料泄露等事故，严重危及人类的生存。由于中国核电站引进的是美国及法国的机组及技术，现阶段核电站备件零件依靠进口，响应速度慢，采购周期长，采购成本高，影响核电的生产。因此，在确保零件生产效率的同时，提升17-4PH零件的强度与冲击韧性成为确保核电设备安全运行，缩短设备维护时间的关键因素。

增材制造可以快速响应零件的生产需求，缩短采购周期，降低采购成本，同时可以提高备件的国产化率。增材制造技术的发展使17-4PH不锈钢材料在核电等领域获得广泛的关注，如气动泵飞锤压板和超速脱钩需要17-4PH的抗拉强度大于等于930MPa，冲击吸收功大于等于40J。对于增材制造技术成型17-4PH不锈钢材料国内外已有相关的报道，从报道的性能看，大部分技术方案仅使17-4PH材料的强度提高到了1000MPa以上(Effect ofretained austenite on subsequent thermal processing and resultant mechanicalproperties of selective laser melted 17–4PH stainless steel)，但增材制造成型后17-4PH室温冲击吸收功仅30J(Sub-Zero Temperature Effect on Impact Properties of17-4PH Stainless Steel Processed by Selective Laser Melting)，没有技术方案可以同时获得高强度、高韧性(冲击吸收功)的17-4PH不锈钢，如何提高增材制造17-4PH不锈钢的韧性是其获得在核电领域应用的关键。现有的报道表明，通过优化17-4PH成型工艺及热处理工艺，无法同时获得高强度(抗拉强度大于1000MPa)、高韧性(冲击吸收功大于40J)的17-4PH不锈钢，因此有必要在现有17-4PH材料体系基础上进一步开发复合材料及其热处理工艺。

经检索中国专利CN 107012381提出了一种提高3D打印17-4PH不锈钢屈服强度的方法，采用粉末增材技术制备17-4PH不锈钢时由于残余奥氏体较多造成其屈服强度低，本发明通过在17-4PH粉末中添加适量TiB₂颗粒，并通过球磨使之附着在粉末颗粒的表面，采用氮气氛进行保护，在打印过程中TiB₂在高能激光辐照下熔化并分解成Ti元素和B元素。其后，Ti元素与保护气氛氮气反应生成TiN颗粒，生成的TiN一方面可以作为形核剂起到细化晶粒的作用，另外一方面可以作为第二相进行弥散强化，而分解产生的B元素则部分固溶到基体中可以提高钢的淬透性，减少残余奥氏体的含量，三者的综合作用最终可以将屈服强度由目前的500-600MPa提高到1000MPa以上。