[发明专利]基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法

说明书

本公开是一种基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法，包括如下步骤：合金粉末成分设计，调节层错能大小，降低孪生开动所需临界应力；以所述合金粉末为原料，调节成形工艺参数，得到沿加载方向呈110或111强织构的激光增材制造孪生诱发塑性不锈钢。本公开基于织构工程思想制备的新型增材制造孪生诱发塑性不锈钢，强塑积最高可达47GPa％，远超目前国内外商用激光增材制造316L不锈钢的力学性能指标。

技术领域

本公开涉及金属增材制造技术领域，具体地，涉及一种基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法。

背景技术

高性能和轻量化一直以来是金属材料的重要发展方向。传统金属材料的强化手段包括固溶强化、细晶强化、位错强化和沉淀强化，但上述手段在提升强度的同时不可避免地会削弱材料的塑性，这种强塑性能不匹配严重限制了高性能金属材料的开发与应用。研究表明，在金属材料中引入纳米孪晶可以同步提升材料的强度与塑性，打破金属材料固有的强塑性倒置困境。当前，引入纳米孪晶的技术手段主要有两种：一种是通过直流电解沉积或严重塑性变形方式在材料制备环节引入纳米孪晶；另一种是通过降低合金层错能在材料受载或服役环节产生变形孪晶。孪生诱发塑性(twinning-induced plasticity，TWIP)钢引入孪晶的方式属于第二种。TWIP钢的特点是锰含量高(15～30wt.％)，以孪生方式主导塑性变形，显著的孪生诱发塑性效应使得材料表现出优异的强塑性能匹配。但高的锰含量导致TWIP钢的使用成本增加，限制了其广泛的商业化应用。如何在尽可能少地使用锰元素的情况下，发挥孪生诱发塑性效应优势，实现材料强塑性能的同步提升是当前需要解决的关键技术难题之一。

孪生诱发塑性效应的作用机理是：低层错能金属或合金在受载过程中，通过孪生方式产生大量变形孪晶，不断分割晶粒，引发动态Hall-Petch效应，进而使材料产生显著的细晶强化效果；与此同时，所形成的大量孪晶界面能够有效容纳位错，提高晶粒内部位错存储能力，延缓颈缩行为发生，使材料塑性同步提升。研究表明，层错能和晶体学取向是决定金属材料动态Hall-Petch效应强弱的两个主要因素。较低的层错能(15～45mJ/m²)有助于全位错分解成不全位错，抑制位错滑移行为而促进孪生行为的发生。对于不同取向的晶粒，111和100分别是最利于和最不利于孪生的取向，而110取向则介于两者之间。

金属激光增材制造技术相较于传统制造技术，在成形过程中具有高温度梯度、高冷却速率(淬火)以及循环再加热-冷却(回火)特点。因此，有望在仅添加少量锰元素的情况下，通过综合调节激光束能量、扫描速度、扫描策略等工艺参数在加载方向上获得特定晶体学织构，进而充分激发孪生诱发塑性效应，实现低成本、高性能增材制造孪生诱发塑性不锈钢的制造。

发明内容

针对传统TWIP钢因添加过量锰元素导致材料使用成本上升的问题，本公开提供了一种基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法，在不添加大量锰元素、有效控制成本的前提下，通过织构类型与织构强度的调控，充分激发孪生诱发塑性效应，制备出具有优异强塑性能匹配的低成本孪生诱发塑性不锈钢材料。

本公开提供了一种基于织构工程的增材制造孪生诱发塑性不锈钢制备方法，包括：

合金粉末成分设计，调节层错能大小、降低孪生开动所需临界应力；

以所述合金粉末为原料，调节成形工艺参数，得到沿加载方向呈110或111强织构的激光增材制造孪生诱发塑性不锈钢。

在本公开的一些实施例中，所述合金粉末成分设计步骤中，所述合金粉末至少包括Cr、Mo、Mn、C元素，且Mn元素的质量百分比不超过3％，其中，以质量百分比计，所述Cr为15.5-15.9％，所述Mo为1.2-1.6％，所述Mn为2.1-3.0％，所述C为0.031-0.035％。