一种定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的制备方法

本发明涉及低密度钢，尤其涉及一种定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的制备方法。

背景技术：

1、随着科技的不断发展和新型材料的出现，轻量化材料和技术在装备中的应用越来越广泛。常用的轻量化金属材料中，高强度钢和铝合金具有较高的强度和较低的密度，被广泛应用于制造飞机等的零部件。目前部件制造主要采用传统炮钢材料，重量过大。fe-mn-al-c低密度钢具有优异的综合力学性能，包括高强度(抗拉强度：0.6～2.0gpa；屈服强度：0.4～1.0gpa)，同时保持良好的塑性(延伸率：30～100％)以及低密度(每加入1wt.％al，密度降低1.3％)，是一种非常合适的轻量化材料。

2、定向能量沉积技术(简称为ded技术)，也称为直接能量沉积、ded增材制造、ded 3d打印和ded打印等技术，是一种制造工艺。ded是一种涉及熔化或烧结材料(通常为粉末或线材形式，使用激光或电子束等热源)以逐层构建或修复零件的过程。一旦材料沉积下来，它就会冷却，每一层都与下面的一层融合，形成稳定而坚固的最终结构。与传统cnc加工或锻造部件方法相比，ded技术明显减少了材料浪费，促进了可持续制造实践并最大限度地节省了成本。目前，ded技术作为应用广泛的金属增材制造技术，具有成形效率高、可成形大尺寸部件以及成形环境更为简单等优点，除了制造零件外，ded技术还可用于零件破损修复及表面涂层熔覆，如用于火炮部件的制造、破损修复或表面涂层熔覆。由于fe-mn-al-c系低密度钢的微观组织主要有奥氏体、δ-铁素体、α-铁素体、κ-碳化物、b2、do3、m3c、β-mn等，微观组织随着合金成分的不同而变化，在现有技术中，较少公开有采用ded技术对fe-mn-al-c系低密度钢进行制造、破损修复或表面涂层熔覆。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的制备方法，其通过采用等离子旋转电极雾化(prep)法，制备定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的粉末，使用ded方式制备了低密度钢构件，可以进行复杂结构部件的制备、零件破损修复或表面涂层熔覆，其中该粉末的最大优点是粉末表面清洁、球形度高、夹杂少、无空心粉，其中粒径分布在53-150μm可用于ded技术，prep制备的高品质粉末有利于提高ded的成形质量。

2、本发明采用如下技术方案实现：

3、一种定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的制备方法，包括如下制备步骤：

4、s1制备高球形度低密度钢的粉末：采用等离子旋转电极雾化法，制备定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的粉末；

5、s2切片：对待成型的低密度钢构件的三维模型进行切片处理，设定预设切片厚度，规划所述低密度钢构件的扫描路径，逐层扫描室设定预设偏转角；设定ded工艺参数，并使成型腔室内氩气保护，控制所述成型腔室内氧含量低于500ppm且压力维持在10-40mbar，同时将该基板进行预热；

6、s3成型：在步骤s2所得的基板上，通过同轴喷嘴将步骤s1所得的粉末吹向金属部件，同时激光束对原料粉末进行熔化，按照切片形状及扫描路径进行逐层叠加，直至打印态构件完全成型，打印完成后将所述打印态构件放置在成型腔室内，得到初步的低密度钢构件；其中，激光功率250～750w、扫描速率250～450mm/min、扫描间距0.7～1.3mm，单层抬升高度0.4～0.6mm，送粉量0.6～1.2r/min，气流量3～7l/min；

7、s4热处理：取出步骤s3所得的低密度钢构件进行热处理，保温，冷却，得到低密度钢构件成品。

8、进一步地，在步骤s1中，制备高球形度低密度钢的粉末的具体步骤为：

9、s11配料：配置低密度钢材料；

10、s12熔炼：根据上述的低密度钢的化学元素的重量百分比进行真空熔炼，浇筑圆柱型棒材；

11、s13制粉：将步骤s12得到的棒材作为阳电极置于雾化炉中，充入氩气作为保护气体，对雾化炉进行抽真空，使用非转移弧旋转电极雾化设备制备成低密度钢粉末，制粉完成后，雾化炉内保持高压，待粉末冷却后筛分，并真空包装，得到球形粉末。

12、进一步地，在步骤s11配料中，低密度钢材料包括如下重量百分比的成分：

13、27.5-28.5％mn，9-9.5％al，0.8-1％ c，2.5-3.5％ni，0.4-0.7％cr，p≤0.005％，s≤0.02％，o≤0.01％，n≤0.015％，si≤0.3％，其余为fe。

14、进一步地，在步骤s12熔炼中，圆柱型棒料的规格为72mm×300mm。

15、进一步地，在步骤s13制粉中，真空度为3×10-3-5×10-3pa。

16、进一步地，在步骤s13制粉中，使用非转移弧旋转电极雾化设备制备成低密度钢粉末的具体操作步骤为：设置工艺参数启动设备，使棒材进行高速旋转，等离子体枪形成转移弧加热熔化棒材的一端，使雾化室内棒材熔化后的液滴在离心力作用下甩出，液滴冷却并在表面张力的作用下形成粉末，制粉完成后，雾化炉内保持高压4-5h，待粉末冷却后筛分，并真空包装，得到球形粉末；其中，棒材转速为25000-30000r/min，等离子体枪的电流为1500-2500a，棒材进给速度为1.6-2.0mm/s，等离子枪与棒材之间的间距为10-70mm。

17、进一步地，所述制备方法还包括s5后处理工艺：

18、将步骤s4所得的低密度钢构件成品在真空炉中退火，之后进行固溶淬火或热等静压处理。

19、进一步地，在步骤s5后处理工艺中，具体的工艺如下：以5℃/min的升温速率升温至1000～1100℃，保温60～180分钟，随后选择油淬进行冷却；随后将固溶处理的样品进行低温的时效处理。

20、进一步地，在步骤s5后处理工艺中，具体的时效工艺如下：以5℃/min的升温速率升温至400～600℃，保温2～20小时，然后随炉冷却至室温。

21、相比现有技术，本发明的有益效果在于：

22、1、本发明的制备方法通过采用prep技术所得的球形合金粉末，再使用ded方式制备低密度钢构件，可以进行复杂结构部件的制备、零件破损修复或表面涂层熔覆，使其能保证减重效果的同时具备较高的强度。

23、2、本发明的制备方法通过以特定原料配比低密度钢作为原料，在制备铁基合金棒材时采用真空熔炼浇铸的方式，减少了熔炼阶段引入非金属杂质，进而减少了合金中杂质的含量；同时采用prep技术制粉，在特定的工艺参数条件下进行制粉，粉末空心粉少，球形度高，且后处理均在氩气保护下进行，进一步控制氧增氮增现象，使得到的球形粉末产品非金属杂质低，纯度高。

24、3、本发明的制备方法所得的球形合金粉末，球形度≥90％，粒径分布窄，粒度53-150μm的粉末≥65％，并且纯度高，杂质少，氧含量＜300ppm，并且收得率高。

技术特征：

1.一种定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：

2.根据权利要求1所述的定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，制备高球形度低密度钢的粉末的具体步骤为：

3.根据权利要求2所述的定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤s11配料中，低密度钢材料包括如下重量百分比的成分：

4.根据权利要求2所述的定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤s12熔炼中，圆柱型棒料的规格为72mm×300mm。

5.根据权利要求2所述的定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤s13制粉中，真空度为3×10-3-5×10-3pa。

6.根据权利要求2所述的定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤s13制粉中，使用非转移弧旋转电极雾化设备制备成低密度钢粉末的具体操作步骤为：设置工艺参数启动设备，使棒材进行高速旋转，等离子体枪形成转移弧加热熔化棒材的一端，使雾化室内棒材熔化后的液滴在离心力作用下甩出，液滴冷却并在表面张力的作用下形成粉末，制粉完成后，雾化炉内保持高压4-5h，待粉末冷却后筛分，并真空包装，得到球形粉末；其中，棒材转速为25000-30000r/min，等离子体枪的电流为1500-2500a，棒材进给速度为1.6-2.0mm/s，等离子枪与棒材之间的间距为10-70mm。

7.根据权利要求1所述的定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括s5后处理工艺：

8.根据权利要求7所述的定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤s5后处理工艺中，具体的工艺如下：以5℃/min的升温速率升温至1000～1100℃，保温60～180分钟，随后选择油淬进行冷却；随后将固溶处理的样品进行低温的时效处理。

9.根据权利要求8所述的定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的制备方法，其特征在于，在步骤s5后处理工艺中，具体的时效工艺如下：以5℃/min的升温速率升温至400～600℃，保温2～20小时，然后随炉冷却至室温。

技术总结
本发明公开了一种定向能量沉积技术用高球形度低密度钢的制备方法，该制备方法包括采用等离子旋转电极雾化法制备高球形度低密度钢的粉末、切片和成型等步骤。上述制备方法通过采用PREP技术所得的球形合金粉末，再使用DED方式制备低密度钢构件，可以进行复杂结构部件的制备、零件破损修复或表面涂层熔覆，使其能保证减重效果的同时具备较高的强度。

技术研发人员：戴煜,谢天,肖乐,谢银龙,钱胜腾,刘佳伟,陈雄姿
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/20