[發明專利]一種提高3D打印馬氏體不銹鋼結構件硬度的方法

在審

• 申請號: 201610114473.3
• 申請日: 2016-03-01
• 公開（公告）號: CN105586477A
• 公開（公告）日: 2016-05-18
• 發明（設計）人: 杜宇雷;翟海平;陶文明;王慶;江基興
• 申請（專利權）人: 江蘇星火特鋼有限公司
• 主分類號: C21D6/04
• 分類號: C21D6/04
• 代理公司: 南京科知維創知識產權代理有限責任公司 32270
• 代理人: 王萍萍

技術領域

本發明涉及一種提高3D打印（增材制造）馬氏體不銹鋼結構件硬度的方法，屬于3D打印技術領域。

背景技術

3D打印依據數字模型，通過連續的物理層疊加，逐層增加材料的方式來制造三維實體物件，是當前世界制造業發展的新趨勢，將推動航空航天、軍事、汽車、醫療和消費電子產品等核心產業的革新。特別是在樣品設計、研制階段，以及復雜形狀結構件的小批量生產、定制等領域，3D打印的優勢可以得到充分發揮。

由于3D打印是一種近凈成形技術，無法通過變形加工來調整其結構和力學性能，因而采用表面處理和/或熱處理成為對3D打印結構件進行結構和性能調控的少數可選手段。比如，中國專利CN201410315813.X公開了一種增材制造金屬件表面多重激光拋光及強化方法，利用毫秒脈沖激光和納秒脈沖激光多次掃描處理增材制造金屬零件表面，實現增材制造金屬零件表面的拋光；多重激光掃描拋光過程中，對增材制造金屬件進行保溫處理，可以使增材制造金屬件表面應力分布均勻；對激光拋光的增材制造金屬件表面進行激光掃描強化，可以改變增材制造金屬件表面應力狀態，由拉應力轉化為壓應力，提高增材制造金屬件抗疲勞性能，滿足金屬零件的使用性能。中國專利CN201510508138.7公開了一種TC4鈦合金激光選區熔化增材制造及熱處理方法，對TC4鈦合金成形構件采用雙重退火工藝進行熱處理：先將TC4鈦合金構件置于溫度為780～820℃的真空熱處理爐中，保溫1.5～2h后空冷至室溫；然后重新置于溫度為530～550℃的真空熱處理中，保溫2～3h后再空冷至室溫。經上述工藝處理后的TC4鈦合金構件強度在超過1000MPa的同時延伸率達到不小于10％。

不銹鋼是金屬3D打印的重要原材料之一。其中，馬氏體不銹鋼具備高強度和耐蝕性，可用于制造渦輪葉片，醫療器械、測量用具、彈簧、模具等。目前，已有一些馬氏體不銹鋼成功應用于3D打印行業，然而，這些采用3D打印技術制造的馬氏體不銹鋼結構件存在硬度分布不均勻，硬度有待進一步提高的問題。

發明內容

本發明目的是要提供一種提高3D打印馬氏體不銹鋼結構件硬度的方法。

實現本發明目的的技術方案是為通過降低和消除3D打印馬氏體不銹鋼結構件中的殘余奧氏體，并在馬氏體基體中析出納米級的碳化物，實現提高其硬度的目的。

本發明是這樣實現的：一種提高3D打印馬氏體不銹鋼結構件硬度的方法，其特征在于：其通過對3D打印馬氏體不銹鋼結構件進行“低溫回火+超深冷處理+低溫回火”的熱處理，來降低或消除殘余奧氏體，并在馬氏體基體中析出具有增強作用的納米級碳化物。

具體步驟如下：

第一步：將3D打印的馬氏體不銹鋼結構件在100-250℃之間進行低溫回火，以消除構件的內應力，同時，內應力的消除也有利于殘余奧氏體向馬氏體的轉變。

第二步：利用液氮作為冷卻介質，將低溫回火處理后的3D打印不銹鋼結構件冷卻至-196℃進行超深冷處理，并保持0-2小時，然后升溫至室溫；

第三步：將超深冷處理后的3D打印不銹鋼結構件在100-250℃之間進行低溫回火，以消除超深冷處理在構件中引起的內應力。

第四步：對上述處理后的3D打印馬氏體不銹鋼結構件中的殘余奧氏體含量進行實驗測定，如殘余奧氏體含量仍較高，可重復進行上述超深冷處理步驟，直至殘余奧氏體的含量或硬度達到要求。

本發明所依據的原理是馬氏體不銹鋼的馬氏體轉變終止溫度一般都低于零度，因而淬火至室溫時，馬氏體轉變尚未完成，同時，先轉變的馬氏體對奧氏體轉變為馬氏體的過程有阻礙作用，上述原因導致馬氏體不銹鋼中保留了部分殘余奧氏體，由于奧氏體的硬度低于馬氏體，因而會引起3D打印馬氏體不銹鋼結構件的硬度分布不均勻，及硬度較低的現象。本發明通過去應力低溫回火和超深冷處理，可使殘余奧氏體繼續轉變為馬氏體，并析出具有增強作用的納米尺寸的碳化物，對馬氏體基體起到了增強作用，使得3D打印馬氏體不銹鋼具有接近單相馬氏體的相結構，消除了硬度分布不均勻，并提高了其硬度。

目前提高3D打印結構件硬度的方法主要有表面噴丸、激光表面處理等，這些手段僅能改善結構件的表面硬度。與之相比，本發明所采取的手段降低了3D打印馬氏體結構件整體的殘余奧氏體含量，并在馬氏體基體上析出了具有增強作用的納米級碳化物，使得結構件從表面到內部的整體硬度都得以增大。