本發(fā)明涉及增材制造，具體涉及一種用于3d打印的鋼材料及3d打印方法。

背景技術(shù)：

1、目前，使用3d打印技術(shù)成形復(fù)雜構(gòu)件具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：包括通過(guò)功能化集成將多個(gè)組件合并制造、利用拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)輕量化、復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接成形、直接成形最終零件等。超高強(qiáng)鋼材料主要用于制造承受高應(yīng)力的結(jié)構(gòu)件，常用于航空航天、軌道交通等重要領(lǐng)域。因此，使用3d打印成形超高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)件能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)、縮短交付周期、減少組件數(shù)量提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的市場(chǎng)價(jià)值。

2、傳統(tǒng)的已獲得工業(yè)化應(yīng)用的超高強(qiáng)鋼材料的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到2400-2600mpa左右，如aermet340、18ni350、13ni400等材料，且具有一定塑韌性。現(xiàn)有的3d打印高強(qiáng)度鋼材料主要有18ni300、s136、h13，存在最高強(qiáng)度不足、塑韌性差、含碳鋼易產(chǎn)生熱裂紋、易發(fā)生開(kāi)裂等問(wèn)題。其中，18ni300屬于馬氏體時(shí)效鋼，在時(shí)效熱處理后強(qiáng)度可以達(dá)到2100mpa，但延伸率約4％，強(qiáng)塑積僅有8gpa％。s136和h13具有中低含量的碳，常用于模具行業(yè)。在回火熱處理后抗拉強(qiáng)度在1700-1900mpa，延伸率5-7％，塑韌性較差，并且使用3d打印技術(shù)成形時(shí)容易因低熔點(diǎn)碳化物導(dǎo)致的熱裂紋，以及應(yīng)力積累、韌性不足導(dǎo)致的宏觀開(kāi)裂。

3、如cn112404420a公開(kāi)了一種用于3d打印的高強(qiáng)度鋼粉末、其制備方法、3d打印方法及制得的高強(qiáng)度鋼，所述用于3d打印的高強(qiáng)度鋼粉末，按質(zhì)量百分比計(jì)，包括，0.15％-0.3％的c、0.4％-0.6％的v、0.8％-1.2％的ti、0.8％-1.5％的mo、2.5％-4％的cr、10％-12％的ni、12％-15％的co，余量為fe。

4、如cn112831721a公開(kāi)了一種增材制造超高強(qiáng)塑積鋼材料及其制備方法，由以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的組分制備而成：0.20-0.58％c，5.5-8.9％ni，0.35-2.8％mn，0.20-1.3％si，0.3-1.5％cr，0.50-0.60％mo，0.54-1.08％v，余量為fe，所述增材制造超高強(qiáng)鋼回火后屈服強(qiáng)度≥927mpa，抗拉強(qiáng)度≥1650mpa。

5、綜上可知，現(xiàn)有高強(qiáng)度打印材料所得3d打印產(chǎn)品的強(qiáng)度均未超過(guò)2200mpa，因此，有必要開(kāi)發(fā)出能夠適用于3d打印技術(shù)、不易開(kāi)裂、強(qiáng)度超過(guò)2200mpa同時(shí)具有一定塑性和韌性的超高強(qiáng)鋼材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于3d打印的鋼材料及3d打印方法，以解決現(xiàn)有3d打印產(chǎn)品存在力學(xué)性能較差的缺陷。

2、為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種用于3d打印的鋼材料，所述用于3d打印的鋼材料以質(zhì)量百分含量計(jì)包括：

4、ni?14-20％，co?10-17％，mo?4-12％，ti?0.5-2％，al?0.05-0.3％，c＜0.03％，si≤0.1％，mn≤0.1％，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

5、本發(fā)明提供的用于3d打印的鋼材料，通過(guò)對(duì)組分進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使得所得3d打印產(chǎn)品能具有良好的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度≥2316mpa，屈服強(qiáng)度≥2187mpa。

6、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述用于3d打印的鋼材料中以質(zhì)量百分含量計(jì)包括：

7、ni?14-17％，co?12-17％，mo?4-10％，ti?0.7-1.6％，al?0.18-0.3％，c＜0.03％，si≤0.01％，mn≤0.01％，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)，ni和mo的總質(zhì)量百分含量≤25％。

8、第二方面，本發(fā)明提供了一種3d打印方法，所述3d打印方法包括：采用如第一方面所述的用于3d打印的鋼材料作為打印原材料進(jìn)行3d打印，之后進(jìn)行熱處理，得到3d打印產(chǎn)品。

9、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述3d打印所得材料中沉積態(tài)殘余奧氏體含量＞20％，所述熱處理包括依次進(jìn)行的第一熱處理、第一冷卻、第二熱處理和第二冷卻。

10、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第一熱處理中的升溫速率為3-10℃/min。

11、優(yōu)選地，所述第一熱處理中的保溫溫度為850-1050℃。

12、優(yōu)選地，所述第一熱處理中的保溫時(shí)間為0.5-1.5h。

13、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第二熱處理中的升溫速率為3-10℃/min。

14、優(yōu)選地，所述第二熱處理中的保溫溫度為460-510℃。

15、優(yōu)選地，所述第二熱處理中的保溫時(shí)間為4-10h。

16、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第一冷卻的方式包括空冷。

17、優(yōu)選地，所述第二冷卻的方式包括空冷。

18、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述3d打印所得材料中沉積態(tài)殘余奧氏體含量≤20％，所述熱處理包括依次進(jìn)行的第三熱處理和第三冷卻。

19、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第三熱處理中的升溫速率為3-10℃/min。

20、優(yōu)選地，所述第三熱處理中的保溫溫度為460-510℃。

21、優(yōu)選地，所述第三熱處理中的保溫時(shí)間為4-10h。

22、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第三冷卻的方式包括空冷。

23、與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

24、(1)本發(fā)明從3d打印技術(shù)的工藝特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)材料成分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，通過(guò)成分和熱處理的結(jié)合調(diào)控微觀組織，包括晶粒尺寸、殘余/逆轉(zhuǎn)奧氏體比例和分布、第二相顆粒的大小和分布等，從而在實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度的同時(shí)，保持一定的塑性和韌性。

25、(2)本發(fā)明提供的鋼材料為超高強(qiáng)鋼，具體為低碳/無(wú)碳鋼，碳含量控制在0.03％以下，成形過(guò)程中不產(chǎn)生熱裂紋；碳以固溶態(tài)和碳化物的形式顯著提高鋼的強(qiáng)度，但同時(shí)也會(huì)降低鋼的塑性和韌性。此外，含碳鋼材料通過(guò)3d打印技術(shù)成形時(shí)，在凝固的最后階段低熔點(diǎn)的碳化物容易被快速冷卻產(chǎn)生高拉伸應(yīng)力撕裂，形成裂紋。并且，由于碳鋼具有較低的韌性，當(dāng)熱應(yīng)力導(dǎo)致的變形達(dá)到一定程度時(shí)，成形件會(huì)發(fā)生宏觀開(kāi)裂。微觀組織以塑韌性較好的低碳/無(wú)碳馬氏體為主，以及少量殘余奧氏體，具備較好的韌性，成形大尺寸構(gòu)件也不易發(fā)生宏觀開(kāi)裂。

26、(3)本發(fā)明提供的鋼材料含有14.0-20.0％的鎳，避免在高溫冷卻過(guò)程中(3d打印凝固和熱處理)產(chǎn)生鐵素體和珠光體，同時(shí)鎳含量不超過(guò)20％，避免微觀組織向奧氏體轉(zhuǎn)變，降低材料強(qiáng)度。

27、(4)本發(fā)明提供的鋼材料含有10.0-17.0％的鈷。鈷主要用于調(diào)控(提高)ms點(diǎn)，即過(guò)冷奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度，來(lái)控制馬氏體/奧氏體的比例。同時(shí)通過(guò)降低層錯(cuò)能，增加加工硬化應(yīng)力、降低mo的溶解度、保持一定密度的位錯(cuò)為第二相顆粒提供形核位點(diǎn)。

28、(5)本發(fā)明提供的鋼材料含有一定比例的mo、ti、al，這些元素在熱處理過(guò)程中形成ni3mo、ni3ti、ni3al、和fe2mo等強(qiáng)化相顆粒，大幅度提高材料強(qiáng)度。

29、(6)本發(fā)明提供的鋼材料中當(dāng)mo和ni總含量過(guò)高時(shí)，無(wú)法獲得足夠強(qiáng)度，因此，本發(fā)明中將ni+mo的總質(zhì)量百分含量控制在25％以?xún)?nèi)。