[发明专利]超低碳无钴高强耐蚀合金及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种超低碳无钴高强耐蚀合金及其制备方法和应用。以重量百分比计，其合金成分范围为：Cr：11.0～16.0；Al：1.0～3.5；Mo：1.0～2.0；Ni：8.0～11.0；Ti：0～1.5；Si：0～0.1；C：0.0001～0.05；V：0～0.1；Ce：0～0.1；B：0～0.1；Zr：0～0.1；N：0.001～0.1；S：0.0001～0.01；P：0.0001～0.01；余量为Fe；同时，控制Al/Ti质量比为4～5.5:1，Ni/(Al+Mo+Ti)质量比为3.1～4.7:1；该金属原料进行真空熔炼、气体雾化制粉，得到超低碳无钴高强耐蚀合金粉末；将超低碳无钴高强耐蚀合金粉末筛分处理后，得到粉末球形度0.9，粒径在15～53μm的球形粉末，用于选区激光熔化打印。本发明合金材料同时具有高强度、硬度和耐蚀性能，并满足3D打印工艺条件，打印变形小，打印致密度高、且成本可控。

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，尤其是涉及一种超低碳无钴高强耐蚀合金及其制备方法和应用。

背景技术

增材制造(3D打印)是一种先进制造技术，这种技术无需传统复杂昂贵的切削设备，可以用于实现传统工艺难以或无法加工的复杂结构的制造，并且可以有效简化生产工序，缩短制造周期，是未来能够改变产业规则的先进制造技术之一。其特别适用于设计、制造周期长，成本高且结构复杂的航空、航天、船舶等关键零部件的打印；其次，利用金属3D打印技术，能极大缩短从原型设计到试验件制备的周期，十分有利于产品的快速迭代设计，比如汽车、家电、医疗等领域新产品的原型开发，能帮助企业迅速反馈市场需求，提升产品竞争力。另外，利用金属3D打印可以成型出结构高度复杂的腔、芯等模具部件，从而获得常规加工方法无法实现的型腔形状、路径和通道几何分布；进而制造出具备冷却范围广、冷却分布均匀、冷却效果充分的先进模具，藉由此类设计优化和3D打印制备的先进模具装备可完全实现共型、共面冷却循环的特点，因而实现显著缩短生产时间和周期、提升产品成型精度及增加成型件结构复杂程度的要求，同时达到节约成本的目的。

但是，3D打印工艺过程会产生很大的温度梯度并引入剧烈的内应力，结果导致打印件易产生变形、开裂和疏松。现有合金体系并未考虑到3D打印增材制造过程的特殊性，打印件无法充分展现金属增材料的力学性能，甚至无法应用于增材制造。目前，能够应用于3D打印的金属材料种类很少，特别是缺乏具有高强度/超高强度、高硬度、低打印缺陷且尺寸稳定性好、适合增材制造且成本可控的金属粉末材料。

沉淀硬化时效合金因其具有较高的强度，是航空、航天、能源、舰船、先进模具和机械制造等高科技领域的承力耐蚀(或高温)部件所选用的先进高强合金钢。但当前的该类合金的成分并不能同时满足3D打印所需要的低变形、高致密度、宽打印范围所需的工艺要求和高强度、高硬度、耐蚀的下综合性能要求。目前可用于3D打印的时效合金PH 17-4、AMCorrax虽然具有良好的耐蚀性，但其强度(1500MPa)和硬度(47HRC)偏低，无法满足苛刻使用环境的要求。而具有高强度(1600MPa)和硬度(50HRC)的MS-1(18Ni300)马氏体时效钢，耐蚀性较差、韧性低，且合金成本高昂(含钴、高镍)，故使其应用受到了严重制约。因此开发具有高强度(＞1600MPa)、硬度和耐蚀性能，同时满足3D打印工艺条件且成本可控的先进高强耐蚀合金，是亟待解决的瓶颈难点。

中国专利CN113751679A公开了一种无钴马氏体时效钢冷轧薄带的制造方法，具体步骤如下：(1)冶炼成分合格的钢水，其化学组成的质量百分数为：Ni：14-18％，Mo：3-4.5％，Ti：0.5-1.5％，C：≤0.010％，S：≤0.006％，P：≤0.020％，N：≤0.007％，余量为Fe及不可避免杂质；(2)钢水流入双辊薄带连铸机铸造出厚度为3.0-5.0mm的铸态薄带；(3)薄带出辊后立即进行二冷，快速冷却到室温；(4)室温冷轧；(5)退火；(6)薄带卷取。该专利是以18Ni300为基础开发的面向传统制造的高镍马氏体时效钢，其成本较高，打印性能和耐蚀性较差。