一种提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法

1.本发明属于增材制造金属材料的技术领域，具体涉及一种提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法。


背景技术：

2.选区激光熔化(selective lasermelting，slm)技术自诞生以来，经过了近40年的发展，随着计算机控制技术与激光技术的发展，近些年该技术越来越成熟，其加工原理是在计算机切片模型的辅助作用下，通过激光对粉末床逐层熔化最终形成一个三维零件。由于这一特性，该技术可以用于直接加工一些形状复杂的零部件，机械零件的生产几乎不受几何形状的限制，而且不需要许多昂贵的加工工具，具有设计自由度高、零件成型周期短、成型精度高、材料利用率高等优点。
3.316l不锈钢是一种奥氏体不锈钢，其室温下的组织为单一的奥氏体相，316l不锈钢因其具有优异的耐腐蚀性能、良好的生物相容性、优异的塑性和良好的加工性能被广泛应用在各种领域，如生物医疗、石油化工、船舶和航天工业等。采用选区激光熔化工艺制备的316l不锈钢，由于快速的冷却，能够形成更细小的晶粒、低角度晶界、高密度位错以及胞状结构，使其具有更高的强度和硬度。然而即便如此，采用slm工艺制备的316l不锈钢仍旧面临着强度较低、耐磨性较差的问题，其服役的过程中，很容易因为磨损而失效，这一短板极大地限制了其应用。为了提高slm成型不锈钢的强度和耐磨性，国内外许多学者通过添加陶瓷相对不锈钢基体进行强化，而采用陶瓷作为增强相，由于金属陶瓷间的润湿型较差，很容易产生裂纹，并且陶瓷相与基体容易形成原电池，造成材料耐腐蚀性能的下降，这一点与不锈钢的优势背道而驰。
4.本发明选用一种非晶成型能力很强的铁基非晶对316l不锈钢进行增强，以提高其耐磨耐腐蚀性能。本发明中铁基非晶与316l不锈钢具有良好的润湿性，作为增强相添加时不易与基体形成裂纹，并且由于其本身的高强度能够对基体起到很好的强化作用。而且本发明采用的fe
52.5
cr
25.8
mo
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非晶其cr、mo元素含量很高，在对基体增强的同时还能提高基体的耐腐蚀能力。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法。本发明采用fe
52.5
cr
25.8
mo
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非晶对316l不锈钢进行增强，同时采用slm技术进行成型，提高了不锈钢的耐磨耐腐蚀性能。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现。
7.一种提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法，包括以下步骤：将铁基非晶粉末与316l不锈钢粉末混合，获得混合粉末；采用选区激光熔化技术对混合粉末进行成型，获得不锈钢构件；
8.所述铁基非晶粉为fe
52.5
cr
25.8
mo
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粉末；铁基非晶粉末的添加量为混合粉
末的5～20wt％。
9.所述316l不锈钢粉末的成分按质量百分比为：cr：16～18％、ni：10～14％、mo：2～3％、mn：≤2％、c：≤0.03％、si：≤0.75％、p：≤0.05％、s：≤0.03％、n：≤0.1％，余量为fe。
10.所述的铁基非晶粉末的粒径为15～37μm。
11.所述316l不锈钢粉末的粒径为15～53μm。
12.成型工艺参数为：激光功率为60～95w、激光扫描速度为400～800mm/s、激光扫描间距为70～90μm。
13.优选为激光功率为70～95w、扫描速度为400～800mm/s、扫描间距在70～90μm之间、扫描层厚为20～40μm、扫描策略为s型正交、每层熔化次数为1～2次。
14.所述采用选区激光熔化技术对混合粉末进行成型是指设计三维模型，对三维模型进行切片处理，获得二维切片；根据三维模型中各二维切片的位置，采用选区激光熔化技术，将混合粉末按照二维切片的几何形状数据依次进行熔化成型。
15.所述提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法，具体包括以下步骤：
16.(1)将铁基非晶粉末与316l不锈钢粉末混合均匀，干燥，获得混合粉末；
17.(2)设计三维模型，对三维模型进行切片处理，获得二维切片；
18.(3)将混合粉末置于slm设备的粉料仓中，向成型仓中通入保护性气体；
19.(4)在成型仓中的成型基板上铺上一层混合粉末，使用光纤激光根据二维切片在三维模型中的位置和几何形状对混合粉末进行熔化，成型工艺参数为：激光功率为60～90w、激光扫描速度为400～600mm/s、激光扫描间距为70～90μm；
20.(5)每加工完一层后，基板下降20～40μm，重新铺上一层混合粉末，如此循环，直到加工出整个构件。
21.步骤(1)中的混合为球磨混合。球磨的工艺参数为：球磨罐内通入氩气进行保护，球磨时间为2～3h，球磨转速为50～150r/min，球磨罐每旋转30min暂停10min。
22.步骤(1)中的干燥条件为：温度85～95℃，烘干时间4.5～6h。
23.步骤(2)具体为设计三维模型，对三维模型进行切片处理保存为stl格式，然后导入slm设备中；
24.步骤(3)中保护性气体为氩气，保持成型仓内的氧含量小于500ppm。
25.将成型基板采用酒精清洗，吹干。
26.金属非晶是一类金属基非晶材料，非晶不具有晶体的点阵结构，因此不存在位错等晶格缺陷，具有非常高的强度，能够达到3000mpa以上。非晶的形成条件较为苛刻，在冷却时需要很高的冷却速率，当冷却速率到达103k/s以上才可能形成非晶结构。由于slm成型过程具有高的冷却速度，其冷却速度能够达到106k/s，满足非晶形成的临界冷却速度。
27.本发明涉及一种提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法，具有如下优点：
28.本法明将掺杂有铁基非晶的不锈钢复合粉末，采用slm对粉末进行成型，制备出的不锈钢其致密度高，缺陷少，其硬度、耐磨损、耐腐蚀性能都得到了大幅度提升。
附图说明
29.图1为实施例1制备的含有5wt％铁基非晶不锈钢试样的金相图；
30.图2为实施例2制备的含有10wt％铁基非晶不锈钢试样的金相图；
31.图3为对比例1制备不锈钢试样的金相图；
32.图4为实施例1、实施例2和对比例1所制备不锈钢的致密度；
33.图5为实施例1、实施例2和对比例1所制备不锈钢的显微硬度；
34.图6为实施例1、实施例2和对比例1所制备不锈钢的摩擦曲线；
35.图7为实施例1、实施例2和对比例1所制备不锈钢的磨损率；
36.图8为实施例1、实施例2和对比例1所制备不锈钢的动电位极化曲线。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及特点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
38.实施例1
39.(1)采用400目、800目和1450目的筛网筛选出粒径在15～37μm的铁基非晶粉末fe
52.5
cr
25.8
mo
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和粒径在15～53μm的316l不锈钢粉末。316l不锈钢粉末的成分按质量百分比为：cr：16～18％、ni：10～14％、mo：2～3％、mn：≤2％、c：≤0.03％、si：≤0.75％、p：≤0.05％、s：≤0.03％、n：≤0.1％，余量为fe。
40.(2)将筛选出的非晶粉末和不锈钢粉末按照质量比5：95的质量比例进行配比；将配制好的粉末加入球磨机中进机械混合；球磨罐中通入氩气进行保护；球磨时间为2h，转速150r/min；球磨机每旋转30min暂停10min进行降温；磨球直径为10mm、8mm、5mm，按照1∶1∶2的比例进行搭配。
41.(3)将混合好的复合粉末放入烘干机中烘干；烘干机抽至真空，烘干时间为5h，烘干温度90℃；在真空下让粉末冷却至室温。
42.(4)采用3dmax软件进行3维建模；将三维模型导入切片软件中进行切片，切片厚度为20μm，处理完后保存为stl文件；将stl文件导入slm设备中。
43.(5)用酒精对不锈钢基板进行清洗，吹干；将不锈钢基板安装在slm设备的成型仓内；将烘干后的复合粉末加入slm设备的粉料仓内；在成型仓内通入氩气，保持成型仓内的氧含量小于500ppm。
44.(6)采用刮刀在成型基板上铺上一层复合粉末，使用光纤激光根据二维切片的几何形状对粉末进行熔化，激光扫描工艺参数为：激光功率为90w，激光扫描速度为600mm/s，激光扫描间距为80μm。
45.(7)每加工完一层后，基板下降20μm，重新铺上一层粉末，如此循环，直到加工出整个构件。
46.实施例2
47.(1)采用400目、800目和1450目的筛网筛选出粒径在15～37μm的铁基非晶粉末fe
52.5
cr
25.8
mo
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和粒径在15～53μm的316l不锈钢粉末。316l不锈钢粉末的成分按质量百分比为：cr：16～18％、ni：10～14％、mo：2～3％、mn：≤2％、c：≤0.03％、si：≤0.75％、p：≤0.05％、s：≤0.03％、n：≤0.1％，余量fe。
48.(2)将筛选出的非晶粉末和不锈钢粉末按照质量比10∶90的质量比例进行配比；将配制好的粉末加入球磨机中进机械混合；球磨罐中通入氩气进行保护；球磨时间为2h，转速150r/min；球磨机每旋转30min暂停10min进行降温；磨球直径为10mm、8mm、5mm，按照1∶1∶2
的比例进行搭配。
49.(3)将混合好的复合粉末放入烘干机中烘干；烘干机抽至真空，烘干时间为5h，烘干温度90℃；在真空下让粉末冷却至室温。
50.(4)采用3dmax软件进行3维建模；将三维模型导入切片软件中进行切片，切片厚度为20μm，处理完后保存为stl文件；将stl文件导入slm设备中。
51.(5)用酒精对不锈钢基板进行清洗；用吹风机吹干；将不锈钢基板安装在slm设备的成型仓内；将烘干后的复合粉末加入slm设备的粉料仓内。在成型仓内通入氩气，保持成型仓内的氧含量小于500ppm。
52.(6)采用刮刀在成型基板上铺上一层粉末，使用光纤激光根据二维切片的几何形状对粉末进行熔化，激光扫描工艺参数为：激光功率为90w，激光扫描速度为600mm/s，激光扫描间距为80μm。
53.(7)每加工完一层后，基板下降20μm，重新铺上一层粉末，如此循环，直到加工出整个构件。
54.对比例1
55.(1)采用400目1450目的筛网筛选出粒径在15～57μm的316l不锈钢粉末。本发明使用的316l不锈钢粉末成分按质量百分比为：cr：16～18％、ni：10～14％、mo：2～3％、mn：≤2％、c：≤0.03％、si：≤0.75％、p：≤0.05％、s：≤0.03％、n：≤0.1％，余量fe。
56.(2)316l不锈钢粉末放入烘干机中烘干；烘干机抽至真空，烘干时间为5h，烘干温度90℃；在真空下让粉末冷却至室温。
57.(3)采用3dmax软件进行3维建模；将三维模型导入切片软件中进行切片，切片厚度为20μm，处理完后保存为stl文件；将stl文件导入slm设备中。
58.(4)用酒精对不锈钢基板进行清洗；用吹风机吹干；将不锈钢基板安装在slm设备的成型仓内；将烘干后的复合粉末加入slm设备的粉料仓内；在成型仓内通入氩气，保持成型仓内的氧含量小于500ppm。
59.(5)采用刮刀在成型基板上铺上一层粉末，使用光纤激光根据二维切片的几何形状对粉末进行熔化，激光扫描工艺参数为：激光功率为90w、激光扫描速度为600mm/s、激光扫描间距为80μm。
60.(6)每加工完一层后，基板下降20μm，重新铺上一层粉末，如此循环，直到加工出整个构件。
61.性能测试：
62.1、本试验采用图形分析法，使用软件image-j对10张成型试样抛光后的金相图像进行统计分析。
63.2、摩擦磨损性能测试：在mft-4000往复摩擦磨损试验机上对样品进行测试，摩擦副选用直径为4mm的si3n4陶瓷球，载荷为20n，摩擦速度200mm/min，摩擦长度为5mm，磨损时间为1800s。
64.3、电化学腐蚀实验：测试使用的是3.5wt％nacl水溶液，用于模拟海水环境，测试在25℃的室温下进行。参照国标gb 10124《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》，采用三电极体系和动电位极化测试的方法测量样品的极化曲线，其中样品作为工作电极，暴露在测试溶液中的面积为0.159cm2；参比电极为饱和甘汞电极；辅助电极为pt电极。极化测试
中电极电位的扫描范围为相对开路电位-400mv至+1500mv，扫描速率和步长都为1mv/s。
65.图1为实施例1制备的含有5wt％铁基非晶不锈钢试样的金相图；
66.图2为实施例2制备的含有10wt％铁基非晶不锈钢试样的金相图；
67.图3为对比例1制备不锈钢试样的金相图；
68.图4为实施例1、实施例2和对比例1所制备不锈钢的致密度。
69.如图1、图2、图3所示，采用相同工艺参数加工的不同试样中的缺陷主要为微小的球形气孔。这些气孔是由于成型过程中熔池内来不及上浮的气体造成的，这些气体来自于原材料中的水、氢气以及成型过程中高温导致的元素蒸发。在三种试样中都没有发现裂纹的存在。
70.图4说明铁基非晶粉末fe
52.5
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(质量比)的添加可以提高slm成型不锈钢的致密度。
71.图5为实施例1、实施例2和对比例1所制备不锈钢的显微硬度。
72.对比三种试样的显微硬度可以发现，添加铁基非晶粉末fe
52.5
cr
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mo
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可以明显提高316l不锈钢的硬度，当铁基非晶的添加量为5wt％时，其硬度相对于纯316l不锈钢提高了102.62hv，而当铁基非晶的添加量为10wt％时，其硬度提高了193.08hv。
73.图6为实施例1、实施例2和对比例1所制备不锈钢的摩擦曲线。
74.根据实施例1和对比例1的摩擦曲线可以看出，添加5wt％的铁基非晶后，不锈钢的摩擦系数有轻微的下降，摩擦曲线的上下波动也有一些降低。对比实施例2和对比例1的摩擦曲线发现，当非晶的添加量达到10wt％时，不锈钢的摩擦系数明显降低了，摩擦曲线的波动也是明显减小了。
75.图7为实施例1、实施例2和对比例1所制备不锈钢的磨损率。
76.对比实施例1、实施例2和对比例1在同种条件摩擦实验后的磨损率可以明显的发现，铁基非晶的添加有效的降低了不锈钢的磨损率，磨损率由对比例1的2.827
×
10-4
mm
·
n-1
·
m-1
，降低到了1.867
×
10-4
mm
·
n-1
·
m-1
，综合图6和图7可以说明铁基非晶的添加能够有效的提高不锈钢的耐磨性能。
77.图8为实施例1、实施例2和对比例1所制备不锈钢的动电位极化曲线。
78.根据图8中实施例1、实施例2和对比例1的动电位极化曲线，可以看出三组试样的腐蚀电位比较接近，没有明显的区别，但是观察三组试样的钝化区间和点蚀电位可以发现，非晶的添加提高了不锈钢的钝化区间和点蚀电位，尤其是非晶含量为10wt％的实施例2有着很高的点蚀电位具有很强的抗点蚀能力，说明非晶的添加提高了不锈钢的耐腐蚀性能。
79.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：将铁基非晶粉末与316l不锈钢粉末混合，获得混合粉末；采用选区激光熔化技术对混合粉末进行成型，获得不锈钢构件；所述铁基非晶粉为fe
52.5
cr
25.8
mo
16.8
c
2.4
b
2.1
粉末；铁基非晶粉末的添加量为混合粉末的5～20wt％。2.根据权利要求1所述提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法，其特征在于：所述316l不锈钢粉末的成分按质量百分比为：cr：16～18％、ni：10～14％、mo：2～3％、mn：≤2％、c：≤0.03％、si：≤0.75％、p：≤0.05％、s：≤0.03％、n：≤0.1％，余量为fe；所述的铁基非晶粉末的粒径为15～37μm；所述316l不锈钢粉末的粒径为15～53μm。3.根据权利要求1所述提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法，其特征在于：所述成型的工艺条件为：激光功率为60～95w、激光扫描速度为400～800mm/s、激光扫描间距为70～90μm。4.根据权利要求3所述提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法，其特征在于：所述成型工艺条件为激光功率为60～95w、扫描速度为400～800mm/s、扫描间距在70～90μm、扫描层厚为20～40μm、扫描策略为s型正交、每层熔化次数为1～2次。5.根据权利要求1所述提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法，其特征在于：所述采用选区激光熔化技术对混合粉末进行成型是指设计三维模型，对三维模型进行切片处理，获得二维切片；根据三维模型中各二维切片的位置，采用选区激光熔化技术，将混合粉末按照二维切片的几何形状数据依次进行熔化成型。6.根据权利要求1所述提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(1)将铁基非晶粉末与316l不锈钢粉末混合均匀，干燥，获得混合粉末；(2)设计三维模型，对三维模型进行切片处理，获得二维切片；(3)将混合粉末置于slm设备的粉料仓中，向成型仓中通入保护性气体；(4)在成型仓中的成型基板上铺上一层混合粉末，使用光纤激光根据二维切片在三维模型中的位置和几何形状对混合粉末进行熔化，成型的工艺参数为：激光功率为60～90w、激光扫描速度为400～600mm/s、激光扫描间距为70～90μm；(5)每加工完一层后，基板下降20～40μm，重新铺上一层混合粉末，如此循环，直到加工出整个构件。7.根据权利要求6所述提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法，其特征在于：步骤(1)中的混合为球磨混合；球磨的工艺参数为：球磨罐内通入氩气进行保护，球磨时间为2～3h，球磨转速为50～150r/min，球磨罐每旋转30min暂停10min；步骤(2)具体为设计三维模型，对三维模型进行切片处理保存为stl格式，然后导入slm设备中。8.根据权利要求6所述提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法，其特征在于：所述干燥的条件为：温度85～95℃，干燥的时间4.5～6h。

技术总结
本发明属于增材制造金属材料领域，公开了一种提高不锈钢耐磨耐腐蚀性能的方法。所述方法为将铁基非晶粉末与316L不锈钢粉末混合，获得混合粉末；采用选区激光熔化技术对混合粉末进行成型，获得不锈钢构件；所述铁基非晶粉为Fe


技术研发人员：王刚 江鹏威 邱兆国 郑志刚 曾德长
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/18