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                  國產金屬3D打印超級雙相不銹鋼粉末材料,遼寧冠達已批量生產

                  國產金屬3D打印超級雙相不銹鋼粉末材料,遼寧冠達已批量生產

                   

                  隨著以3D打印為代表的增材制造技術的飛速發展,使超級雙相不銹在海洋、化工和石油等各個領域開始應用。雙相不銹鋼粉末化學成分精確、可控是此類粉末制備的基礎也是難點,本文從生產實踐角度,詳細分析了如何突破各項關鍵技術,實現穩定的批量化生產。

                   

                  高性能的雙相不銹鋼

                   

                  雙相不銹鋼(Duplex Stainless Steel,DSS)是由相當體積分數的鐵素體(α) 與奧氏體(γ)組成的復相結構金屬材料。它集鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼的優點于一體,具有優良的耐腐蝕性、高強度和良好的塑性。1給出了以第二代雙相不銹鋼2205、超級雙相不銹鋼2507以及特超級雙相不銹鋼2707為代表的典型雙相不銹鋼的主要化學成分,表2給出了這幾種典型不銹鋼的力學性能。

                   

                  1  2205、2507、2707雙相不銹鋼的主要化學成分(wt%)

                  牌號

                  UNS No.

                  EN No.

                  C

                  Cr

                  Ni

                  Mo

                  Cu

                  N

                  2205

                  S32205

                  1.4462

                  ≦0.03

                  22.0~23.0

                  4.5~6.5

                  3.0~3.5

                  0.14~0.20

                  2507

                  S32507

                  1.4410

                  ≦0.03

                  24.0~26.0

                  6.0~8.0

                  3.0~5.0

                  ≦0.5

                  0.24~0.32

                  2707

                  S32707

                   

                  ≦0.03

                  26.0~29.0

                  5.5~9.5

                  4.0~5.0

                  ≦1.0

                  0.30~0.50

                   

                  2  2205、2507、2707雙相不銹鋼的力學性能[1]

                  牌號

                  UNS No.

                  Rp0.2

                  /MPa(ksi)

                  Rm

                  /MPa(ksi)

                   δ/%

                  EN No.

                  Rp0.2

                  /MPa(ksi)

                  Rm

                  /MPa(ksi)

                   δ/%

                  2205

                  S32205

                  450(65)

                  655(95)

                  25

                  1.4462

                  460(67)

                  640(93)

                  25

                  2507

                  S32507

                  550(80)

                  795(116)

                  15

                  1.4410

                  530(77)

                  730(106)

                  20

                  2707

                  S32707

                  580(84)

                  850(124)

                  25

                   

                  570(83)

                  845(123)

                  25

                  注:表中所列數據均為最小值

                  [1] ASTM A. A240/240M-Standard Specification for Heat Resisting Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate [J]. Sheet and Strip for Pressure Vessels, 2001.

                   

                  長期以來,雙相不銹鋼作為一種重要的工程結構材料在石油化工、船海工程以及建筑工業等領域得到了廣泛地應用。其中以2507為代表的超級雙相不銹鋼專門為海洋、化工和石油工程應用而設計,抗點蝕當量PREN大于40,在含有氯化物酸等苛刻環境下具有良好的耐蝕性能和很高的力學性能,可與6Mo型超級奧氏體不銹鋼相媲美。1顯示了在沸點溫度下,在50%醋酸和不同含量酸的混和溶液中雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼的腐蝕情況,2給出了按照ASTM G4826% FeCl3)測定的固溶退火狀態下各種不銹鋼耐點蝕和縫隙腐蝕性能的比較。

                   

                  1 雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼在50%醋酸和不同含量甲酸的沸騰混合溶液中的腐蝕(來源:Sandvik

                   

                  2 非焊接態奧氏體不銹鋼(左)和固溶退火的雙相不銹鋼(右)的臨界點蝕CPT和縫隙腐蝕溫度CCT(按照ASTM G482 6% FeCl3溶液中測量)

                   

                  應用潛力大

                   

                  隨著能源、環保問題的日益推進,潮汐發電、核電等新能源逐漸受到人們青睞。潮汐發電設備中的水輪機殼體、葉片,核電中的閥門,一些脫硫裝置中的葉輪等大多采用鑄造雙相不銹鋼。對于一些結構復雜的雙相不銹鋼鑄件,鑄造難度較大,且容易產生缺陷,從而降低了鑄造雙相不銹鋼的機械性能和耐蝕性能,限制了其發展。

                  金屬3D打印技術又稱增材制造技術(AM,屬于一種快速成型技術,是以構建的數字化模型文件為基礎,運用金屬粉末,通過逐層打印并疊加不同形狀的連續層,用于制造結構復雜的零件。與傳統的鑄造工藝相比,3D打印的最大優勢在于可以從原料直接自由制造復雜零件的能力,無需涉及諸如擠壓、鍛造、鑄造和二次加工等傳統制造方法即可獲得所需的形狀,且材料機械性能可以達到或超過鑄造水平,達到鍛造水平。遼寧冠達新材料科技有限公司20218月立項開始進行系列雙相不銹鋼金屬粉末的研發。公司的研發工程師們結合2205、2507等雙相不銹鋼成分特點進行了合金化計算機輔助設計,詳細分析各類原材料對成分的影響,確定最優的物料配比。另外此類雙相不銹鋼N含量較高且成分區間較窄,如何精確、穩定地控制合金中的N含量也是技術難點。項目團隊以N合金化熱力學、動力學計算為依據,制定了可調的N合金化控制工藝,為穩定、精確控N提供了技術支撐。公司生產的系列雙相不銹鋼N的控制水平如圖3所示,所有爐次各類雙相不銹鋼N含量都控制在目標范圍內,且絕大部分爐次2205N可以穩定控制在0.16~0.19%之間、2507N可以穩定控制在0.26~0.30%之間、2707N可以穩定控制在0.42~0.46%之間。圖4給出了公司生產的2507雙相不銹鋼不同爐次主要合金元素的變化情況,從圖中可以看出各爐次各類合金元素的含量基本一致,顯現出公司扎實的冶煉控制能力。

                   

                  3 各類雙相不銹鋼N的控制能力

                   

                  4 2507雙相不銹鋼主要合金元素的控制水平

                   

                  在掌控了窄成分精確控制技術后還要配合特定的氣霧化工藝才能完成高品質金屬粉末的生產。為此研發團隊開發了數據驅動霧化技術,完成了包括凝固過程相變、凝固過程熱導率變化以及金屬液物性(粘度、表面張力)等參數的模擬計算,建立了全套金屬凝固過程物性數據庫,為雙相不銹鋼氣霧化提供了完備的數據支撐。圖5~82507雙相不銹鋼的相關物性模擬計算結果。

                   

                  5 2507雙相不銹鋼凝固過程相變模擬計算結果

                   

                  6 2507雙相不銹鋼凝固過程導熱系數隨溫度的變化關系

                   

                  7 2507雙相不銹鋼金屬液粘度隨溫度的變化關系

                   

                  8 2507雙相不銹鋼金屬液表面張力隨溫度的變化關系

                   

                  依托此金屬凝固過程物性數據庫,為每個牌號的雙相不銹鋼量身定制氣霧化工藝。圖9為公司生產的2507超級雙相不銹鋼粉末(15-53μmSEM微觀形貌圖片,粉末球形度較好,粉體表面光滑,衛星球較少。不同牌號雙相不銹鋼粉末打印段粒度(15-53μm)控制很穩定,D10:18-23、D50: 32-36、D90: 52-56;流速≦20s/50g;松裝密度≧4.15g/cm3。3給出了實際生產的部分爐次雙相不銹鋼粉末的物性。

                   

                  9 2507粉末15-53μm微觀形貌

                   

                  3 實際生產的部分爐次雙相不銹鋼粉末物性

                  牌號

                  UNS No.

                  粒度組成

                  Size Distribution

                  流動性

                  Flowabilitys/50g

                  松裝密度

                  Apparent densityg/cm3

                  振實密度

                  Tap densityg/cm3

                  2205

                  S32205

                  D10/μm: 21.6

                  D50/μm: 34.7

                  D90/μm: 54.3

                  20

                  4.20

                  4.73

                  2507

                  S32507

                  D10/μm: 20.3

                  D50/μm: 32.9

                  D90/μm: 52.4

                  19.8

                  4.18

                  4.7

                  2707

                  S32707

                  D10/μm: 20.5

                  D50/μm: 33.1

                  D90/μm: 53.5

                  19.6

                  4.16

                  4.68

                   

                  研發團隊還對雙相不銹鋼粉末進行了金相組織檢驗。圖10和圖11給出了2507打印段(15-53μm)粉末腐蝕態金相顯微照片,由圖中可以清晰的觀測到粉末內部為均勻的等軸晶結構,經腐蝕后顯現出均勻分布的超細晶雙相組織,且兩相比約為1:1。

                   

                  10  2507打印段15-53μm粉末腐蝕態金相照片(1000×

                   

                  11  2507打印段15-53μm粉末腐蝕態金相照片(500×

                   

                  綜上,遼寧冠達新材料科技有限公司歷時約4個月研發,通過合金化計算機輔助設計、氣氛可調的N合金化工藝、數據驅動定制化霧化等集成控制技術,成功實現了系列化雙相不銹鋼的批量、穩定生產,為我國增材制造技術的發展、為超級雙相不銹鋼更廣泛地應用在海洋、化工和石油各個領域貢獻力量。

                   

                  CuAlNiMn

                  CuAlNiMn

                  CoCrNiAlTi

                  CoCrNiAlTi

                  CuCMnNiTi

                  CuCMnNiTi

                  AlCoCrFeNi

                  AlCoCrFeNi

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