一种适用于氧化物强化钢的选区激光熔化增材制造方法
阅读说明：本技术 一种适用于氧化物强化钢的选区激光熔化增材制造方法 (selective laser melting additive manufacturing method suitable for oxide reinforced steel ) 是由 翟玉涛 宋亮亮 毛小东 黄群英 吴宜灿 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：本发明属于3D打印技术领域,具体涉及一种适用于氧化物强化钢的选区激光熔化增材制造方法。所述方法首先通过将含钇纳米氧化物与9-18Cr铁素体/奥氏体钢粉末混合均匀后装入送粉箱中；其次在计算机中建立三维实体模型,并进行分层切片处理,设定每层粉末层的铺粉厚度和沉降补偿；再次采用激光束按照分层切片形状对粉末层进行依次成型,最后进行热处理后得到。所述方法可一次实现高性能ODS钢的成型,具有成型质量好、无微裂纹、致密度高、和综合力学性能好的优点；成型后残余应力小且分布均匀,工件变形小,成型精度高。(The invention belongs to the technical field of 3D printing, and particularly relates to a selective laser melting additive manufacturing method suitable for oxide reinforced steel. Firstly, uniformly mixing yttrium-containing nano oxide and 9-18Cr ferrite/austenitic steel powder, and then loading the mixture into a powder feeding box; secondly, establishing a three-dimensional solid model in a computer, carrying out layered slicing treatment, and setting the powder laying thickness and settlement compensation of each powder layer; and sequentially forming the powder layer by adopting the laser beam according to the shape of the layered slice, and finally performing heat treatment to obtain the powder. The method can realize the molding of the high-performance ODS steel at one time, and has the advantages of good molding quality, no microcrack, high density and good comprehensive mechanical property; the residual stress after molding is small and evenly distributed, the deformation of the workpiece is small, and the molding precision is high.)
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种适用于氧化物强化钢的选区激光熔化增材制造方法。
背景技术
氧化物弥散强化钢(Oxide Dispersion Strengthened Steel，ODS Steel)因具有优异的抗辐照肿胀、抗氦脆性能及良好的高温强度和蠕变性能，被广泛认为是未来***核反应堆燃料包壳材料、高温结构件材料和未来聚变堆包层第一壁等先进核能系统关键部件的重要候选结构材料(主要为9-18Cr铁素体/奥氏体钢)，其服役环境严苛，需承受高能中子辐照、高表面热流、高核热沉积、液态金属腐蚀、高压及复杂机械载荷等，对结构材料、成型质量和制件成型精度均具有极高的要求。ODS钢的常规制备工艺主要包括：纯金属粉(或预合金粉)与纳米氧化物(如Y-Ti-O、Y-Si-O、Y-Al-O、Y-Zr-O或Y-Hf-O)粉末混合球磨机械合金化后通过热等静压(HIP)、热轧或高温烧结等方式热固体化成型，由于受机械合金化效率及热固化成型设备能力的限制，ODS钢的制备规模较小，难以实现工业规模化生产。
此外，由于ODS钢中纳米氧化物的比重较基体合金的比重小，传统的熔化焊接加工会导致氧化物颗粒随焊缝金属的熔化向焊缝表面上浮，使组织中的氧化物弥散强化颗粒分离出来并聚集，从而破坏了纳米氧化物在钢中的弥散分布状态，造成焊接接头高温蠕变性能和抗辐照性能降低，并最终导致材料性能恶化。因此，ODS钢的部件成型也成为限制其在核能领域部件制造和大规模应用的瓶颈。
近年来快速发展的增材制造(3D打印)技术为ODS钢的成型提供了新的途径，选区激光熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)是增材制造快速成型技术的一种，SLM工艺具有极高的微区快速熔化与凝固、高前缘冷却速率及高热梯度对流搅拌的特点。根据含钇(Y)纳米氧化物的析出动力学特性，采用SLM工艺可最小化纳米氧化物的聚集并维持弥散分布，可避免纳米氧化物的团聚并实现ODS钢由粉末到零件的直接快速成型，且具有成型表面质量好、粗糙度小以及复杂结构一体成型等优点；由于不同的材料物理性能差异较大，成型工艺是该技术的关键。目前，现有的SLM制备ODS钢的方法中，成型后的ODS钢微裂纹多、致密度不高(较高的仅达到锻件的90％左右)、力学性能差等主要问题没有得到有效解决。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于氧化物强化钢的选区激光熔化增材制造方法，极大改善了材料成型性能，减少了微裂纹产生率并消减了球化现象，提高了整体成型质量。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下。
一种适用于氧化物强化钢的选区激光熔化增材制造方法，所述方法步骤如下：
(1)以含钇(Y)纳米氧化物与9-18Cr铁素体/奥氏体钢粉末为原料，以所述原料总质量为100％计，含钇纳米氧化物的质量分数为0.2-5％：9-18Cr铁素体/奥氏体钢粉末的质量分数为95-99.8％，5μm≤9-18Cr铁素体/奥氏体钢粉末粒径≤75μm，将所述原料混合均匀后装入SLM设备的送粉箱中；
优选的，所述9-18Cr铁素体/奥氏体钢粉末中细粉的质量分数为15％-25％，中粉的质量分数为50％-70％，粗粉的质量分数为15％-25％；其中，5μm≤细粉粒径＜20μm，20μm≤中粉粒径≤60μm，60μm＜粗粉粒径≤75μm，以确保铺粉过程具有较高的松装密度和成型后具有较好的致密度；
优选的，所述含钇(Y)纳米氧化物为Y-Ti-O、Y-Si-O、Y-Al-O、Y-Zr-O或Y-Hf-O，可根据基体材料服役环境需求，如耐高温、抗腐蚀、抗辐照等，选择氧化物类型。
(2)在计算机中利用作图软件对要成型的部件建立三维实体模型，将所述三维实体模型输入成型控制软件中进行分层切片处理，得到分层切片形状，根据成型件的结构、大小选择成型方向以及添加支撑，根据材料物理性能，设定每层粉末层的铺粉厚度和沉降补偿；其中，铺粉厚度为20-70μm，沉降补偿为：根据成型材料的熔化与凝固特性，每沉积10-20层，铺粉厚度增加10-50μm；
(3)选区激光熔化快速成型：采用激光束按照分层切片形状对粉末层进行依次成型，每一层采用多次激光扫描成型策略，激光成型工艺为：激光功率50-500W，激光束直径50-150μm，扫描速度200-1000mm/s，扫描方式：层内跳转变向及层间正交，扫描间距20-80μm，搭接率20-50％，粉末预热150-400℃；其中，SLM设备的成型室内采用保护气体保护且压力始终维持在10-40mbar；成型室内温度维持在300±50℃；每一层层内沉积采用相同的成型工艺，每两层之间采用正交扫描策略，即将要成型层的激光扫描方向相对于上一层已沉积的成型层激光扫描方向旋转90°的正交扫描方式，以降低成型后的残余应力；
优选的，每一层的层内沉积成型采用多次扫描成型策略(一般采用三次扫描成型)，以降低成型过程裂纹几率并消减球化，提高成型质量；首先，小功率激光按照分层切片形状的截面轮廓进行扫描，在同一层内部的2条沉积道次间以及两层之间的扫描搭接率均为20-50％，对铺好的粉末层采用小功率激光进行扫描，此时粉末不熔化仅对粉末进行加热预热以降低成型过程温度梯度，减小裂纹产生几率，激光扫描预热工艺为：激光功率50-200W，激光束直径80-150μm，扫描速度400-1000mm/s，扫描方式：跳转变向，扫描间距20-80μm，粉末预热至150-400℃；其次，大功率激光扫描熔化粉末，成型工艺为：激光功率300-500W，激光束直径50-150μm，扫描速度400-1000mm/s，扫描方式：跳转变向，扫描间距20-80μm；最后，中等功率激光互错扫描进行激光修复，以消减球化和微裂纹缺陷，成型工艺为：激光功率200-300W小功率和中等功率不同时为200W，大功率和中等功率不同时为300W，激光束直径80-150μm，扫描速度400-1000mm/s，扫描方式：与大功率熔化扫描道次互错扫描，互错间距10-60μm，扫描间距20-80μm，扫描道次间搭接率为20-50％。每一层的成型采用多次扫描成型策略，与现有的一次扫描成型相比，增加了熔化沉积成型前的粉末预热和沉积成型后的消减球化激光扫描，可以降低成型过程裂纹产生几率并消减球化，提高沉积成型的质量。
优选的，所述保护气体为惰性气体或氮气。
(4)成型完毕后进行热处理，得到一种纳米氧化物强化钢。
优选的，热处理工艺：以5-30℃/min的升温速率随炉升温至900-1200℃，保温60-180min，确保纳米氧化物弥散析出并达到稳定状态，再以5-50℃/min的降温速率随炉冷却至50℃以下后出炉，确保纳米氧化物完全析出并减小残余应力，提高材料抗辐照、耐高温特性以及部件的整体性能。现有对ODS钢进行热处理主要目的为促使纳米氧化物的析出，本发明的热处理为确保纳米氧化物的完全析出。因SLM技术层层堆积成型特点，在同层内相邻激光扫描道次间，下一道次对相邻的已沉积成型的上一扫描道次具有一定的热处理作用；同时，在上下两层沉积层之间，即将沉积成型层将对上一层已沉积成型层同样具有一定的热处理作用。因此，ODS钢在SLM成型过程中已存在部分甚至全部纳米氧化物的析出，成型后的真空热处理可进一步确保纳米氧化物的完全析出，同时减小工件成型后的残余应力，提高其综合力学性能。
有益效果：
(1)本发明可克服现有机械合金化-热压方式制备ODS钢效率低、规模小的问题，大大提高ODS钢成型效率；本发明可由粉末原材料直接成型ODS钢部件，只需再经过少量的机械加工即可完成，极大缩短了传统ODS钢部件需经由粉末-机械合金化-热压成型-机械加工-焊接成型-机械加工的部件制备流程；ODS钢部件的成型是制约其应用的关键技术之一，传统的熔化焊接易导致纳米氧化物的聚集，从而破坏了纳米氧化物在钢中的弥散分布状态，造成焊接接头高温蠕变性能和抗辐照性能降低，并最终导致材料性能恶化；本发明的选区激光熔化快速成型技术，激光光斑直径小可形成极小的微熔池，微熔池与周围基体较大的接触面具有极高的冷却速率，可确保纳米氧化物成型后的弥散分布及成型后ODS钢部件的抗辐照耐高温特性不变。
(2)现有的SLM工艺一般采用一次扫描沉积成型且每两层之间多为机械式工艺复制，成型后多具有微裂纹，层内激光扫描道次的搭接处存在较严重的球化现象，严重影响成型后的力学性能。此外，每2层沉积层之间扫描方式相同，导致成型后残余应力大，工件成型后变形量大。本发明优化粉末粒径配比，采用层内多次扫描成型策略，同时在每两层沉积层间采用正交扫描成型方式，极大改善了材料的成型性能，减少了微裂纹产生几率，消减了球化现象，降低了成型后的残余应力，提高了成型质量，提升了材料成型后的力学性能。
附图说明
图1为实施例1中所述的小型化中国铅基堆燃料组件包壳管部件结构示意图；
图2为实施例2中所述的中国铅基堆一回路液态金属冷却剂驱动泵叶轮部件结构示意图；
图3为实施例3中所述的中国聚变工程试验堆(CFETR)包层第一壁部件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。
实施例1
一种小型化中国铅基堆燃料包壳管部件的选区激光熔化增材制造方法，所述方法步骤如下：
(1)以含钇(Y)纳米氧化物(Y-Al-O)与18Cr奥氏体316L不锈钢粉末为原料，以所述原料总质量为100％计，含钇(Y)纳米氧化物(Y-Al-O)的质量分数为0.2％：18Cr奥氏体316L不锈钢粉末的质量分数为99.8％，将所述原料混合均匀后装入送粉箱中，得到原料混合粉末；18Cr奥氏体316L不锈钢粉末粒径5-75μm，并按照15％细粉(5μm≤粒径＜20μm)、70％中粉(20≤粒径≤60μm)与15％粗粉(60＜粒径≤75μm)的粉末重量配比混合；
(2)在计算机中利用作图软件对要成型的部件建立三维实体模型，将要成型部件的三维实体图形输入BLT-C600选区激光熔化设备控制计算机的成型控制软件中，根据部件的尺寸大小：160mm×25mm×550mm，选择竖直成型方式，并根据材料特性设定分层厚度为0.5mm，每沉积10层铺粉厚度增加10μm。
(3)成型室中抽真空，待真空度达到10-3Pa量级后向成型室充入纯度为99.99的高纯Ar2，待真空度达到1MPa后，再次抽真空到10-3Pa并充入高纯Ar2到1MPa，如此重复2次；
(4)成型室内氩气保护，氩气压力20mbar，在整个成型过程中确保成型室内温度在300±50℃；通过送粉箱在铺粉平面上铺展一层厚度为0.5mm的原料混合粉末，首先采用小功率大束斑激光对分层切片的成型截面轮廓进行扫描预热，并采用红外温度检测，确保粉末预热温度达到200℃，激光扫描预热工艺：激光功率120W，激光直径150μm，扫描速度1000mm/s，扫描方式：跳转变向，扫描搭接率30％，扫描间距80μm；其次，采用大功率激光按照分层切片的成型截面轮廓信息进行选择性熔化成型，熔化扫描成型工艺：激光功率400W，激光直径80μm，扫描速度500mm/s，扫描方式：跳转变向，扫描搭接率30％，扫描间距80μm；最后，采用较低功率激光对熔化道次间的球化与微裂纹进行修复，消减球化缺陷，进一步提高成型致密度，激光修复工艺：激光功率300W，激光直径80μm，扫描速度500mm/s，扫描方式与熔化扫描路径相互错开，互错间距30μm，扫描间距80μm，搭接率20％；
(4)待第一层粉末沉积成型后，通过铺粉箱铺设第二层粉末，粉末厚度均匀且与第一层厚度相同，层内熔化沉积采用与上一层相同的成型工艺，而层间即本次将要成型层与上一层已沉积层之间采用垂直90°方向的正交扫描方式进行沉积成型，如此层层堆积直至整个零件成型完成；
(5)部件成型完成后，即刻从成型室内取出并进行真空热处理，以确保纳米氧化物均匀析出并减小部件成型过程中的残余应力，提高部件的整体性能，热处理工艺：在腾鳌HT-1400真空退火炉中，以20℃/min的升温速率随炉升温至1050℃，保温120min，再以5℃/min的冷却速率随炉冷却至50℃以下后出炉，得到小型化中国铅基堆燃料组件包壳管部件，结构如图1所示。
经Carl Zeiss三坐标测量仪测量燃料包壳的成型精度达到+0.3mm，经ZEISS场发射扫描电子显微镜观察Y-Al-O纳米氧化物均匀析出，无微裂纹及明显球化等缺陷，具有良好的抗辐照肿胀及高温力学性能，排水法测定成型密度可达锻件的97％以上。与现有一次扫描沉积成型的SLM工艺相比，材料成型后致密度可提升5％-10％。
实施例2
一种中国铅基堆一回路液态金属冷却剂驱动泵叶轮部件的选区激光熔化增材制造方法，所述方法步骤如下：
(1)以含钇(Y)纳米氧化物(Y-Si-O)与Fe-16Cr-Al合金粉末为原料，以所述原料总质量为100％计，含钇(Y)纳米氧化物(Y-Si-O)的质量分数为2％：Fe-16Cr-Al合金粉末的质量分数为98％，将所述原料混合均匀后装入送粉箱中，得到原料混合粉末；1Fe-16Cr-Al合金粉末粒径5-75μm，并按照20％细粉(5μm≤粒径＜20μm)、60％中粉(20≤粒径≤60μm)与20％粗粉(60＜粒径≤75μm)的粉末重量配比混合；
(2)在计算机中利用作图软件对要成型的部件建立三维实体模型，将要成型部件的三维实体图形输入Renishaw AM250选区激光熔化成型设备控制计算机的成型控制软件中，根据部件的最大外形尺寸：Φ155mm×135mm，选择倾斜45°成型方式，并根据材料特性，设定分层厚度为0.7mm，每沉积10层沉降补偿30μm。
(3)成型室中抽真空，待真空度达到10-3Pa量级后向成型室充入纯度为99.99的高纯Ar2，待真空度达到1MPa后，再次抽真空到10-3Pa并充入高纯Ar2到1MPa，如此重复3次；
(4)成型室内氩气保护，氩气压力20mbar，在整个成型过程中确保成型室内温度在300±50℃；通过送粉箱在铺粉平面上铺展一层厚度为0.7mm的原料混合粉末；首先采用小功率大束斑激光对分层切片的成型截面轮廓进行扫描预热，并采用红外温度检测，确保粉末预热温度达到250℃，激光预热工艺：激光功率50W，激光直径150μm，扫描速度300mm/s，扫描间距50μm；其次，采用大功率激光按照分层切片的成型截面轮廓信息进行选择性熔化成型，成型工艺：激光功率300W，激光直径60μm，扫描速度600mm/s，熔化扫描扫描方式：跳转变向，扫描搭接率40％，扫描间距50μm；最后，采用中等功率激光对熔化道次间的球化与微裂纹缺陷进行修复，消减球化缺陷，进一步提高成型致密度，中等功率激光修复工艺：激光功率200W，激光直径60μm，扫描速度500mm/s，扫描方式与熔化扫描路径互相错开，互错间距30μm，扫描间距50μm，搭接率40％；
(5)待第一层粉末沉积成型后，通过铺粉箱铺设第二层粉末，粉末厚度均匀且与第一层厚度相同，层内熔化沉积采用与上一层相同的成型工艺，而层间即本次将要成型层与上一层已沉积层之间采用垂直90°方向的正交扫描方式进行沉积成型，如此层层堆积，直至整个零件成型完成；
(6)部件成型完成后，即刻从成型室内取出并进行真空热处理，已确保纳米氧化物均匀析出并减小部件成型过程中的残余应力，提高部件的整体性能，热处理工艺：在腾鳌HT-1400真空退火炉中，以5℃/min的升温速率随炉升温至900℃，保温60min，再以20℃/min的冷却速率随炉冷却至50℃以下后出炉，得到中国铅基堆一回路液态金属冷却剂驱动泵叶轮部件，结构如图2所示。
经ZEISS场发射扫描电子显微镜分析，Y-Si-O纳米氧化物均匀析出，无微裂纹及明显球化等缺陷，具有优良的抗液态金属腐蚀性能；经Carl Zeiss三坐标测量仪测量成型精度达到+0.3mm，排水法测定成型密度可达锻件的98％以上。本发明与现有SLM工艺相比，无微裂纹，材料成型后致密度可提升5％-10％。
实施例3
一种中国聚变工程试验堆(CFETR)包层第一壁部件的选区激光熔化增材制造方法，所述方法步骤如下：
(1)以含钇(Y)纳米氧化物(Y-Ti-O)与9Cr中国低活化铁素体钢CLAM粉末为原料，以所述原料总质量为100％计，含钇(Y)纳米氧化物(Y-Si-O)的质量分数为5％：9Cr中国低活化铁素体钢CLAM粉末的质量分数为95％，将所述原料混合均匀后装入送粉箱中，得到原料混合粉末；9Cr中国低活化铁素体钢CLAM粉末粒径5-75μm，并按照25％细粉(5μm≤粒径＜20μm)、50％中粉(20≤粒径≤60μm)与25％粗粉(60＜粒径≤75μm)的粉末重量配比混合；
(2)在计算机中利用作图软件对要成型的部件建立三维实体模型，将要成型部件的三维实体图形输入BLT-C600选区激光熔化设备控制计算机的成型控制软件中，根据部件的尺寸大小：长×宽×高＝240mm×161mm×545mm，选择竖直成型方式，并根据材料特性，设定分层厚度为0.2mm，每沉积10层沉降补偿50μm。
(3)成型室中抽真空，待真空度达到10-3Pa量级后向成型室充入纯度为99.99的高纯Ar2，待真空度达到1MPa后，再次抽真空到10-3Pa并充入高纯Ar2到1MPa，如此重复3次；
(4)成型室内氩气保护，氩气压力40mbar，在整个成型过程中确保成型室内温度在300±50℃；首先通过送粉机构在铺粉平面上铺展一层厚度为0.2mm的纳米Y-Ti-O粉末与CLAM粉末的均匀混合粉末；首先采用小功率大束斑激光对分层切片的成型截面轮廓进行扫描预热，并采用红外温度实时检测方法，确保粉末温度达到300℃，激光预热工艺：激光功率200W，激光直径150μm，扫描速度400mm/s，扫描间距20μm；其次，采用大功率激光按照截面轮廓的信息进行选择性熔化成型，熔化扫描成型工艺：激光功率500W，激光直径60μm，扫描速度600mm/s，扫描方式跳转变向，扫描间距50μm，搭接率50％；最后，采用中等功率激光对熔化道次间的球化与微裂纹进行修复，消减球化缺陷，提高成型致密度，激光修复工艺：激光功率300W，激光直径100μm，扫描速度300mm/s，扫描方式与熔化扫描路径互相错开，互错间距30μm，扫描间距50μm；
(5)待第一层粉末沉积成型后，通过铺粉箱铺设第二层粉末，粉末厚度均匀且与第一层厚度相同，层内熔化沉积采用与上一层相同的成型工艺，而层间即本次将要成型层与上一层已沉积层之间采用垂直90°方向的正交扫描方式进行沉积成型，如此层层堆积，直至整个零件成型完成；
(6)部件成型完成后，即刻从成型室内取出并进行真空热处理，确保纳米氧化物均匀析出并减小部件成型过程中的残余应力，提高部件的整体性能，热处理工艺：在腾鳌HT-1400真空退火炉中，以10℃/min的升温速率随炉升温至1200℃，保温180min，再以50℃/min的冷却速率随炉冷却至40℃以下后出炉，得到中国聚变工程试验堆(CFETR)包层第一壁部件，结构如图3所示。
经ZEISS场发射扫描电子显微镜分析，Y-Ti-O纳米氧化物均匀析出，无微裂纹及明显球化等缺陷，具有优良的抗辐照与低活化性能，排水法测定成型致密度可达锻件的97％以上。本发明与现有SLM工艺相比，无微裂纹，材料成型后致密度可提升5％-10％。
本发明优化粉末粒径配比提高铺粉的松装密度进而提升材料成型后的致密度，层内采用(预热-熔化沉积-微缺陷修复)多次扫描成型策略，极大改善了材料成型性能，减少了微裂纹产生率并消减了球化现象，提高了整体成型质量；同时，多次扫描具有一定的热处理效果，有利于ODS钢中纳米氧化物的完全析出，提升材料成型后的综合力学性能。此外，在每两层沉积层间采用正交扫描方式，使得成型后残余应力及应力梯度分布最小化，部件的成型精度大幅提升。
将本发明的SLM快速成型工艺运用于ODS钢的制备，可一次实现高性能ODS钢的成型，具有成型质量好、无微裂纹、致密度高和综合力学性能好等优点；此外，成型后残余应力小且分布均匀，工件变形小，成型精度高，避免了传统ODS钢部件焊接加工成型导致纳米氧化物的团聚问题，可有效提高ODS钢及其部件的成型效率，具有广阔的发展和应用前景。