3d打印制造梯度管材及微观组织调控的方法

文档序号：1726415 发布日期：2019-12-20 浏览：22次 >En<

阅读说明：本技术 3d打印制造梯度管材及微观组织调控的方法 (Method for manufacturing gradient pipe through 3D printing and regulating and controlling microstructure ) 是由孙中刚朱朝阳唱丽丽楼玉民鲍听嵇书伟于 2019-03-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种3D打印制造梯度管材及微观组织调控的方法,属于增材制造技术领域。在打印过程中,使用两种合金粉末制备梯度合金复合管材,后经过多道次扩孔热轧工艺,通过将粗大柱状/等轴晶进行破碎、再结晶以细化晶粒,调控梯度复合管材微观组织。同时,扩孔轧制工艺还扩大了梯度复合管材孔径尺寸,摆脱金属3D打印设备尺寸的限制,以适应更大的市场需求。(The invention discloses a method for manufacturing a gradient pipe by 3D printing and regulating and controlling a microstructure, and belongs to the technical field of additive manufacturing. In the printing process, the two alloy powders are used for preparing the gradient alloy composite pipe, and then the coarse columnar/isometric crystals are crushed and recrystallized to refine grains through a multi-pass reaming hot rolling process, so that the microstructure of the gradient composite pipe is regulated and controlled. Meanwhile, the hole expanding and rolling process also enlarges the aperture size of the gradient composite pipe, and gets rid of the size limitation of metal 3D printing equipment so as to adapt to larger market demands.)

3D打印制造梯度管材及微观组织调控的方法

技术领域

本发明涉及增材制造领域，是一种3D打印制造梯度管材及微观组织调控的方法。

背景技术

金属梯度复合材料的使用，并通过先进的材料制备技术，使中间的内部结构与组成呈现梯度变化，不存在明显的界面变化，即材料组分在一定方向上梯度变化。从而使材料的性能指标产大幅提高，让各组分的材料发挥最大效用，节约贵重金属材料，实现单一金属不能满足的性能要求。目前，在许多对材料要求比较严格的场合，如耐腐蚀，耐高温，耐磨损，梯度材料已经被认为是具有较广阔的前景。例如，材料热应力的消除与材料内部的相组织分布的改善有关，梯度材料对热应力的缓和就可以证明梯度材料的发展前景。

一般轧制加工方法以温度为标准分为冷轧与热轧。冷轧生产效率高，加工精度高，且由于冷轧近年来在航空、汽车船舶等各个行业均运用广泛，运用较少的资源，也可获得精度较大的零件。热扩孔属于热轧的一种，是将加热到高温下的管材坯料通过扩孔头的作用，使得管坯内部孔径由小变大，扩孔后的管坯内孔与凸模互相配合。扩孔轧制后，管材发生形变，内部金相组织改变，晶粒细化，表现出到宏观上为管材的强度增大。

发明内容

本发明目的在于提供一种3D打印制造梯度管材及微观组织调控的方法，旨在通过3D打印+热轧扩孔的方式，生产具有优异微观组织及力学性能的梯度管材，复合管材接头可以是钢与钢、钢与钛、铜与钛、钢与高温合金、钛与高温合金等混合粉末所打印而成的梯度管材零件要求合金粉末导热性能，抗腐蚀以及耐磨损性能较好。

本发明的基本构思是首先用金属3D打印机制备两种梯度复合合金管材接头，管材接头分别由两种合金粉末的混合等梯度构成，并混合均匀。此时的复合管材接头内部晶粒较为粗大，不能满足工程上较高的性能要求。然后采用多道次热轧扩孔的方式来达到细化晶粒、调控微观组织以及优化管材力学性能的目的；同时热轧扩孔的方式还能扩大管材的直径尺寸，从而适应更大的市场需求。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种3D打印制造梯度管材及其微观组织调控的方法，包括：

步骤1、采用增材制造技术，将两种材质不同的合金粉末A和合金粉末B同轴送粉打印成梯度复合合金管材，该梯度管材的第一段和第二段分别由合金粉末A和合金粉末B打印，中间段由合金粉末A和合金粉末B的混合粉末打印，由第一段与中间段的连接处起至第二段与中间段的连接处，混合粉末中合金粉末A的质量含量从99％至1％逐渐递减，合金粉末B的质量含量从1％至99％逐渐递增，其中，合金粉末A和合金粉末B的选取需满足合金粉末A的轧制温度范围T_A和合金粉末B的轧制温度范围T_B之间具有交集，设该交集为T_A∩T_B；

步骤2、确认梯度复合合金管材的扩孔轧制温度，其中，轧制温度T＝T_A∩T_B，开轧温度T_k选择轧制温度T的上限值T_上±3℃即T_A∩T_B的上限值±3℃，终轧温度T_z选择轧制温度T下限值T_下+5～10℃即T_A∩T_B的下限值+5～10℃；

步骤3、将梯度复合合金管材加热至开轧温度T_k，在此开轧温度T_k下，采用扩孔轧制的方式快速对梯度复合合金管材进行多道次粗轧和多道次精轧，粗轧时每道次压缩率为30％～50％，精轧总压缩率为20％～50％，以达到破碎晶粒、再结晶和扩大板材尺寸的目的，确保终轧温度T_z时进行最后一道次的精轧作为终轧。

进一步的，步骤3中，多道次粗轧优选2～4道次粗轧。

进一步的，步骤3中，多道次精轧优选3～9道次精轧。

进一步的，步骤3中，采用半径为20mm的扩孔管进行扩孔。

本发明的一种3D打印制造梯度管材及微观组织调控的方法，其显著的优点在于：结合增材制造和热轧扩孔的方式制备梯度复合合金功能管材。增材制造打印的复合梯度管材，两种合金粉末按照两个方向的两个梯度得到均匀混合，使得管材缺陷减少，且工序简单。配合合适的热轧扩孔工艺，可以有效地对梯度管材中粗大的晶粒进行细化再结晶，而生成尺寸细小、分布均匀的等轴晶粒，从而改善了梯度复合管材的微观组织，优化了梯度复合管材力学性能。同时，热轧扩孔工艺还扩大了管材的直径，增大了可用流量，有效摆脱了金属3D打印设备对工件尺寸的限制。本发明的制备功能复合梯度管材的方法可以同时满足耐腐蚀、耐摩擦、耐高温、抗冲击、抗压力、抗蠕变等一种或多种特殊性能的需求。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的

具体实施方式

的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。

图1是本发明3D打印制造的梯度管材材料的结构分布示意图。

图2是本发明通过3D打印制造的梯度合金功能复合管材在扩孔热轧时的微观组织示意图。图中：1表示扩孔轧制后的微观组织，2表示扩孔轧制中的微观组织，3表示扩孔轧制后前的微观组织。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

根据本发明的公开，一种3D打印制造梯度管材及其微观组织调控的方法，如图1所示，通过3D打印技术制备出双向两种合金均匀成分99％～1％逐渐递减合金管材，梯度管材的合金粉末A和合金粉末B可以分别是钢与钢，钢与钛，钢与高温合金，钛与高温合金的复合，且不限于以上所列的四种材料搭配，但是，合金粉末A和合金粉末B的选取需满足合金粉末A的轧制温度T_A和合金粉末B的轧制温度T_B之间具有交集，因此，在本发明已限定两种合金粉末的选配范围，即轧制温度范围不存在交集的两种合金粉末不适用于本发明。例如：铝合金的熔点约660℃，远低于钛合金的终轧温度，因此，钛合金与铝合金不存在轧制温度交集，不适用于本发明。

再结合热轧扩孔工艺，对复合管材进行热加工处理。通过多道次的扩孔轧制，将3D打印后的粗大晶粒进行细化再结晶，生成细小的等轴晶粒，如图2所示，从而提高复合梯度管材的各项综合性能。

为了便于更好的理解，下面结合具体以下5种增材实例对本发明进行进一步说明，在实施例中选取配对的梯度合金粉末，如：Q235和316不锈钢(钢与钢)、316与TC4(钢与钛)、316和IN625合金(钢与高温合金)、TC4和IN625合金(钛与高温合金)以及TC4和IN718合金(钛与高温合金)等，热轧扩孔梯度管材。但合金粉末种类不限于实施例中的所列举的合金成分，且本发明内容包含而不限于实施例中的材质搭配。

【实施例一】

两种梯度合金粉末以Q235钢和316不锈钢为例，其中，Q235具有优良的综合力学性能，而316不锈钢具有优异的耐蚀性能和耐高温性能。由Q235和316不锈钢组成的复合梯度管材兼具优异的力学性能、耐蚀性能和耐高温性能，在工程领域具有较大的应用价值。其中Q235的轧制温度范围为910～1213℃，316不锈钢的轧制温度范围为900～1230℃，两合金轧制温度范围的交集T＝TA∩TB＝910～1213℃。在本实施例中选取1213±3℃为开轧温度，915～920℃为终轧温度。

(1)采用金属3D打印设备，将两种合金粉末Q235和316不锈钢同轴送粉打印梯度管材，打印壁厚为20mm，打印高度为2000mm，结束制备。

(2)将3D打印制备好的Q235/316复合梯度管材加热至1213±3℃，然后采用连轧+扩孔工艺，快速用半径为20mm的扩孔管对管材进行扩孔轧制，轧制时进行2道次粗轧+4道次单道次精轧。第1道次粗轧管壁压至13.00mm厚，压缩率35％；第2道次粗轧管壁至9.10mm厚，压缩率约30％。粗轧过程将管材的长度延至3580.96mm，而后再定精轧，共4道次将9.10mm厚的管材轧制成6.66mm，精轧的总压缩率21.5％。其中，精确控制粗轧与精轧的各个道次之间的时间间隔和温度，确保在935～940℃时进行第4道次精轧作为终轧。

(3)最终扩孔后的梯度管材尺寸为壁厚6.66mm，管长5.12m。