一种电弧增材制造用超高强钢丝材及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种电弧增材制造用超高强钢丝材，其特征在于该超高强钢丝材包括以下质量百分比组成C：≤0.03％，Si：≤0.5％，Mo：3.0～6.0％，Ni：16.0～20.0％，Ti：0.5～1.8％，Al：0.05～0.20％，P：≤0.003％，S：≤0.003％，H：≤5ppm，N≤0.002％，O≤0.003％，Fe为余量。本发明专利技术制备的超高强钢丝材成分设计科学合理，采用超高强钢丝材电弧增材制造堆积体热处理后抗拉强度可达1330MPa以上，屈服强度1250MPa以上，同时延伸率可保持在8％以上。同时延伸率可保持在8％以上。

【技术实现步骤摘要】
一种电弧增材制造用超高强钢丝材及制备方法


[0001]本专利技术涉及电弧增材制造用材料领域，尤其涉及一种电弧增材制造用超高强钢丝材及制备方法。

技术介绍

[0002]超高强钢以其优良的强韧性广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶、兵器和模具等领域。随着机械装备大型化、功构一体化的发展，超高强钢构件结构逐渐复杂化和多样化。但是，传统的铸造、锻造和焊接等加工工艺往往难以满足大型超高强钢构件结构复杂化和多样化制造的需求。近年来，电弧增材制造技术的发展为大型复杂超高强钢构件的制造提供了新方法。超高强钢电弧增材制造技术以电弧为热源，超高强钢丝材为填充金属，按照设定的路线逐层堆积，实现复杂构件的近净成形。与传统加工工艺相比，超高强钢电弧增材制造技术无需模具，材料利用率高，制造周期短，成品率高；与激光、电子束粉末基增材制造技术相比，超高强钢电弧增材制造技术材料利用率高，制造速率快，致密度高，构件尺寸大，能够实现大型较复杂超高强钢构件的整体快速成形。因此，超高强钢电弧增材制造技术已应用于海工机械、兵器装备、铁路交通和模具制造等领域。然而，超高强钢电弧增材制造技术目前仍存在以下问题：首先，电弧增材制造专用超高强钢丝材缺乏，目前主要采用商用超高强钢焊丝来替代，合金成分含有大量的钴等元素，导致丝材价格昂贵；其次，超高强钢电弧增材制造微观组织粗大，而且枝晶间存在镍等合金元素偏析现象，在热处理过程中偏析区域会形成逆变奥氏体，在外载下容易产生裂纹，导致增材制造构件性能低于锻件，目前主要通过非熔化极电弧增材制造方法降低组织粗化和偏析程度，导致增材制造速率低。上述问题严重制约了超高强钢电弧增材制造技术的应用和推广。
[0003]因此，研制电弧增材制造用超高强钢丝材具有重要的工程应用价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的第一个技术问题是针对上述技术现状而提供一种综合性能优良且高效率的电弧增材制造用超高强钢丝材。
[0005]本专利技术解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种电弧增材制造用超高强钢丝材，其特征在于该超高强钢丝材包括以下质量百分比组成C：≤0.03％，Si：≤0.5％，Mo：3.0～6.0％，Ni：16.0～20.0％，Ti：0.5～1.8％，Al：0.05～0.20％，P：≤0.003％，S：≤0.003％，H：≤5ppm，N≤0.002％，O≤0.003％，Fe为余量。
[0006]C：C元素为间隙固溶强化元素，能够显著提高超高强钢的强度。但是本专利技术中超高强钢丝材合金体系为马氏体时效钢，对于马氏体时效钢，C元素添加会引起电弧增材制造过程中大尺寸碳化钛的析出，显著降低塑韧性，而且C元素会使得电弧增材制造成形性变差。因此，本专利技术中，C元素含量控制为0.03％以下。
[0007]Si：Si元素在电弧增材制造过程中具有良好的脱氧能力，但是采用Si元素脱氧形成的氧化物熔点高、尺寸小，在电弧增材制造过程中难以上浮，易造成夹渣，降低强度和延
伸率。因此，本专利技术中硅元素含量控制为0.5％以下。
[0008]Mo：Mo元素有良好的置换固溶强化作用，在电弧增材过程中能够抑制热循环引起的回火脆性和过热倾向。对于本专利技术中超高强马氏体时效钢丝材合金体系，Mo能够固溶到基体中改变基体的晶格常数，降低析出相与基体之间的错配度，促进析出相均匀弥散析出，同时能够抑制(Ni，Al)析出相生长。但是当Mo含量过高时，会降低电弧增材制造超高强钢的塑韧性。因此，本专利技术Mo元素含量控制在3.0～6.0％。
[0009]Ni：Ni元素能够增加高强钢的塑韧性，而且对于马氏体时效钢，镍元素能够形成Ni3X或者NiX(X为Ti和Al等元素)等析出相，产生显著的沉淀强化作用。因此，本专利技术中Ni元素含量控制在16～20％。
[0010]Ti：Ti元素具有固溶强化作用，而且能够以NiTi或Ni3Ti的形式析出，产生沉淀强化作用。钛元素的溶质分配系数小于1，在超高强钢电弧增材制造凝固过程中容易向枝晶间偏析。钛元素是铁素体形成元素，能够降低奥氏体的机械稳定性(外载下奥氏体向马氏体转变的难易程度)。因此，本专利技术通过增加钛元素含量，一方面能促进电弧增材制造超高强钢热处理过程中Ni-Ti纳米相的析出，产生强化作用；另一方面增加电弧增材制造过程中钛元素在枝晶间的偏析含量，降低热处理过程中枝晶间区域形成的逆变奥氏体的机械稳定性，在拉伸载荷下容易发生形变诱导马氏体相变，产生相变诱导塑性效应，在提高强度的同时，能够保证高延伸率。但是，Ti含量过高会降低马氏体时效钢的断裂韧性。因此，本专利技术中Ti元素含量控制在0.5～1.8％。
[0011]Al：Al元素能够以NiAl或Ni3Al的形式析出，产生沉淀强化作用。同时，铝元素能够脱氧减少夹杂物。但是，当Al含量过高时会形成大量的氧化物夹杂，降低强度和韧性，而且当AL元素含量过高会降低超高强钢电弧增材制造成形性，增加裂纹敏感性。因此，本专利技术中Al元素含量控制在0.05～0.20％。
[0012]P、S、H、N和O等杂质元素：H元素会增加氢脆敏感性；O元素会形成氧化物夹杂危害强度和韧性；N元素会与钢中的Ti反应，生成TiN，降低韧性；P、S会降低韧性。因此，超高强钢合金成分设计和熔炼过程中需要严格控制上述杂质元素含量，本专利技术中P、S元素含量均控制在0.003％以下，N元素含量控制在在0.002％以下，H元素含量控制在0.0005％以下，O元素含量控制在0.003％以下。
[0013]本专利技术所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种电弧增材制造用超高强钢丝材的制备方法。
[0014]本专利技术解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种电弧增材制造用超高强钢丝材的制备方法，其特征在于：该超高强钢丝材包括以下制备步骤：
[0015]1)熔炼与铸造：采用真空冶炼炉对超高强钢合金进行初次熔炼，铸造得到初熔的铸锭；随后将初熔的铸锭锻造制备成电极试样，采用电渣重熔的方法对电极试样进行二次熔炼，铸造得到最终的铸锭；
[0016]2)锻造：对铸锭进行锻造，得到棒材；
[0017]3)轧制：对棒材进行轧制，得到盘条；
[0018]4)退火：对盘条进行退火处理；
[0019]5)拉拔：对退火处理后的盘条进行拉拔；
[0020]6)清洗后烘干、绕盘。
[0021]由于超高强钢丝材拉拔成形性和电弧增材制造构件力学性能对S、P、H等杂质十分敏感性，因此需要严格控制丝材原料中的杂质元素含量。本专利技术采用真空冶炼和电渣重熔双重熔炼方法对超高强钢丝材合金铸锭进行纯净化冶炼。
[0022]作为优选，所述步骤1)中真空冶炼的真空度为10～20Pa；初熔铸锭的加热温度为1150～1250℃，保温时间为5～10h，然后锻造成电极试样，终锻温度不低于950℃；电渣重熔的具体参数为：电渣速度1.6～2.0kg/min，电压30～40V，电流1.8～3.0kA。由于超高强钢塑性变形能力差，为了避免变形时产生表面裂纹，造成氧化皮夹杂，因此电极锻造前采用较高的始锻和终锻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电弧增材制造用超高强钢丝材，其特征在于：该超高强钢丝材包括以下质量百分比组成C：≤0.03％，Si：≤0.5％，Mo：3.0～6.0％，Ni：16.0～20.0％，Ti：0.5～1.8％，Al：0.05～0.20％，P：≤0.003％，S：≤0.003％，H：≤5ppm，N≤0.002％，O≤0.003％，Fe为余量。2.一种权利要求1所述的电弧增材制造用超高强钢丝材的制备方法，其特征在于：该超高强钢丝材包括以下制备步骤：1)熔炼与铸造：采用真空冶炼炉对超高强钢合金进行初次熔炼，铸造得到初熔的铸锭；随后将初熔的铸锭锻造制备成电极试样，采用电渣重熔的方法对电极试样进行二次熔炼，铸造得到最终的铸锭；2)锻造：对铸锭进行锻造，得到棒材；3)轧制：对棒材进行轧制，得到盘条；4)退火：对盘条进行退火处理；5)拉拔：对退火处理后的盘条进行拉拔。3.根据权利要求2所述的电弧增材制造用超高强钢丝材的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中真空冶炼的真空度为10～20Pa；初熔铸锭的加热温度为1150～1250℃，保温时间为5～10h，然后锻造成电极试样，终锻温度不低于950℃；电渣重熔的具体参数为：电渣速...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏关顺，明珠，甄立玲，王伟，
申请(专利权)人：中国兵器科学研究院宁波分院，
类型：发明
国别省市：