基于冷金属过渡电弧增材制造的奥氏体不锈钢丝材及工艺

摘要

一种基于冷金属过渡电弧增材制造的奥氏体不锈钢丝材及工艺，属于增材制造技术领域，丝材成分为：C：0.01％～0.03％，Si：0.40％～0.55％，Mn：1.5％～2.0％，Cr：18.5％～20.0％，Ni：9.0％～10.5％，Cu：0.05％～0.1％，Mo：0.01％～0.03％，Ti：0.20％～0.50％，P：0～0.02％，S：0～0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。丝材制造工艺：焊接电流为129A～160A，焊接电压为14V～18V，焊接速度为0.45m/min～0.70m/min，送丝速度为5.0m/min～7.0m/min，保护气体为Ar+0.5～2.0％CO2，气体流量为15～20L/min，层间温度≤150℃。适用于较复杂结构件的增材制造，沉积效率≥2.50kg/h，成形构件抗拉强度≥520MPa，断后伸长率≥40％，‑40℃冲击韧性≥120J。

说明书

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别涉及到一种奥氏体不锈钢丝材及其冷金属过渡电弧增材制造工艺。

背景技术

电弧熔丝增材制造技术以其低成本、高沉积速率、高丝材利用率等优势在结构件的生产和修复过程中具有广阔的应用前景。冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术是将冷金属过渡焊接技术应用于增材制造领域，具有较低的热输入量、无飞溅的金属过渡方式、极其稳定的电弧和良好的成形性等优点，日益广泛应用于钢铁和有色金属材料的增材制造。

奥氏体不锈钢热导率约为低碳钢的三分之一，线膨胀系数比低碳钢大50％，因此奥氏体不锈钢物理性能要求其增材制造过程中采用较低热输入，显然冷金属过渡电弧增材制造是最佳方法之一。奥氏体不锈钢增材制造存在诸多问题。首先，奥氏体不锈钢增材制造过程中，形成粗大柱状晶的奥氏体组织，钢中S、P等杂质极易在晶界形成低熔点的共晶薄膜，增加了试件热裂倾向，而少量的δ-铁素体能够细化晶粒、减少偏析、降低增材试件的热裂倾向。其次，增材制造是逐层堆积过程，成形构件会多次加热至650℃-850℃之间时，易形成一种硬脆的铁铬金属间化合物(即σ相)，当σ相析集于柱状晶的晶界，将导致增材试件的韧性降低。另外，当含Ti奥氏体不锈钢成形部分在后续热循环作用下温度超过1200℃时，由于TiC溶解而释放出的C原子，极易扩散到该区域的晶界处形成Cr

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于冷金属过渡电弧增材制造的奥氏体不锈钢丝材及其增材制造工艺，通过丝材化学成分和增材制造工艺的优化，控制δ-铁素体含量、金属间化合物σ相析出量，解决增材制造结构件热裂倾向、脆化和易腐蚀等问题，获得强韧性优良的成形结构件。

为了实现上述的目的，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供一种基于冷金属过渡电弧增材制造的奥氏体不锈钢丝材，其按重量百分比为：C：0.01％～0.03％，Si：0.40％～0.55％，Mn：1.5％～2.0％，Cr：18.5％～20.0％，Ni：9.0％～10.5％，Cu：0.05％～0.1％，Mo：0.01％～0.03％，Ti：0.20％～0.50％，P：0～0.02％，S：0～0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明所述丝材的冷金属过渡电弧增材制造工艺：焊接电流为129A～160A，焊接电压为14V～18V，焊接速度为0.45m/min～0.70m/min，送丝速度为5.0m/min～7.0m/min，保护气体为Ar+0.5～2.0％CO

本发明所述的奥氏体不锈钢丝材及其冷金属过渡电弧增材制造工艺适用于较复杂结构件的增材制造，沉积效率≥2.50kg/h，成形构件抗拉强度≥520MPa，屈服强度≥265MPa，断后伸长率≥40％，-40℃冲击韧性≥120J。

与现有制造工艺相比，本发明的有益效果在于：

本发明所述的丝材采用冷金属过渡电弧增材制造技术，通过化学成分和焊接热输入的控制，有效抑制了组织粗化、M

附图说明

图1为增材制造单道成形宏观形貌图。

图2为增材制造成形组织金相电镜照片图。

图3为增材制造成形组织扫描电镜照片图。

图4为增材制造成形组织构成图。其中A为奥氏体、F为铁素体，σ为σ相。

图5为增材制造成形组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进行对本发明技术方案进行详细描述。

实施例1

采用本发明焊丝进行增材制造，焊丝化学成分按重量百分数表示为：C：0.012％，Si：0.49％，Mn：1.60％，Cr：18.67％，Ni：9.15％，Cu：0.055％，Mo：0.015％，Ti：0.25％，P:0.011％，S：0.010％，余量为Fe。对基板进行打磨、清理，用丙酮清除油污，冷金属过渡电弧增材制造工艺参数如表1所示。单道成形宽度约4.0mm(如图1所示)，即增材制造结构件最小壁厚为4mm。电弧增材制造沉积效率约2.6kg/h，成形结构件无裂纹、气孔等缺陷，组织由奥氏体、铁素体和少量σ相组成(如图2、图3和图4所示)，其中铁素体所占比例为11.35％。增材制造结构件抗拉强度为521MPa，屈服强度为277MP，断后伸长率48％，-40℃冲击吸收功为145J。

表1电弧增材制造工艺参数

实施例2

采用本发明焊丝进行增材制造，焊丝化学成分按重量百分数表示为：C：0.028％，Si：0.42％，Mn：1.89％，Cr：19.38％，Ni：10.07％，Cu：0.084％，Mo：0.029％，Ti：0.46％，P:0.015％，S：0.008％，余量为Fe。对基板进行打磨、清理，用丙酮清除油污，冷金属过渡电弧增材制造工艺参数如表2所示。电弧增材制造沉积效率约3.7kg/h，成形结构件组织由奥氏体、铁素体和少量σ相组成(如图5所示)，其中铁素体所占比例为9.55％。增材制造结构件抗拉强度为537MPa，屈服强度为290MP，断后伸长率45％，-40℃冲击吸收功为125J。

表2电弧增材制造工艺参数

实施例3

采用本发明焊丝进行增材制造，焊丝化学成分按重量百分数表示为：C：0.013％，Si：0.51％，Mn：1.56％，Cr：19.93％，Ni：10.5％，Cu：0.060％，Mo：0.017％，Ti：0.35％，P:0.01％，S：0.01％，余量为Fe。对基板进行打磨、清理，用丙酮清除油污，冷金属过渡电弧增材制造工艺参数如表3所示。电弧增材制造沉积效率约3.5kg/h，成形结构件组织由奥氏体、铁素体和少量σ相组成，其中铁素体所占比例为6.13％。增材制造结构件抗拉强度为553MPa，屈服强度为293MP，断后伸长率49％，-40℃冲击吸收功为158J。

表3电弧增材制造工艺参数

实施例4

采用本发明焊丝进行增材制造，焊丝化学成分按重量百分数表示为：C：0.021％，Si：0.47％，Mn：1.53％，Cr：19.74％，Ni：9.22％，Cu：0.057％，Mo：0.015％，Ti：0.27％，P:0.018％，S：0.013％，余量为Fe。对基板进行打磨、清理，用丙酮清除油污，冷金属过渡电弧增材制造工艺参数如表4所示。电弧增材制造沉积效率约3.1kg/h，成形结构件组织由奥氏体、铁素体和少量σ相组成，其中铁素体所占比例为7.55％。增材制造结构件抗拉强度为535MPa，屈服强度为264MP，断后伸长率43％，-40℃冲击吸收功为122J。

表4电弧增材制造工艺参数