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

南極熊導(dǎo)讀：隨著以3D打印為代表的增材制造技術(shù)的飛速發(fā)展，使超級雙相不銹鋼在海洋、化工和石油等各個(gè)領(lǐng)域開始應(yīng)用。雙相不銹鋼粉末化學(xué)成分精確、可控是此類粉末制備的基礎(chǔ)也是難點(diǎn)，本文從生產(chǎn)實(shí)踐角度，詳細(xì)分析了如何突破各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的批量化生產(chǎn)。

高性能的雙相不銹鋼
雙相不銹鋼（Duplex Stainless Steel，DSS）是由相當(dāng)體積分?jǐn)?shù)的鐵素體（α） 與奧氏體（γ）組成的復(fù)相結(jié)構(gòu)金屬材料。它集鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有優(yōu)良的耐腐蝕性、高強(qiáng)度和良好的塑性。表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(xué)成分，表2給出了這幾種典型不銹鋼的力學(xué)性能。

△表1：  2205、2507、2707雙相不銹鋼的主要化學(xué)成分(wt%)

△表2：  2205、2507、2707雙相不銹鋼的力學(xué)性能[1]

注：表中所列數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)材料在石油化工、船海工程以及建筑工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)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(yīng)用而設(shè)計(jì)，其抗點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN大于40，在含有氯化物酸等苛刻環(huán)境下具有良好的耐蝕性能和很高的力學(xué)性能，可與6Mo型超級奧氏體不銹鋼相媲美。圖1顯示了在沸點(diǎn)溫度下，在50%醋酸和不同含量甲酸的混和溶液中雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼的腐蝕情況，圖2給出了按照ASTM G482（6% FeCl3）測定的固溶退火狀態(tài)下各種不銹鋼耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能的比較。

△ 圖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）

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

應(yīng)用潛力大

隨著能源、環(huán)保問題的日益推進(jìn)，潮汐發(fā)電、核電等新能源逐漸受到人們青睞。潮汐發(fā)電設(shè)備中的水輪機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的雙相不銹鋼鑄件，鑄造難度較大，且容易產(chǎn)生缺陷，從而降低了鑄造雙相不銹鋼的機(jī)械性能和耐蝕性能，限制了其發(fā)展。
金屬3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)(AM），屬于一種快速成型技術(shù)，是以構(gòu)建的數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用金屬粉末，通過逐層打印并疊加不同形狀的連續(xù)層，用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。與傳統(tǒng)的鑄造工藝相比，3D打印的最大優(yōu)勢在于可以從原料直接自由制造復(fù)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(tǒng)制造方法即可獲得所需的形狀，且材料機(jī)械性能可以達(dá)到或超過鑄造水平，達(dá)到鍛造水平。

據(jù)南極熊了解，遼寧冠達(dá)新材料科技有限公司自2021年8月立項(xiàng)開始進(jìn)行系列雙相不銹鋼金屬粉末的研發(fā)。公司的研發(fā)工程師們結(jié)合2205、2507等雙相不銹鋼成分特點(diǎn)進(jìn)行了合金化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析各類原材料對成分的影響，確定最優(yōu)的物料配比。另外此類雙相不銹鋼N含量較高且成分區(qū)間較窄，如何精確、穩(wěn)定地控制合金中的N含量也是技術(shù)難點(diǎn)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)以N合金化熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算為依據(jù)，制定了可調(diào)的N合金化控制工藝，為穩(wěn)定、精確控N提供了技術(shù)支撐。公司生產(chǎn)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(biāo)范圍內(nèi)，且絕大部分爐次2205的N可以穩(wěn)定控制在0.16~0.19%之間、2507的N可以穩(wěn)定控制在0.26~0.30%之間、2707的N可以穩(wěn)定控制在0.42~0.46%之間。圖4給出了公司生產(chǎn)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(xiàn)出公司扎實(shí)的冶煉控制能力。

△ 圖3 各類雙相不銹鋼N的控制能力


△圖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(shù)后還要配合特定的氣霧化工藝才能完成高品質(zhì)金屬粉末的生產(chǎn)。為此研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)霧化技術(shù)，完成了包括凝固過程相變、凝固過程熱導(dǎo)率變化以及金屬液物性（粘度、表面張力）等參數(shù)的模擬計(jì)算，建立了全套“金屬凝固過程物性數(shù)據(jù)庫”，為雙相不銹鋼氣霧化提供了完備的數(shù)據(jù)支撐。圖5~圖8為2507雙相不銹鋼的相關(guān)物性模擬計(jì)算結(jié)果。

△ 圖5  2507雙相不銹鋼凝固過程相變模擬計(jì)算結(jié)果


△ 圖6  2507雙相不銹鋼凝固過程導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系

△圖7   2507雙相不銹鋼金屬液粘度隨溫度的變化關(guān)系

△圖8   2507雙相不銹鋼金屬液表面張力隨溫度的變化關(guān)系

依托此“金屬凝固過程物性數(shù)據(jù)庫”，為每個(gè)牌號的雙相不銹鋼量身定制氣霧化工藝。圖9為公司生產(chǎn)的2507超級雙相不銹鋼粉末（15-53μm）SEM微觀形貌圖片，粉末球形度較好，粉體表面光滑，衛(wèi)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(wěn)定，D10:18-23、D50: 32-36、D90: 52-56；流速≦20s/50g；松裝密度≧4.15g/cm3。表3給出了實(shí)際生產(chǎn)的部分爐次雙相不銹鋼粉末的物性。

△圖9  2507粉末（15-53μm）微觀形貌

△表3 實(shí)際生產(chǎn)的部分爐次雙相不銹鋼粉末物性

研發(fā)團(tuán)隊(duì)還對雙相不銹鋼粉末進(jìn)行了金相組織檢驗(yàn)。圖10和圖11給出了2507打印段（15-53μm）粉末腐蝕態(tài)金相顯微照片，由圖中可以清晰的觀測到粉末內(nèi)部為均勻的等軸晶結(jié)構(gòu)，經(jīng)腐蝕后顯現(xiàn)出均勻分布的超細(xì)晶雙相組織，且兩相比約為1:1。

△圖10  2507打印段（15-53μm）粉末腐蝕態(tài)金相照片（1000×）

△圖11  2507打印段（15-53μm）粉末腐蝕態(tài)金相照片（500×）

遼寧冠達(dá)新材料科技有限公司歷時(shí)約4個(gè)月研發(fā)，通過合金化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、氣氛可調(diào)的N合金化工藝、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)定制化氣霧化等集成控制技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了系列化雙相不銹鋼的批量、穩(wěn)定生產(chǎn)，為我國增材制造技術(shù)的發(fā)展、為超級雙相不銹鋼更廣泛地應(yīng)用在海洋、化工和石油等各個(gè)領(lǐng)域貢獻(xiàn)力量。

關(guān)于遼寧冠達(dá)

遼寧冠達(dá)新材料科技有限公司位于遼寧省鞍山市高新區(qū)激光產(chǎn)業(yè)園。公司是一家高端金屬粉末、金屬材料研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)。主要從事鎳基高溫合金、鈷鉻合金、鐵基不銹鋼、高熵合金、雙相不銹鋼、個(gè)性化定制等多種高端金屬粉體的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。
公司已研發(fā)并生產(chǎn)鎳基高溫合金GH5188、GH3230、GH4099，GH4169,高熵合金FeCoCrNiMn、AlCoCrFeNi2.1等一系列高端粉末產(chǎn)品。在研發(fā)過程中，取得了ISO9001質(zhì)量體系認(rèn)證及GJB9001C武器裝備質(zhì)量體系認(rèn)證，共獲得發(fā)明專利及實(shí)用新型共計(jì)14項(xiàng)，4項(xiàng)高溫合金粉末制備技術(shù)的發(fā)明專利。獲得國家高新技術(shù)企業(yè)認(rèn)證、獲得遼寧省雛鷹企業(yè)稱號、通過國家3A級信用企業(yè)認(rèn)證、成功入庫國家科技型中小企業(yè)、通過鞍山市科技小巨人種子項(xiàng)目評審、獲得鞍山市優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)稱號、獲得鞍山市冠達(dá)金屬粉末專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心、入選遼寧省技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目。

公司與東北大學(xué)簽署“產(chǎn)學(xué)研”合作協(xié)議，共同申報(bào)遼寧省2021年度重大專項(xiàng)計(jì)劃、與遼寧省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院簽署2020年“打通計(jì)劃”項(xiàng)目合同。

市場方面專注航空航天領(lǐng)域，聚焦高端制造。公司依托產(chǎn)學(xué)研技術(shù)優(yōu)勢，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)機(jī)械、能源動(dòng)力、科研院所、醫(yī)療研究、汽車制造、船舶制造及電子工業(yè)等領(lǐng)域，尤其在航空航天領(lǐng)域，公司生產(chǎn)的增材制造高溫合金粉末應(yīng)用廣泛，主要合作單位包括航天科工下屬單位、航天科技下屬單位、航發(fā)集團(tuán)下屬單位、中核集團(tuán)下屬單位、中國科學(xué)院下屬單位、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等。

公司掌握自主知識產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)高端金屬粉末的自主可控，逐步替代進(jìn)口，打破國外公司市場壟斷地位，致力為國家增材制造的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

不錯(cuò)的材料

雙相不銹鋼作為一種重要的工程結(jié)構(gòu)材料在石油化工、船海工程以及建筑工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。