国产金属3D打印超等双相不锈钢粉末质料，辽宁南宫28NG相信品牌力量已批量生产
宣布时间：
2022-09-23 13:35
随着以3D打印为代表的增材制造技术的飞速生长，使超等双相不锈钢在海洋、化工和石油等各个领域开始应用。双相不锈钢粉末化学身分精确、可控是此类粉末制备的基础也是难点，本文从生产实践角度，详细剖析了如何突破各项要害技术，实现稳定的批量化生产。
高性能的双相不锈钢
双相不锈钢（Duplex Stainless Steel，DSS）是由相当体积分数的铁素体（α） 与奥氏体（γ）组成的复相结构金属质料。它集铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢的优点于一体，具有优良的耐腐化性、高强度和良好的塑性。表1给出了以第二代双相不锈钢2205、超等双相不锈钢2507以及特超等双相不锈钢2707为代表的典范双相不锈钢的主要化学身分，表2给出了这几种典范不锈钢的力学性能。
表1 2205、2507、2707双相不锈钢的主要化学身分(wt%)
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牌号 |
UNS No. |
EN No. |
C |
Cr |
Ni |
Mo |
Cu |
N |
|
2205 |
S32205 |
1.4462 |
≦0.03 |
22.0~23.0 |
4.5~6.5 |
3.0~3.5 |
－ |
0.14~0.20 |
|
2507 |
S32507 |
1.4410 |
≦0.03 |
24.0~26.0 |
6.0~8.0 |
3.0~5.0 |
≦0.5 |
0.24~0.32 |
|
2707 |
S32707 |
|
≦0.03 |
26.0~29.0 |
5.5~9.5 |
4.0~5.0 |
≦1.0 |
0.30~0.50 |
表2 2205、2507、2707双相不锈钢的力学性能[1]
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牌号 |
UNS No. |
Rp0.2 /MPa(ksi) |
Rm /MPa(ksi) |
δ/% |
EN No. |
Rp0.2 /MPa(ksi) |
Rm /MPa(ksi) |
δ/% |
|
2205 |
S32205 |
450(65) |
655(95) |
25 |
1.4462 |
460(67) |
640(93) |
25 |
|
2507 |
S32507 |
550(80) |
795(116) |
15 |
1.4410 |
530(77) |
730(106) |
20 |
|
2707 |
S32707 |
580(84) |
850(124) |
25 |
|
570(83) |
845(123) |
25 |
注：表中所列数据均为最小值
[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.
恒久以来，双相不锈钢作为一种重要的工程结构质料在石油化工、船海工程以及建筑工业等领域获得了广泛地应用。其中以2507为代表的超等双相不锈钢专门为海洋、化工和石油工程应用而设计，其抗点蚀当量PREN大于40，在含有氯化物酸等苛刻情况下具有良好的耐蚀性能和很高的力学性能，可与6Mo型超等奥氏体不锈钢相媲美。图1显示了在沸点温度下，在50%醋酸和差别含量甲酸的混和溶液中双相不锈钢和奥氏体不锈钢的腐化情况，图2给出了凭据ASTM G482（6% FeCl3）测定的固溶退火状态下种种不锈钢耐点蚀和漏洞腐化性能的比较。
图1 双相不锈钢和奥氏体不锈钢在50%醋酸和差别含量甲酸的欢喜混淆溶液中的腐化（来源：Sandvik）
图2 非焊接态奥氏体不锈钢（左）和固溶退火的双相不锈钢（右）的临界点蚀（CPT）和漏洞腐化温度（CCT）（凭据ASTM G482 在6% FeCl3溶液中丈量）
应用潜力大
随着能源、环保问题的日益推进，潮汐发电、核电等新能源逐渐受到人们青睐。潮汐发电设备中的水轮机壳体、叶片，核电中的阀门，一些脱硫装置中的叶轮等大多接纳铸造双相不锈钢。关于一些结构庞大的双相不锈钢铸件，铸造难度较大，且容易爆发缺陷，从而降低了铸造双相不锈钢的机械性能和耐蚀性能，限制了其生长。
金属3D打印技术又称增材制造技术(AM），属于一种快速成型技术，是以构建的数字化模型文件为基础，运用金属粉末，通过逐层打印并叠加差别形状的连续层，用于制造结构庞大的零件。与古板的铸造工艺相比，3D打印的最大优势在于可以从原料直接自由制造庞大零件的能力，无需涉及诸如挤压、铸造、铸造和二次加工等古板制造要领即可获得所需的形状，且质料机械性能可以抵达或凌驾铸造水平，抵达铸造水平。南宫28NG相信品牌力量自2021年8月立项开始进行系列双相不锈钢金属粉末的研发。公司的研发工程师们结合2205、2507等双相不锈钢身分特点进行了合金化盘算机辅助设计，详细剖析种种原质料对身分的影响，确定最优的物料配比。另外此类双相不锈钢N含量较高且身分区间较窄，如何精确、稳定地控制合金中的N含量也是技术难点。项目团队以N合金化热力学、动力学盘算为依据，制定了可调的N合金化控制工艺，为稳定、精确控N提供了技术支撑。公司生产的系列双相不锈钢N的控制水平如图3所示，所有炉次种种双相不锈钢N含量都控制在目标规模内，且绝大部分炉次2205的N可以稳定控制在0.16~0.19%之间、2507的N可以稳定控制在0.26~0.30%之间、2707的N可以稳定控制在0.42~0.46%之间。图4给出了公司生产的2507双相不锈钢差别炉次主要合金元素的变革情况，从图中可以看出各炉次种种合金元素的含量基本一致，显现出公司扎实的冶炼控制能力。
图3 种种双相不锈钢N的控制能力
图4 2507双相不锈钢主要合金元素的控制水平
在掌控了窄身分精确控制技术后还要配合特定的气雾化工艺才华完成高品质金属粉末的生产。为此研发团队开发了数据驱动雾化技术，完成了包括凝固历程相变、凝固历程热导率变革以及金属液物性（粘度、外貌张力）等参数的模拟盘算，建立了全套“金属凝固历程物性数据库”，为双相不锈钢气雾化提供了完备的数据支撑。图5~图8为2507双相不锈钢的相关物性模拟盘算结果。
图5 2507双相不锈钢凝固历程相变模拟盘算结果
图6 2507双相不锈钢凝固历程导热系数随温度的变革关系
图7 2507双相不锈钢金属液粘度随温度的变革关系
图8 2507双相不锈钢金属液外貌张力随温度的变革关系
依托此“金属凝固历程物性数据库”，为每个牌号的双相不锈钢量身定制气雾化工艺。图9为公司生产的2507超等双相不锈钢粉末（15-53μm）SEM微观形貌图片，粉末球形度较好，粉体外貌平滑，卫星球较少。差别牌号双相不锈钢粉末打印段粒度（15-53μm）控制很稳定，D10:18-23、D50: 32-36、D90: 52-56 ；流速≦20s/50g ；松装密度≧4.15g/cm3。表3给出了实际生产的部分炉次双相不锈钢粉末的物性。
图9 2507粉末（15-53μm）微观形貌
表3 实际生产的部分炉次双相不锈钢粉末物性
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牌号 |
UNS No. |
粒度组成 Size Distribution |
流动性 Flowability（s/50g） |
松装密度 Apparent density（g/cm3） |
振实密度 Tap density（g/cm3） |
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2205 |
S32205 |
D10/μm: 21.6 D50/μm: 34.7 D90/μm: 54.3 |
20 |
4.20 |
4.73 |
|
2507 |
S32507 |
D10/μm: 20.3 D50/μm: 32.9 D90/μm: 52.4 |
19.8 |
4.18 |
4.7 |
|
2707 |
S32707 |
D10/μm: 20.5 D50/μm: 33.1 D90/μm: 53.5 |
19.6 |
4.16 |
4.68 |
研发团队还对双相不锈钢粉末进行了金相组织检验。图10和图11给出了2507打印段（15-53μm）粉末腐化态金相显微照片，由图中可以清晰的视察到粉末内部为均匀的等轴晶结构，经腐化后显现出均匀漫衍的超细晶双相组织，且两相比约为1:1。
图10 2507打印段（15-53μm）粉末腐化态金相照片（1000×）
图11 2507打印段（15-53μm）粉末腐化态金相照片（500×）
综上，南宫28NG相信品牌力量历时约4个月研发，通过合金化盘算机辅助设计、气氛可调的N合金化工艺、数据驱动定制化气雾化等集成控制技术，乐成实现了系列化双相不锈钢的批量、稳定生产，为我国增材制造技术的生长、为超等双相不锈钢更广泛地应用在海洋、化工和石油等各个领域孝敬力量。
