國產金屬3D打印超級雙相不銹鋼粉末材料，遼寧冠達已批量生產

南極熊導讀：隨著以3D打印為代表的增材制造技術的飛速發(fā)展，使超級雙相不銹鋼在海洋、化工和石油等各個領域開始應用。雙相不銹鋼粉末化學成分精確、可控是此類粉末制備的基礎也是難點，本文從生產實踐角度，詳細分析了如何突破各項關鍵技術，實現穩(wěn)定的批量化生產。

高性能的雙相不銹鋼
雙相不銹鋼（Duplex Stainless Steel，DSS）是由相當體積分數的鐵素體（α） 與奧氏體（γ）組成的復相結構金屬材料。它集鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼的優(yōu)點于一體，具有優(yōu)良的耐腐蝕性、高強度和良好的塑性。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成分，表2給出了這幾種典型不銹鋼的力學性能。

△表1：  2205、2507、2707雙相不銹鋼的主要化學成分(wt%)

△表2：  2205、2507、2707雙相不銹鋼的力學性能[1]

注：表中所列數據均為最小值
[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構材料在石油化工、船海工程以及建筑工業(yè)等領域得到了廣泛地應用。其中以2507為代表的超級雙相不銹鋼專門為海洋、化工和石油工程應用而設計，其抗點蝕當量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）的臨界點蝕（CPT）和縫隙腐蝕溫度（CCT）（按照ASTM G482 在6% FeCl3溶液中測量）

應用潛力大

隨著能源、環(huán)保問題的日益推進，潮汐發(fā)電、核電等新能源逐漸受到人們青睞。潮汐發(fā)電設備中的水輪機殼體、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。對于一些結構復雜的雙相不銹鋼鑄件，鑄造難度較大，且容易產生缺陷，從而降低了鑄造雙相不銹鋼的機械性能和耐蝕性能，限制了其發(fā)展。
金屬3D打印技術又稱增材制造技術(AM），屬于一種快速成型技術，是以構建的數字化模型文件為基礎，運用金屬粉末，通過逐層打印并疊加不同形狀的連續(xù)層，用于制造結構復雜的零件。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，且材料機械性能可以達到或超過鑄造水平，達到鍛造水平。

據南極熊了解，遼寧冠達新材料科技有限公司自2021年8月立項開始進行系列雙相不銹鋼金屬粉末的研發(fā)。公司的研發(fā)工程師們結合2205、2507等雙相不銹鋼成分特點進行了合金化計算機輔助設計，詳細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含量也是技術難點。項目團隊以N合金化熱力學、動力學計算為依據，制定了可調的N合金化控制工藝，為穩(wěn)定、精確控N提供了技術支撐。公司生產的系列雙相不銹鋼N的控制水平如圖3所示，所有爐次各類雙相不銹鋼N含量都控制在目標范圍內，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，顯現出公司扎實的冶煉控制能力。

△ 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后還要配合特定的氣霧化工藝才能完成高品質金屬粉末的生產。為此研發(fā)團隊開發(fā)了數據驅動霧化技術，完成了包括凝固過程相變、凝固過程熱導率變化以及金屬液物性（粘度、表面張力）等參數的模擬計算，建立了全套“金屬凝固過程物性數據庫”，為雙相不銹鋼氣霧化提供了完備的數據支撐。圖5~圖8為2507雙相不銹鋼的相關物性模擬計算結果。

△ 圖5  2507雙相不銹鋼凝固過程相變模擬計算結果


△ 圖6  2507雙相不銹鋼凝固過程導熱系數隨溫度的變化關系

△圖7   2507雙相不銹鋼金屬液粘度隨溫度的變化關系

△圖8   2507雙相不銹鋼金屬液表面張力隨溫度的變化關系

依托此“金屬凝固過程物性數據庫”，為每個牌號的雙相不銹鋼量身定制氣霧化工藝。圖9為公司生產的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給出了實際生產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 實際生產的部分爐次雙相不銹鋼粉末物性

研發(fā)團隊還對雙相不銹鋼粉末進行了金相組織檢驗。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部為均勻的等軸晶結構，經腐蝕后顯現出均勻分布的超細晶雙相組織，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×）

遼寧冠達新材料科技有限公司歷時約4個月研發(fā)，通過合金化計算機輔助設計、氣氛可調的N合金化工藝、數據驅動定制化氣霧化等集成控制技術，成功實現了系列化雙相不銹鋼的批量、穩(wěn)定生產，為我國增材制造技術的發(fā)展、為超級雙相不銹鋼更廣泛地應用在海洋、化工和石油等各個領域貢獻力量。

關于遼寧冠達

遼寧冠達新材料科技有限公司位于遼寧省鞍山市高新區(qū)激光產業(yè)園。公司是一家高端金屬粉末、金屬材料研發(fā)生產企業(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、個性化定制等多種高端金屬粉體的研發(fā)、生產和銷售。
公司已研發(fā)并生產鎳基高溫合金GH5188、GH3230、GH4099，GH4169,高熵合金FeCoCrNiMn、AlCoCrFeNi2.1等一系列高端粉末產品。在研發(fā)過程中，取得了ISO9001質量體系認證及GJB9001C武器裝備質量體系認證，共獲得發(fā)明專利及實用新型共計14項，4項高溫合金粉末制備技術的發(fā)明專利。獲得國家高新技術企業(yè)認證、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目評審、獲得鞍山市優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊稱號、獲得鞍山市冠達金屬粉末專業(yè)技術創(chuàng)新中心、入選遼寧省技術創(chuàng)新重點項目。

公司與東北大學簽署“產學研”合作協(xié)議，共同申報遼寧省2021年度重大專項計劃、與遼寧省產業(yè)技術研究院簽署2020年“打通計劃”項目合同。

市場方面專注航空航天領域，聚焦高端制造。公司依托產學研技術優(yōu)勢，產品廣泛應用于航空航天、工業(yè)機械、能源動力、科研院所、醫(yī)療研究、汽車制造、船舶制造及電子工業(yè)等領域，尤其在航空航天領域，公司生產的增材制造高溫合金粉末應用廣泛，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)集團下屬單位、中核集團下屬單位、中國科學院下屬單位、清華大學、北京航空航天大學等。

公司掌握自主知識產權，實現高端金屬粉末的自主可控，逐步替代進口，打破國外公司市場壟斷地位，致力為國家增材制造的發(fā)展貢獻力量。

不錯的材料

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