奥氏体/马氏体不锈钢强韧性复合板的制备方法及复合板

技术领域

本发明涉及复合板的制备方法，尤其涉及一种奥氏体/马氏体不锈钢强韧性复合板的制备方法及采用所述制备方法制备的复合板。

背景技术

现有的复合板材大都是通过轧制工艺或放电等离子烧结技术制备而成。仅仅使得复合板材的复合界面实现了一定的结合，无法获得良好冶金结合的界面，界面结合程度仍是限制复合板材性能的关键技术问题。

故，传统方法制备复合板材时，会出现异质材料界面结合不良的问题，降低了界面处的结合强度，进一步限制了复合板的使用寿命。所以本发明要解决的关键性问题是改善复合板的界面结合。

发明内容

为了解决传统方法制备复合板材时，会出现异质材料界面结合不良的技术问题，本发明提供一种奥氏体/马氏体不锈钢强韧性复合板的制备方法及采用所述制备方法制备的复合板。基于塑性变形消除复合板的冶金界面，形成两相组织过渡层，解决了复合板材界面结合不良以及马氏体变形抗力大、易产生加工裂纹等问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：一种奥氏体/马氏体不锈钢强韧性复合板的制备方法，其包括以下步骤：

S1、通过在Nmm厚的马氏体不锈钢板材上利用增材制造方式熔化沉积出Mmm厚的奥氏体不锈钢层，并获得界面处冶金结合的复合板材坯料一；其中，N＜M；

S2、通过搅拌针一采用搅拌摩擦焊方式对所述奥氏体不锈钢层进行搅拌摩擦加工改性，使凝固态的奥氏体组织转变为变形组织，获得复合板材坯料；其中，所述搅拌针一的长度L满足：M＜L≤M+N，以穿透所述奥氏体不锈钢层深入到相应界面处；

S3、在所述复合板材坯料的奥氏体不锈钢层上利用增材制造方式熔化沉积出Nmm厚的马氏体不锈钢层，并获得界面处冶金结合的复合板材坯料二；

S4、通过搅拌针二采用搅拌摩擦焊方式对所述马氏体不锈钢层进行搅拌摩擦加工改性，使凝固态的马氏体组织转变为变形组织，获得初形态复合板材；其中，所述搅拌针二的长度L满足：N＜L≤M+N，以穿透所述马氏体不锈钢层深入到相应界面处；

S5、对所述初形态复合板材进行轧制，分别轧制成不同厚度的板材，以获得不同规格的复合板材。

本发明利用搅拌摩擦焊方式，通过搅拌针的深入，对增材制造的冶金界面进行搅拌，使得冶金界面间的氧化膜被破除，界面两边的材料相互混合扩散，基于塑性变形细化晶粒，改善复合板界面的冶金结合，并形成组织过渡层，解决了复合板材界面结合不良的问题。

作为上述方案的进一步改进，在步骤S1中，将所述马氏体不锈钢板材放入激光增材制造设备上，采用LMD激光近净成型方式在所述马氏体不锈钢板材上熔化沉积出所述奥氏体不锈钢层。

进一步地，所述激光增材制造设备因增材制造方式所设置的参数为：设备功率700W，扫描速率420mm/min，粉桶转速0.6R/min，粉桶流量4.8L/min，搭接率40％，熔化沉积层厚度0.2mm，保护气流量为18L/min。

作为上述方案的进一步改进，在步骤S3中，将所述复合板材坯料放入激光增材制造设备上，采用LMD激光近净成型方式在所述复合板材坯料的奥氏体不锈钢层上熔化沉积出所述马氏体不锈钢层。

进一步地，所述激光增材制造设备因增材制造方式所设置的参数为：设备功率700W，扫描速率420mm/min，粉桶转速0.6R/min，粉桶流量4.8L/min，搭接率40％，熔化沉积层厚度0.2mm，保护气流量为18L/min。

作为上述方案的进一步改进，在步骤S1中，在熔化沉积前，对所述马氏体不锈钢板材的材料表面进行除锈清渣处理，并对所述材料表面进行打磨和预热至一定温度。

进一步地，预热温度为低于熔点50-200℃，保温5-15min。

作为上述方案的进一步改进，在步骤S1中，使用的熔化沉积材料为316L型奥氏体不锈钢，作为增材制造基体的材料是锻态1Cr13型马氏体不锈钢。

作为上述方案的进一步改进，在步骤S3中，使用的熔化沉积材料为1Cr13型马氏体不锈钢，作为增材制造基体的材料是316L型奥氏体不锈钢。

作为上述方案的进一步改进，在步骤S2中，N＝3，M＝5。

进一步地，所述搅拌针一的长度为6mm，所述搅拌针二的长度为4mm，转速设置为400-1200rmp，行进速度设置为25-200mm/min，搅拌头倾斜度数为0-2.5

作为上述方案的进一步改进，在步骤S5中，对所述初形态复合板材每道次轧制前，需要进行300～500℃的预热处理，预热时间为5～15min。

进一步地，每道次的变形量为10～15％，总变形量为43～72％。

本发明还提供一种奥氏体/马氏体不锈钢强韧性复合板的制备方法，其采用上述任意奥氏体/马氏体不锈钢强韧性复合板的制备方法制备。

与现有技术相比，本发明通过增材制造技术、搅拌摩擦加工改性和轧制处理三道工序的相互配合，既可以消除增材制造时留下的孔洞、裂纹和内应力等缺陷，又可以进一步细化复合板材的晶粒尺寸，避免粗大枝晶或柱状晶的形成，并消除显微组织的缺陷和改善复合板材的界面结合，形成组织过渡层，从而使复合板材组织更加均匀、致密，力学性能得到进一步的改善。另外本发明制备的复合板材与传统轧制复合方法制备的复合板材相比，形成过渡层组织以替换结合不良的复合界面，从而改善复合板材的力学性能。本发明可以实现优异塑性的奥氏体不锈钢与高强度、高耐磨的马氏体不锈钢结合，形成具有综合强韧性的复合板材。同时很好的解决了复合板界面结合不良的问题，制备的复合板界面结合紧密，具有过渡组织，复合强度好。

综上所述，本发明的优势如下：

1.通过快速凝固的增材制造技术获得完全的冶金结合界面；

2.搅拌摩擦加工技术细化晶粒、改善组织均匀性，形成组织过渡层，进一步提升异质材料的结合力；

3.通过轧制工艺，进一步提升复合板材的结合性能，并根据具体使用要求获得不同厚度的板材，使其兼具表面耐磨性和心部塑韧性。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的奥氏体/马氏体不锈钢强韧性复合板的制备方法的流程图。

图2为图1中制备方法的其中一个过程的示意图。

图3为采用图1中制备方法进行金属增材制造获得的冶金结合界面示意图。

图4为采用图1中制备方法搅拌摩擦加工以后的奥氏体区域组织示意图。

图5为采用图1中制备方法搅拌摩擦加工后异质材料界面区组织分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1为本发明较佳实施例提供的奥氏体/马氏体不锈钢强韧性复合板的制备方法的流程图，所述制备方法主要包括以下五个步骤。

S1、通过在Nmm厚的马氏体不锈钢板材上利用增材制造方式熔化沉积出Mmm厚的奥氏体不锈钢层，并获得界面处冶金结合的复合板材坯料一；其中，N＜M。

在本实施例中以“N＝3，M＝5”为例进行举例说明，将3mm的马氏体不锈钢板材放入激光增材制造设备上，采用LMD激光近净成型技术在3mm的马氏体不锈钢板材上熔化沉积5mm厚的奥氏体不锈钢层，制备出界面冶金结合的复合板材坯料。通过增材制造技术可以实现优异塑性的奥氏体不锈钢与高强度、高耐磨性的马氏体不锈钢结合在一起，形成同时具有综合强韧性的复合板材。同时通过增材制造技术，使得复合板材的复合界面发生冶金结合，从而使得复合界面处的结合力得到增强。

在熔化沉积前，对材料表面进行除锈清渣处理，并对表面进行打磨和预热至一定温度，预热温度为低于金属材料熔点50-200℃，保温5-15min。通过对板材表面的除锈清渣处理，可以避免因表面的氧化膜以及其他的杂质从而影响两种板材之间的界面结合。熔化沉积前对板材的预热，是为防止激光加热过程中过大的热应力导致板材变形影响界面间的结合，从而影响复合板材的力学性能，同时可以防止板材因热量分布不均匀而发生局部变形。还可以很好的降低熔化沉积时产生的气孔数量，为后续的消除气孔操作提供便利。

使用的熔化沉积材料为316L型奥氏体不锈钢，作为增材制造基体的材料是锻态1Cr13型马氏体不锈钢。

增材制造技术所设置的参数为：设备功率700W，扫描速率420mm/min，粉桶转速0.6R/min，粉桶流量4.8L/min，搭接率40％，熔化沉积层厚度0.2mm，保护气流量为18L/min。具体的，保护气体为氩气，纯度为99.99％，通过保护气体隔绝空气，可降低复合板材在增材制造过程中被氧化的程度。

S2、通过搅拌针一采用搅拌摩擦焊方式对所述奥氏体不锈钢层进行搅拌摩擦加工改性，使凝固态的奥氏体组织转变为变形组织，获得复合板材坯料；其中，所述搅拌针一的长度L满足：M＜L≤M+N，以穿透所述奥氏体不锈钢层深入到相应界面处。

在本实施例中，利用搅拌摩擦焊技术对增材制造的奥氏体层进行搅拌摩擦加工改性，使凝固态的奥氏体组织转变为变形组织，并设计搅拌针长度可以满足对界面的改性，形成组织过渡层，进一步提升复合板材的结合强度。利用搅拌头的高速旋转，对熔化沉积的奥氏体不锈钢层进行性能的改善，消除增材制造时留下的孔洞、裂纹和内应力大等缺陷，同时细化晶粒，使凝固态的奥氏体组织转变为变形组织，提升其综合性能。

其中，使用搅拌摩擦焊技术对熔化沉积的奥氏体层进行搅拌摩擦加工改性处理。所设计的搅拌针长度需大于奥氏体不锈钢层的厚度(5mm)，使得搅拌针能够深入到复合板的界面处。通过搅拌针的深入，对板材的复合界面进行搅拌，使得复合界面间的氧化膜被破除，界面两边的材料相互混合扩散，从而通过塑性变形形成组织过渡层，解决复合板材界面结合不紧密的问题，进一步提升复合板材的结合强度。同时对增材制造成型的复合板材进行搅拌施压，能更好地将熔化沉积时产生的气体排挤出去，并细化晶粒，改善制备过程中产生的气孔和出现粗大柱状晶等问题，使得复合板材的力学性能得到极大的提升。

所述搅拌摩擦焊的搅拌针长为6mm，转速设置为400-1200rmp，行进速度设置为25-200mm/min，搅拌头倾斜度数为0-2.5

S3、在所述复合板材坯料的奥氏体不锈钢层上利用增材制造方式熔化沉积出Nmm厚的马氏体不锈钢层，并获得界面处冶金结合的复合板材坯料二。

使用的熔化沉积材料为1Cr13型马氏体不锈钢，作为增材制造基体的材料是316L型奥氏体不锈钢。将所述复合板材坯料放入激光增材制造设备上，采用LMD激光近净成型方式在所述复合板材坯料的奥氏体不锈钢层上熔化沉积出所述马氏体不锈钢层。所述激光增材制造设备因增材制造方式所设置的参数也为：设备功率700W，扫描速率420mm/min，粉桶转速0.6R/min，粉桶流量4.8L/min，搭接率40％，熔化沉积层厚度0.2mm，保护气流量为18L/min。

N＝3，M＝5，所述搅拌针一的长度为6mm，所述搅拌针二的长度为4mm，转速设置为400-1200rmp，行进速度设置为25-200mm/min，搅拌头倾斜度数为0-2.5

其中，将步骤S2表面改性的复合板材坯料放入激光增材制造设备上，采用LMD激光近净成型技术在5mm的奥氏体不锈钢层上熔化沉积3mm厚的马氏体不锈钢层，制备出界面冶金结合的复合板材坯料。通过增材制造技术可以实现高强度、高耐磨的马氏体不锈钢与优异塑性的奥氏体不锈钢结合在一起，形成同时具有综合强韧性的复合板材。同时通过增材制造技术，使得复合板材的复合界面发生冶金结合，从而使得复合界面处的结合力得到增强。

在熔化沉积前，对材料表面的处理与步骤S1一致。通过对板材表面的除锈清渣处理，可以避免因表面的氧化膜以及其他的杂质从而影响两种板材之间的界面结合。熔化沉积前对板材的预热，是为防止激光加热过程中过大的热应力导致板材变形影响界面间的结合，从而影响复合板材的力学性能，同时可以防止板材因热量分布不均匀而发生局部变形。还可以很好的降低熔化沉积时产生的气孔数量，为后续的消除气孔操作提供便利。

使用的熔化沉积材料为1Cr13型马氏体不锈钢，作为增材制造基体的材料是316L型奥氏体不锈钢。

在所述步骤S3中增材制造技术所设置的参数与步骤S1中所选用的参数一致。具体的，保护气体为氩气，纯度为99.99％，通过保护气体隔绝空气，可降低复合板材在增材制造过程中被氧化的程度。

所述奥氏体/马氏体不锈钢强韧性复合板的叠放顺序由下至上依次为马氏体不锈钢-奥氏体不锈钢(熔化沉积)-马氏体不锈钢(熔化沉积)。这样的复合板材结构既具有马氏体不锈钢的高强度、高硬度和高耐磨性，又具有奥氏体不锈钢的优良塑性变形能力。复合板材的强度、硬度、耐磨性主要由马氏体来提供，塑性变形主要由内部的奥氏体不锈钢承担。如图2所示，由下至上依次为马氏体层1、组织过渡层2、奥氏体层3、组织过渡层4、马氏体层5。

S4、通过搅拌针二采用搅拌摩擦焊方式对所述马氏体不锈钢层进行搅拌摩擦加工改性，使凝固态的马氏体组织转变为变形组织，获得初形态复合板材；其中，所述搅拌针二的长度L满足：N＜L≤M+N，以透过所述马氏体不锈钢层深入到相应界面处。

在本实施例中，与上述步骤S2类似，利用搅拌摩擦焊技术对增材制造的马氏体层进行搅拌摩擦加工改性，使凝固态的马氏体组织转变为变形组织，并设计搅拌针长度可以满足对界面的改性，获得组织过渡层，改善性能，提升复合板材的结合强度。利用搅拌头的高速旋转，对熔化沉积的马氏体不锈钢层进行性能的改善，消除增材制造时留下的孔洞、裂纹和内应力大等缺陷，同时细化晶粒，使凝固态的马氏体组织转变为变形组织，提升其综合性能。

其中，使用搅拌摩擦焊技术对熔化沉积的马氏体层进行搅拌摩擦加工改性处理。所设计的搅拌针长度需大于马氏体不锈钢层的厚度(3mm)，使得搅拌针能够深入到复合板的界面处。搅拌针的深入会对板材的复合界面进行搅拌，破除复合界面之间的氧化膜，同时界面两边的材料相互流动，从而通过塑性变形改善复合板的结合程度，获得组织过渡层，解决复合板材界面结合不紧密的问题，进一步提升复合板材的结合强度。同时搅拌针的深入转动又会细化晶粒，消除增材制造过程中产生的气孔和改善材料表层微观组织，提升复合板的力学性能。

在所述步骤S4中使用的搅拌摩擦焊的搅拌针长度为4mm，其他参数与步骤S2一致。当搅拌头倾斜时，轴肩与复合板材表面之间产生的水平挤压力可以在垂直于轴肩端面的方向产生竖向附加分压力，该附加分压力可使上下板材界面处的材料产生塑性流动，促使界面处的材料相互混合扩散，同时还可以机械破碎界面处的氧化膜，使得上下板材结合的更紧密。

S5、对所述初形态复合板材进行轧制，分别轧制成不同厚度的板材，以获得不同规格的复合板材。

在本实施例中，对步骤S4搅拌摩擦加工改性后的复合板材进行轧制，将总厚为11mm的复合板材分别轧制成7mm、5mm、3mm，获得不同规格的复合板材。通过对复合板材的轧制处理，可以进一步细化材料的晶粒，并消除显微组织的缺陷，从而使复合板材组织致密，力学性能得到进一步的改善。

其中，对复合板材每道次轧制前，需要进行300～500℃的预热处理，预热时间为5～15min。复合板受热使得表面软化，提高板材的塑性变形能力，使复合板组元马氏体板和奥氏体板具有较好的协调变形能力，便于后续的轧制过程。同时预热还可以消除搅拌摩擦工序产生的加工硬化现象，促进复合板内部的扩散，避免过多脆硬化合物的产生，导致后序轧制过程复合板内部出现开裂，从而提高复合板结合强度。

对加热后的复合板材在轧制设备下进行多道次轧制，轧制速度为0.3～1.2m/s，每道次的变形量为10～15％，总变形量为37％～73％，将总厚为11mm的复合板材分别轧制成7mm、5mm、3mm，获得不同规格的复合板材。

本发明通过增材制造技术使得两种板材之间达到了冶金结合如图3所示，其为采用图1中制备方法进行金属增材制造获得的冶金结合界面示意图。上半部红色区域(即颜色相对较浅的区域)是熔化沉积的奥氏体不锈钢层，下半部蓝色区域(即颜色相对较深的区域)是锻态的马氏体不锈钢层。可以看出，奥氏体层和马氏体层之间的界面达到了冶金结合，相较于轧制处理的界面，冶金结合的界面强度要优于轧制处理的界面。同时奥氏体层(上半部红色区域)存在明显的粗大柱状晶组织，以及气孔等内部缺陷。这时的复合板材性能由于这些因素的存在还达不到预期状态，这就使得后续的搅拌摩擦加工处理显得尤为重要。因此，通过搅拌摩擦加工处理不仅细化了材料的晶粒尺寸，更重要的是形成组织过渡层，解决了复合板界面结合不紧密问题，提升了复合板材综合性能。如图4所示，其为采用图1中制备方法搅拌摩擦加工以后的奥氏体区域组织示意图。经过搅拌摩擦加工处理后的奥氏体不锈钢层内部晶粒细小且大小均匀，无明显的气孔和粗大的柱状晶组织。这说明搅拌摩擦加工处理后的材料性能得到了提升，复合板结合更加紧密。图5是复合板界面示意图，即为采用图1中制备方法搅拌摩擦加工后异质材料界面区组织分布示意图。从图中可以很形象的看出，利用增材制造技术熔化沉积的奥氏体区(即增材制造奥氏体区7)是性能较差的粗大柱状晶组织，同时熔化沉积的奥氏体区(即增材制造奥氏体区7)和原马氏体区(示意图只显示原奥氏体晶界)(9)之间存在明显的界面。利用搅拌摩擦焊技术，通过搅拌针的深入，对板材的复合界面进行搅拌，使得复合界面间的氧化膜被破除，细化晶粒、提高晶粒均匀性(即搅拌针细化奥氏体区6)，同时界面两边的材料相互混合(即搅拌摩擦界面混合两相区8)，形成组织过渡层，解决复合板材界面结合不紧密的问题，进一步提升复合板材的结合强度。同时搅拌针对增材制造成型的奥氏体区进行搅拌施压，能更好地将熔化沉积时产生的气体排挤出去，并细化晶粒，改善制备过程中产生的气孔和出现粗大柱状晶等问题，使得复合板材的力学性能得到极大的提升。

综上，本发明实施例提供一种制备奥氏体/马氏体不锈钢强韧性复合板的方法，通过增材制造技术、搅拌摩擦加工改性和轧制处理三道工序的相互配合，既可以消除增材制造时留下的孔洞、裂纹和内应力等缺陷，又可以进一步细化复合板材的晶粒，避免粗大枝晶或柱状晶的形成，并消除显微组织的缺陷，形成组织过渡层，从而使复合板材界面组织致密，力学性能得到进一步改善。另外本发明制备的复合板材与传统轧制复合方法制备的复合板材相比，形成过渡层组织以替换结合不良的复合界面，从而改善复合板材的力学性能。本发明可以实现优异塑性的奥氏体不锈钢与高强度、高耐磨的马氏体不锈钢结合，形成具有综合强韧性的复合板材。同时很好的解决了复合板界面结合不良的问题，制备的复合板界面结合紧密，具有过渡组织，复合强度好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。