[发明专利]用于粉末层熔融的可3D印刷的硬质含铁金属性合金

说明书

本发明涉及用于3D金属印刷工序的合金组合物，其向金属性零件提供高的硬度、拉伸强度、屈服强度和延伸率。该合金包括Fe、Cr和Mo和选自C、Ni、Cu、Nb、Si和N的至少三种或更多种元素。制造状态的零件显示至少1000MPa的拉伸强度、至少640MPa的屈服强度、至少3.0％的延伸率、和至少375的硬度(HV)。

相关申请的交叉引用

这一申请要求2016年11月1日提交的美国临时专利申请序列号62/415,667的权益，其通过引用完全并入本文。

领域

本公开内容涉及合金组合物和3D印刷工序来提供用于形成具有相对高的硬度、拉伸强度、屈服强度和延伸率的金属性零件。该合金还显示形成对这样的机械性质特性有贡献的所需相(例如金属碳化物相和/或金属碳氮化物相)的能力。

背景

金属3D印刷方法提供众多非凡的益处例如使用大幅减少的零件制备时间制备高度复杂零件的能力。出于这些原因，3D印刷对许多产业具有高价值。虽然存在许多用于制造金属零件的3D印刷方法，但是最广泛采用的方法是利用固-液-固相转变来制造零件的那些。这些方法通常被称为粉末层熔融(PBF)、选择性激光熔化(SLM)和电子束熔化(EBM)，下文将这些方法称为PBF。

虽然PBF在其由特定的金属合金制备复杂零件的能力方面非常通用，但是该方法被限制为能够由相对少的合金钢(例如316L、17-4PH和马氏体时效钢M300)制备零件。在这些合金中，仅M300具有被认为足以将该合金分类为硬质合金(HV370)的硬度。

扩展硬质PBF钢合金的材料宽度遇到了各种问题，其中居首的为在印刷工艺中或印刷工艺之后裂纹形成的出现。零件的开裂可由许多因素引起，例如热应力、热开裂和液化开裂，并且通常随着所制造零件的硬度提高和韧性降低，开裂的可能性提高。

许多产业对利用具有较高硬度材料(HV370)的PBF用于应用例如刀具、拉模、模具、切割工具、齿轮、过滤器和轴承非常有兴趣。除了高硬度，这些应用通常还需要高强度、韧性、和耐腐蚀性、低温健康、低安全和管理风险、和低成本。

概述

金属性零件的逐层构造的方法，包括：提供颗粒形式的铁基合金，其包括元素Cr和Mo以及来自C、Ni、Cu、Nb、Si和N的至少三种元素，其中Cr以10.0重量％至19.0重量％存在，Mo以0.5重量％至3.0重量％存在，其中C以0至0.35重量％存在，Ni以0至4.0重量％存在，Cu以0至5.0重量％存在，Nb以0至1.0重量％存在，Si以0至1.0重量％存在且N以0至0.25重量％存在；

所述合金组成的余量含有Fe；和

通过将该合金熔化成熔融状态并冷却并且形成具有元素的凝固层来形成该合金的一个或多个层，其中固体层中每个具有2.0微米至200.0微米的形成状态厚度。包含一个或多个层的金属性零件具有以下性质：至少1000MPa的拉伸强度，至少640MPa的屈服强度，至少3.0％的延伸率，至少375的硬度(HV)。

本发明还涉及3D印刷的金属性零件，包含一个或多个铁基金属性合金层，其包括元素Cr和Mo以及来自C、Ni、Cu、Nb、Si和N的至少三种元素，其中Cr以10.0重量％至19.0重量％存在，Mo以0.5重量％至3.0重量％存在，其中C以0至0.35重量％存在，Ni以0至5.0重量％存在，Cu以0至5.0重量％存在，Nb以0至1.0重量％存在，Si以0至1.0重量％存在且N以0至0.25重量％存在，并且所述合金组成的余量含有Fe；

所述层具有2.0微米至200.0微米范围内的厚度；和

所述印刷的金属性零件显示至少1000MPa的拉伸强度，至少640MPa的屈服强度，至少3.0％的延伸率，和至少375的硬度(HV)。

附图简要描述