激光选区熔化成形S136模具钢组织及性能研究

发布时间：2020-07-12 22:40

【摘要】：模具是当代制造业中不可或缺的基础工业装备。当前,我国已是世界模具生产大国,但高档模具与复杂结构模具的工业水平与发达国家相比还存在一定差距。因此,利用先进制造技术来促进我国模具产业的转型升级迫在眉睫。激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术基于层层叠加的制造原理,在直接制造精细复杂结构模具方面优势显著,因此在成形具有随形冷却流道和异形浇口等复杂结构的模具方面得到了广泛重视。然而,目前可用于SLM成形的模具材料仍十分匮乏;同时,对于SLM成形模具零件,一些注塑过程所看重的性能如耐腐蚀性能等未被深入研究。基于此,本文针对具有优良性能但未被深入研究的S136模具钢,开发探索其SLM成形工艺及性能。主要开展了SLM成形工艺优化,组织、硬度及耐腐蚀性能对比分析,热处理性能调控和成分改善等探索。具体研究工作及成果如下:探索了SLM成形S136模具钢的工艺参数,研究了线能量密度对熔化道形貌的影响。最终确定了合适的工艺窗口,并发现当线能量密度为0.25-0.28 J/mm时,SLM成形件熔化道搭接良好,成形件致密度较高,达到99%。研究了SLM成形S136模具钢的相组成、组织、硬度和耐腐蚀性能等,并将其与传统加工试样进行对比,分析了两种试样在组织和性能上具有差异的原因。结果如下:SLM试样因成形过程快热快冷,其中部分奥氏体(γ-Fe)来不及转化成马氏体(α-Fe),试样中因此含有部分残余γ-Fe,使其具有细小而均匀的亚晶粒结构。得益于细小而均匀的组织结构特点,SLM成形件的硬度明显高于铸件。由于其在垂直于和平行于成形方向上的组织差异,SLM成形件的性能表现出各向异性。电化学腐蚀结果表明,由于SLM制件中的缺陷较为集中,使得某一位置形成较大的腐蚀坑,但其耐蚀性仍优于铸件。这是因为SLM制件中含有耐腐蚀性能较强的γ-Fe相且其组织细小,合金固溶增强。对SLM成形零件进行试模验证,发现得益于贴合型腔的随形冷却流道结构,SLM成形模具镶件的注塑生产周期可缩短28%,注塑产品的质量同时得到提升。研究了SLM成形S136模具钢的淬火工艺,分析了淬火工艺对成形件组织、硬度和耐腐蚀性的影响。经过980℃、1020℃、1050℃和1100℃的淬火处理后,原组织中的亚晶界全部消溶,组织全部转变为马氏体,且随着淬火温度的升高,碳化物逐渐固溶,晶粒变大。淬火后,成形件硬度增加,最高达54.24 HRC,比原始SLM试样提高了近10%。淬火后试样由于亚晶粒消溶,耐腐蚀元素分布均匀而使其耐腐蚀性能得到了极大的提升,与原始件相比其腐蚀失重量减少了近97%。综合硬度和耐蚀性能,得到最优的淬火处理工艺为1050℃/1h。研究了SLM成形Cr/S136合金的组织及性能特征,分析了Cr添加量对组织及性能的影响。随着Cr含量的增加,受未全部熔化的Cr对熔池传热和传质的影响,成形件中马氏体的含量先减小后增加,当添加量为10 wt.%时,成形件全部由马氏体组成。Cr有细化晶粒的作用,随着Cr含量的增多,成形件的组织变细;但是受裂纹等缺陷的影响,成形件的硬度随Cr含量的增加而减小。Cr可优先和O元素结合生成致密Cr_2O_3的钝化膜,因而Cr的添加可提升试样的耐腐蚀性能;但受裂纹等缺陷的影响,Cr添加量太高时,耐蚀性下降。综合硬度和耐蚀性能,得到最优的Cr添加量为4 wt.%。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665;TG142.1
【图文】：

复杂模具,胎面花纹,注塑模具,轮胎模具

复杂模具：(a) 具有随形冷却流道结构的注塑模具；(b) 具有复杂胎面花纹的 Mould with complex structure: (a) injection mould with conformal cooling channemould with complex tread材制造技术造（Additive Manufacturing, AM）技术俗称“3D 打印”，与传统制造的加工思路不同，该技术按照三维模型直接成形零件，避免了传统制，可快速而精确地加工任意复杂形状的零件，具有其独特的优势杂结构模具的加工与制造。金属 AM 技术按工艺类型主要可分为：lective Laser Melting, SLM），电子束选区熔化（Electron Beam Melting,形（Laser Engineering Net Shaping, LENS）等[6, 7]。图 1-2 为三种技图。

示意图,设备工作,金属,原理

杂模具：(a) 具有随形冷却流道结构的注塑模具；(b) 具有复杂胎面花纹的ould with complex structure: (a) injection mould with conformal cooling channmould with complex tread材制造技术造（Additive Manufacturing, AM）技术俗称“3D 打印”，与传统制的加工思路不同，该技术按照三维模型直接成形零件，避免了传统制，可快速而精确地加工任意复杂形状的零件，具有其独特的优杂结构模具的加工与制造。金属 AM 技术按工艺类型主要可分为ctive Laser Melting, SLM），电子束选区熔化（Electron Beam Melting形（Laser Engineering Net Shaping, LENS）等[6, 7]。图 1-2 为三种图。

示意图,设备工作,金属,原理

-2 金属 AM 设备工作原理示意图： (c) chematic diagram of metal AM technologies都可用来直接成形模具钢材料。其中，其差异在于能量源的不同（SLM 为于 40 μm，因而其成形零件的表面粗于同轴送粉，成形速度快，但成形零制造要求。而 SLM 技术使用的金属），激光聚焦后具有极细小的光斑，其 Ra ≤ 10）。粉床工艺以及高能束微精度、表面质量等方面更具优势，模具的成形。因此，本文将采用 SL问题。

【参考文献】