选区激光熔化成型马氏体时效钢及其复合、梯度材料研究

发布时间：2020-07-31 18:39

【摘要】：增材制造(3D打印)技术被认为是“一项将要改变世界的技术”并将引领“第三次工业革命”。选区激光熔化(SLM)技术作为典型的金属增材制造技术,具有诸多传统加工方式无法比拟的优势。本课题选择18Ni300马氏体时效钢(简称MS)为研究对象,从工艺优化、成分裁制、制造方式和结构设计等方面进行系统研究。对SLM制备MS及其陶瓷增强的复合材料、基于MS的梯度材料、以及面向随形冷却模具的创新性设计与应用,进行了深入的实验研究,以期克服SLM成型MS效率低、材料单一、成本高等缺点,提高MS材料性能、成型效率、梯度功能性,拓展其工程应用范围。主要内容包括:(1)对激光和热处理工艺参数优化获得与锻件性能相当的高性能MS。工艺参数优化发现最优激光能量密度约为67 J/mm3,工业CT测得此时试样致密度达99.986%。基于差热分析,确定了时效和固溶时效两种合理的热处理工艺。微观组织分析表明晶粒尺寸约0.3μm,熔池冷却速率高达107 K/s。大量针状Ni3(Ti,Al,Mo)等金属间化合物在时效过程中析出,产生了第二相强化,强化机制可用Orowan绕过机制和共格应变强化解释,理论计算与实验结果较吻合。热处理过程中的相转变过程为:α+γ→490℃aging,α+γ+γ'+Ni3(Ti,Al,Mo)precipitates和α+γ→840℃agingα→α+γ'+Ni3(Ti,Al,Mo)precipitates。SLM制备的原始态和固溶时效态MS试样的力学性能达到了标准锻件水平。SLM成型方向对MS力学性能各向异性影响较小,并且后续热处理可进一步消除各向异性。此外,原始态试样残余应力(464 MPa)经时效处理后降低为103 MPa;热处理使耐磨性能提高了约一倍,耐蚀性能也得到改善。(2)采用SLM技术原位制备了 SiC颗粒增强MS基体的金属基复合材料(MMCs)。综合孔隙率、粗糙度和硬度结果,获得最佳工艺参数;通过激光重熔、预热基板、设计支撑和改变零件成型方向抑制了高SiC含量MMCs试样的裂纹。随着SiC含量的增加,MMCs的组织形貌演变为:胞状组织→柱状组织→树枝状组织→针状和链状组织。组织分析发现MMCs试样中出现了大量的纳米尺度的析出相和团簇颗粒,主要化合物依附SiC颗粒非均匀形核并原位析出。此外,SiC含量的增加,增大了 MMCs试样中的残余拉应力,并抑制了马氏体相的形成和促进奥氏体相的生成,同时提高了 MMCs中析出相的形核率。MMCs试样的硬度和屈服强度随着SiC含量的增加而增加,强化机理分析表明MMCs强度提高来自Orowan强化、位错强化和负载转移强化。与MS相比,MMCs试样的耐磨性能明显改善;当SiC6vol.%时,磨损率降低20%以上。热等静压后处理能够显著提高MMCs试样的致密度,使试样孔隙率由0.109%降至0.001%。(3)采用SLM制备了多种MS基梯度材料,并对界面组织和性能进行了表征和分析。界面参数对界面性能的影响大小顺序为:表面状态熔化策略激光参数。对于SLM成型梯度材料而言,界面合金元素的充分扩散和两种材料在界面冶金反应,有利于提高界面结合性能。综合拉伸、弯曲和疲劳测试结果发现304钢-MS和4Crl3钢-MS梯度材料的力学性能达到母材强度,明显优于45钢-MS。因为与不含合金元素的45钢不同,304和4Crl3母材中均含有大量的合金元素(如Cr、Ni等),在SLM过程中界面熔池在Marangoni对流作用下,高温MS熔池与基底材料发生充分对流、传质和元素扩散混合现象,冶金结合良好。此外,基于SLM制备了 Cu-MS异类金属梯度材料。采用合适的激光参数可以获得几乎无缺陷、元素互扩散达30-40μm的Cu-MS冶金结合界面。基底高热导率Cu使界面形成了亚微米级的梯度尺寸晶粒,且晶粒顺着熔池最大温度梯度方向形成了较强的111织构。此外,通过透射电镜分析揭示了界面微观结合机理。力学测试发现,最佳试样的界面拉伸、弯曲强度和疲劳性能均优于母材铜。(4)在MS面向随形冷却模具应用的创新设计方面,设计和制备了 MS自支撑结构水路的随形冷却模具,以提高冷却效率。同时,将模具装配部位进行网格化减材设计,以节省材料和成型时间。优化了网格结构的激光成型参数,其所需激光能量低于实体零件。自支撑水道改善了了水道可成型性,20mm孔径水道仍能顺利成型。模流分析表明,自支撑结构大孔径冷却水道提高冷却效率20%以上。此外,对模具进行了网格减材化设计和实验验证,探究了网格体积分数对力学性能的影响,为模具网格化设计提供理论依据。最后采用SLM成功制备了集网格减材化和自支撑水道的随形冷却模具实物,证实了上述基于SLM模具创新性设计和制备的可行性。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG142.24;TG665;TB33
【图文】：

示意图,设备工作,过程,示意图

术[8]。增材制造技术有诸多传统制造技术无法媲美的有点，例如自由设计和制造，多种功能集成优势，个性化定制和快速制造，高的材料和资源利用率，无污染和环境友好等[9, 10]。由于上述诸多优势，近年来，增材制造在学术界和商业界都引起了高度重视和广泛关注。随着技术的发展和成熟，增材制造技术已开始应用于航空航天、交通运输、工业工程、生物医学和食品供应链等领域[9, 11, 12]。根据《WohlersReport2018》报道，增材制造 2017 年市场总额达到 64 亿欧元，年增长率达 21%，较上一年增长率 17%提高[13]。SLM 是一种典型的金属增材制造技术，该技术是依据三维 CAD 数据模型，采用高能量密度激光束作为热源，将粉床上的粉末逐层进行区域选择性地熔化，层间冶金结合形成三维金属实体，如图 1-1 所示[14]。1997 年 SLM 技术在德国申请专利，并于次年获得授权。SLM 技术具有具有成型致密度高、力学性能优异、零件形状复杂和节省材料等优点[3]。对于 SLM 技术的研究主要体现在成型过程中的激光工艺参数对成型件性能的影响、成型过程激光与粉末作用时物理现象和机理[15, 16]，以及 SLM 在工业随形冷却模具、生物医学个性化定制、复杂几何形状或结构的功能件等方面的应用研究[17-19]。

示意图,工艺窗口,马氏体时效钢,示意图

F or heat-treated UTS (MPa) YS (MPa) El (%) HardneF40°C +490°C×6hF40°C +480°C×6hF80°C×5hFF90°C×6hF20°C +460°C×6hF90°C×3hF60°C×8h00°C×10minrought[43]rought aged[4, 50]10651998117821641290±1142217±731085-11921100180011252033~1190~18601188±102017±581659±1191000-11701930-20509011895--1214±991998±32-10501720----915±131957±431557±140760-8951862-200011.54.57.92.513.3±1.91.6±0.35-812.14.510.45.3~12.5~5.66.2±1.31.5±0.21.6±0.16-155-730 HR52 HR381 HV646 HV396 HV635 HV30-35 H~420 H~600 H~400 H618 HV~350 H~560 H---35 HR52 HRensile strength, YS - yield strength, El - elongation, Ei- Charpy impac

示意图,原位,复合材料,示意图

第一章绪论复合材料具有较高的硬度(980 HV0.2)和较低的摩擦系数粉末混合并 SLM 熔化成型，得到 MMCs。有趣的是，i 金属粉末以及非金属单质石墨(C)混合，并采用 SLM 成末无陶瓷粉末，但在激光熔化过程中 Ti 和 C 单质发生应的吉布斯自由能 G 在不同成型温度下始终小于 0，Ti 和 C 通过扩散的形式形成高温相 TiC，TiC 在 SLM 凝TiC，产生强化效应，复合材料硬度达到约 400 HV。

【参考文献】