模具钢选区激光熔化工艺及组织性能研究

发布时间：2020-11-21 04:49

　　 选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)是一种快速增材制造技术,利用“离散-堆积”原理,通过逐层打印的方法构造三维实体。其在复杂异型结构、传统方法无法制造的复杂构件及工件制造的快速响应具有极大的优势,将选区激光熔化技术与模具制造相结合,能够解决传统方法加工过程中存在的长周期、高成本、难加工等难题。本文以18Ni300合金和H13合金为试验材料,通过研究和优化成形工艺、热处理规范以提高构件的打印质量,优化工艺和复合加工方法。利用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观察了 SLM成形模具钢的显微组织和断口形貌,背散射电子衍射(EBSD)和X射线衍射分析(XRD)对物相组成和晶粒取向进行了分析。本文首先研究了主要工艺参数(激光扫描速度、激光功率和扫描间距)对SLM成形件的致密度、微观硬度和宏观硬度的影响。SLM成形18Ni300合金试样和H13合金试样致密度最大值分别可达99.19%和97.13%。对应的工艺参数分别为:扫描速度v=2000mm/s,激光功率p=450W,扫描间距h=50μm和v=2500mm/s;p=450W;h=70μm。工艺参数对SLM成形件致密度的影响可以总结为输入激光能量密度对致密度的影响。基于以上,在最优的工艺参数下,利用SLM工艺制备出致密度较高的模具钢试样进行显微组织观察和相关力学性能测试。研究发现,SLM成形模具钢组织晶粒尺寸细小,直径约1μm,主要为等轴晶和柱状晶,晶粒生长顺利跨过层界,达到紧密的冶金结合状态。其中18Ni300合金中相组成除了 bcc结构外的马氏体,还存在部分未转变的残余奥氏体,SLM成形18Ni300合金平均显微硬度约为368HV0.5,高出铸态51HV0.5。抗拉强度为1156MPa,伸长率为10.5%,与同样未经时效处理的锻态18Ni300钢力学性能相当。SLM成形H13合金存在轻微的成分偏析情况,主要包含bcc结构的马氏体相和fcc结构的残余奥氏体,SLM成形H13合金的硬度为54HRC,抗拉强度为1191MPa,伸长率为3.5%,韧性较低。为改善成形模具钢性能,针对SLM成形的18Ni300合金和H13合金制定了各自的热处理工艺,并进行了相关组织和性能分析。经过490℃/6h时效处理后,SLM成形18Ni300合金力学性能得到显著提高,抗拉强度由未时效SLM态的1156MPa,提高到时效后的2034MPa,但断裂形式转变成了完全的脆性断裂,伸长率下降明显,显微硬度由时效前的368HV0.5提高到629HV0.5。组织中出现了部分逆转变奥氏体。对于SLM成形H13合金,对其进行回火或淬火+回火处理,并与传统锻造成形件对比,发现组织中残余奥氏体发生分解,转变为回火马氏体,同时减轻了成形件中的残余应力;经过回火处理的SLM成形H13合金试样的抗拉强度由热处理前的1191MPa上升到1751MPa,硬度略微降至53HRC,伸长率的上升和硬度的略微下降对比传统的加工热处理方法,SLM成形的H13合金在经过回火处理后有了较高的强度和硬度。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG665;TG142.1
【部分图文】：

Ｘ、Ｙ方向移动??图１．２激光近净成形：（ａ）示意图；（ｂ）应用??Ｆｉｇ．?１．２?Ｌａｓｅｒ?Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ?Ｎｅｔ?Ｓｈａｐｉｎｇ，?ＬＥＮＳ：?（ａ）?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ，?（ｂ）?ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ＬＥＮＳ??激光近净成形原理是先将需要加工的零件进行ＣＡＤ建模，然后在水平方向??上对模型进行切片处理生成截面数据。将数据信息输入控制系统，即可控制喷头??

时可以在满足产品使用性能的前提下，降低原材料的使用和减少损耗，使生产速??度大大提高［３］。目前，增材制造技术主要应用于工业制造、航空航天、国防军工??和生物医疗等方面，如图１．１。??目前，金属材料增材制造技术主要有如下几种【５＿力：１〉选区激光熔化（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ??Ｌａｓｅｒ?Ｍｅｌｔｉｎｇ，?ＳＬＭ），主要应用于复杂金属零件的加工制造，如合金牙冠、精密??模具、医用植入物等；２）激光近净成形（Ｌａｓｅｒ?Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ?Ｎｅｔ?Ｓｈａｐｉｎｇ，ＬＥＮＳ?），??主要用于飞机用大型金属构件，如图１．２；?３）电子束选区溶化（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?Ｂｅａｍ??Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ?Ｍｅｌｔｉｎｇ，?ｒｏＳＭ?），主要应用于航空航天大型金属结构件的制造，如图１．３。??激光近净成形技术又称激光溶覆快速制造技术，它是激光熔覆技术与快速原??型技术的结合，由美国Ｓａｎｄｉａ国家实验室的Ｄａｖｉｄ?Ｋｅｉｃｈｅｒ发明。ＬＥＮＳ技术可??以用来制造具有复杂结构的金属零件或模具

熔池位置??、Ｘ、Ｙ方向移动??图１．２激光近净成形：（ａ）示意图；（ｂ）应用??Ｆｉｇ．?１．２?Ｌａｓｅｒ?Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ?Ｎｅｔ?Ｓｈａｐｉｎｇ，?ＬＥＮＳ：?（ａ）?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ，?（ｂ）?ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ＬＥＮＳ??激光近净成形原理是先将需要加工的零件进行ＣＡＤ建模，然后在水平方向??上对模型进行切片处理生成截面数据。将数据信息输入控制系统，即可控制喷头??和基板的移动。待熔融的粉末由惰性气体送入喷头，当粉末落入喷嘴附近时，经??激光的加热作用熔化落入熔池并在基板上堆积。一层扫描结束后，喷头上升一个??３??
【参考文献】

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本文编号：2892549