激光增材制造24CrNiMo合金钢显微组织特征
发布时间：2021-03-19 09:11
采用激光选区熔化技术和激光熔化沉积技术制备24CrNiMo合金钢单道和块体样品,研究两种激光辐照条件下24CrNiMo低合金钢的相组成、微观组织、织构特征和显微硬度。结果表明:两种方法制备的24CrNiMo合金试样的相组成均为α-Fe相以及少量的Fe3C;SLM成形单道沉积样品的晶粒取向随机、无序,无明显的择优取向,而LMD成形单道沉积样品的择优取向为（110）〈101〉面织构;SLM成形块体样品的晶粒在平行于沉积方向上存在较弱的〈111〉织构,LMD成形块体样品的晶粒存在外延生长取向为〈111〉的强织构;SLM成形试样的显微组织主要为下贝氏体,而LMD成形试样的显微组织以板条贝氏体为主;具有细小晶粒和下贝氏体组织的SLM成形试样的平均显微硬度高于LMD试样。
【文章来源】：材料工程. 2020,48(11)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
24CrNiMo合金钢粉末的形貌(1)和粒径分布(2)
2.1 相组成分析图2为SLM和LMD成形24CrNiMo合金钢X射线衍射图谱。分析可知LMD成形试样和24CrNiMo合金钢粉末的主要相组成为具有体心立方结构的α-Fe相,SLM成形试样的主要相组成也为α-Fe(M),其中M表示Cr,Ni,Mo等元素,同时,成形样品中检测到少量的碳化物Fe3C。在激光辐照熔化24CrNiMo合金钢粉末过程中,极高的冷却速率促进了α-Fe(M)及其碳化物的生成[14]。而α-Fe(M)相可以溶解更多的碳和合金元素,但是碳化物的含量很少,且体积分数低于5%的相难以清晰地在XRD图谱中显示[4]。因此可以推测:LMD试样中也含有少量的Fe3C。此外,在LMD试样的X射线衍射峰中观察到,与α-Fe相(44.673°,PDF-060696)相比,样品中α-Fe衍射峰的布拉格角2θ向左发生了偏移。根据布拉格方程[15]:2dsinθ=nλ(其中n是常数,λ是X射线的波长,d是原子晶格的晶面间距,θ是入射射线与散射平面之间的角度),对应于α-Fe相的衍射峰向左偏移,即衍射角2θ减小,表明对应的晶面距离d增加。说明激光诱导的热应力和合金原子的固溶体在LMD过程中引起了晶格畸变[16-17]。根据谢乐(Scherrer)公式[18]估算样品的平均粒度:
图3为SLM成形24CrNiMo合金钢单道样品截面EBSD分析结果。从EBSD图中可以清晰地分辨出单个熔池的形貌,在SLM材料的微观组织形貌中经常发现这种熔池痕迹,这些熔池的形状取决于采用的激光参数及扫描策略。熔池这种近似于字母“V”的形状主要是由于激光能量呈高斯分布,其中最高的能量值集中在激光束的中心[20]。对于具有立方结构的晶体,晶粒倾向于沿〈100〉方向生长[21],而选区单道熔化沉积截面的EBSD结果显示出无明显的择优取向,在熔池的中心区域大多数晶粒以[101]～[111]之间的取向平行于增材方向(//BD,building direction);在熔池顶部区域,大多数晶粒主要以[001]～[111]之间的取向平行于增材方向,部分晶粒则以[101]取向平行于增材方向,只有极少数的晶粒以[111]取向与增材方向平行。这是因为熔池凝固过程中的温度差引起了马兰戈尼对流(Marangoni convection)[22]以及熔池中动态、交变的周向散热作用使得熔池中的液相晶粒发生了旋转、流动,导致晶粒的取向随机且排列无序[23]。从图3(b)的扫描电子显微镜(SEM)图像中可以观察到明显的马兰戈尼对流的痕迹,对应于图3(a),分析发现有马兰戈尼对流痕迹处的晶粒晶体学取向主要为〈101〉。图4为LMD成形24CrNiMo合金钢单道截面的EBSD分析结果,图4(d)～(f)为单道熔池顶部、中部、底部热影响区(heat affected zone,HAZ)3个位置在较高倍数下的EBSD结果。从图4(a)可以发现,在热影响区中存在大量的取向随机、排列不规则的晶粒组织;在接近熔池中心区域的位置,取向相同的晶粒开始增多;而在熔池顶部的区域,则出现了一定的择优取向,且可以观察到较大晶粒区。与SLM的反极图正好相反的是LMD显示出了具有一定择优取向的晶粒,这种差异突显出加工方式和微观结构之间的重要关系。实际上,LMD成形过程中的熔化及凝固对于理解其微观结构至关重要。在LMD成形单道沉积过程中,由同轴送粉器输送的粉末和高能激光束同时作用在基板上,彼此充分接触进而形成了高能量密度的熔池。激光束本身具有一个竖直向下的速度矢量,熔池在激光束和冲击力的反作用力及液相收缩表面张力的共同作用下,形成了向下凹陷的熔池形貌。同时也使处于熔池底部的热影响区产生了复杂温度场,导致大量取向随机且无序的结晶组织的产生。激光束辐照过后进入凝固阶段,这个过程中,高温的熔体与低温气体环境产生较大的温差,引起表面张力梯度,当这种表面张力梯度超过液相黏滞力,将会导致熔池中产生马兰戈尼对流,使得熔池中的溶体向温度较低的熔池上表面处移动,即产生了指向熔池外表面的速度矢量,从熔池底部到其外表面,晶粒取向由无序变为具有一定的择优取向。正如焊接技术中所报道的那样:最大温度梯度的方向始终垂直于熔池的边界,并且晶粒更倾向于沿温度梯度的方向生长[24]。根据EBSD的极图和反极图分析,LMD成形24CrNiMo合金钢单道截面存在一定的择优取向,为(110)〈101〉面织构:即大部分晶粒的(110)面平行于激光单道扫描面,〈101〉方向平行于激光增材方向(//BD)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光熔化沉积Ti6Al4V/Inconel625梯度耐高温涂层组织演变行为研究[J]. 季霄,孙中刚,唱丽丽,常辉,邢飞. 中国激光. 2019(11)
[2]24CrNiMo合金钢的激光选区熔化成形工艺研究[J]. 袁梅彦,陈勇,王森,郑岩,范树迁. 工程与试验. 2019(02)
[3]送粉式激光增材制造TC4钛合金熔覆层组织及电化学腐蚀行为的研究[J]. 冯晓甜,顾宏,周圣丰,雷剑波. 中国激光. 2019(03)
[4]Effect of scanning strategy on grain structure and crystallographic texture of Inconel 718 processed by selective laser melting[J]. H.Y.Wan,Z.J.Zhou,C.P.Li,G.F.Chen,G.P.Zhang. Journal of Materials Science & Technology. 2018(10)
[5]激光选区熔化热输入参数对Inconel 718合金温度场的影响[J]. 张亮,吴文恒,卢林,倪晓晴,何贝贝,杨启云,祝国梁,顾芸仰. 材料工程. 2018(07)
本文编号：3089344
【文章来源】：材料工程. 2020,48(11)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
24CrNiMo合金钢粉末的形貌(1)和粒径分布(2)
2.1 相组成分析图2为SLM和LMD成形24CrNiMo合金钢X射线衍射图谱。分析可知LMD成形试样和24CrNiMo合金钢粉末的主要相组成为具有体心立方结构的α-Fe相,SLM成形试样的主要相组成也为α-Fe(M),其中M表示Cr,Ni,Mo等元素,同时,成形样品中检测到少量的碳化物Fe3C。在激光辐照熔化24CrNiMo合金钢粉末过程中,极高的冷却速率促进了α-Fe(M)及其碳化物的生成[14]。而α-Fe(M)相可以溶解更多的碳和合金元素,但是碳化物的含量很少,且体积分数低于5%的相难以清晰地在XRD图谱中显示[4]。因此可以推测:LMD试样中也含有少量的Fe3C。此外,在LMD试样的X射线衍射峰中观察到,与α-Fe相(44.673°,PDF-060696)相比,样品中α-Fe衍射峰的布拉格角2θ向左发生了偏移。根据布拉格方程[15]:2dsinθ=nλ(其中n是常数,λ是X射线的波长,d是原子晶格的晶面间距,θ是入射射线与散射平面之间的角度),对应于α-Fe相的衍射峰向左偏移,即衍射角2θ减小,表明对应的晶面距离d增加。说明激光诱导的热应力和合金原子的固溶体在LMD过程中引起了晶格畸变[16-17]。根据谢乐(Scherrer)公式[18]估算样品的平均粒度:
图3为SLM成形24CrNiMo合金钢单道样品截面EBSD分析结果。从EBSD图中可以清晰地分辨出单个熔池的形貌,在SLM材料的微观组织形貌中经常发现这种熔池痕迹,这些熔池的形状取决于采用的激光参数及扫描策略。熔池这种近似于字母“V”的形状主要是由于激光能量呈高斯分布,其中最高的能量值集中在激光束的中心[20]。对于具有立方结构的晶体,晶粒倾向于沿〈100〉方向生长[21],而选区单道熔化沉积截面的EBSD结果显示出无明显的择优取向,在熔池的中心区域大多数晶粒以[101]～[111]之间的取向平行于增材方向(//BD,building direction);在熔池顶部区域,大多数晶粒主要以[001]～[111]之间的取向平行于增材方向,部分晶粒则以[101]取向平行于增材方向,只有极少数的晶粒以[111]取向与增材方向平行。这是因为熔池凝固过程中的温度差引起了马兰戈尼对流(Marangoni convection)[22]以及熔池中动态、交变的周向散热作用使得熔池中的液相晶粒发生了旋转、流动,导致晶粒的取向随机且排列无序[23]。从图3(b)的扫描电子显微镜(SEM)图像中可以观察到明显的马兰戈尼对流的痕迹,对应于图3(a),分析发现有马兰戈尼对流痕迹处的晶粒晶体学取向主要为〈101〉。图4为LMD成形24CrNiMo合金钢单道截面的EBSD分析结果,图4(d)～(f)为单道熔池顶部、中部、底部热影响区(heat affected zone,HAZ)3个位置在较高倍数下的EBSD结果。从图4(a)可以发现,在热影响区中存在大量的取向随机、排列不规则的晶粒组织;在接近熔池中心区域的位置,取向相同的晶粒开始增多;而在熔池顶部的区域,则出现了一定的择优取向,且可以观察到较大晶粒区。与SLM的反极图正好相反的是LMD显示出了具有一定择优取向的晶粒,这种差异突显出加工方式和微观结构之间的重要关系。实际上,LMD成形过程中的熔化及凝固对于理解其微观结构至关重要。在LMD成形单道沉积过程中,由同轴送粉器输送的粉末和高能激光束同时作用在基板上,彼此充分接触进而形成了高能量密度的熔池。激光束本身具有一个竖直向下的速度矢量,熔池在激光束和冲击力的反作用力及液相收缩表面张力的共同作用下,形成了向下凹陷的熔池形貌。同时也使处于熔池底部的热影响区产生了复杂温度场,导致大量取向随机且无序的结晶组织的产生。激光束辐照过后进入凝固阶段,这个过程中,高温的熔体与低温气体环境产生较大的温差,引起表面张力梯度,当这种表面张力梯度超过液相黏滞力,将会导致熔池中产生马兰戈尼对流,使得熔池中的溶体向温度较低的熔池上表面处移动,即产生了指向熔池外表面的速度矢量,从熔池底部到其外表面,晶粒取向由无序变为具有一定的择优取向。正如焊接技术中所报道的那样:最大温度梯度的方向始终垂直于熔池的边界,并且晶粒更倾向于沿温度梯度的方向生长[24]。根据EBSD的极图和反极图分析,LMD成形24CrNiMo合金钢单道截面存在一定的择优取向,为(110)〈101〉面织构:即大部分晶粒的(110)面平行于激光单道扫描面,〈101〉方向平行于激光增材方向(//BD)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光熔化沉积Ti6Al4V/Inconel625梯度耐高温涂层组织演变行为研究[J]. 季霄,孙中刚,唱丽丽,常辉,邢飞. 中国激光. 2019(11)
[2]24CrNiMo合金钢的激光选区熔化成形工艺研究[J]. 袁梅彦,陈勇,王森,郑岩,范树迁. 工程与试验. 2019(02)
[3]送粉式激光增材制造TC4钛合金熔覆层组织及电化学腐蚀行为的研究[J]. 冯晓甜,顾宏,周圣丰,雷剑波. 中国激光. 2019(03)
[4]Effect of scanning strategy on grain structure and crystallographic texture of Inconel 718 processed by selective laser melting[J]. H.Y.Wan,Z.J.Zhou,C.P.Li,G.F.Chen,G.P.Zhang. Journal of Materials Science & Technology. 2018(10)
[5]激光选区熔化热输入参数对Inconel 718合金温度场的影响[J]. 张亮,吴文恒,卢林,倪晓晴,何贝贝,杨启云,祝国梁,顾芸仰. 材料工程. 2018(07)
本文编号：3089344
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/3089344.html
教材专著
