17-4PH高强钢增材制造组织与性能研究
时间:2022-03-21 09:07 来源:3D科学谷 作者:admin 点击:次
17-4PH高强钢为超低碳钢，依靠析出第二相使材料产生强化作用，作为一种具有高强度和强耐腐蚀性的不锈钢材料，在医疗器械、化工、汽车制造、军工、航空航天及核工业等方面有着广泛的应用，由于材料只能长期服役在低于300℃下，对于其性能要求更高，以及其沉淀硬化而产生的高硬度使得该材料变得很难加工，传统的高温加工工艺已经不能满足零件的加工，如铸造工艺缺陷问题，给后续变形加工和热处理造成的难度较大，以及焊接的复杂零件易产生应力集中，因此用选区激光熔化（SLM）成形技术步解决了成形问题。 SLM成形技术利用金属粉末在激光束的热作用下快速熔化冷却，克服了传统技术制造具有复杂形状金属零件的难题，但SLM成形热循环过程导致残余应力、形成裂纹、成形过程中发生飞溅，以及气孔的形成对力学性能或成形零件的表面粗糙度产生不利影响，以及在制造过程中存在各向异性、孔隙、残余应力和分层等问题。近年来，通过对SLM成形参数（激光功率、扫描速度、扫描间距、层厚、构建方向、保护气氛等）的研究，提高SLM成形零件的整体性能成为研究者的重要目标。
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研究团队采用选区激光熔化（SLM）增材制造技术制备了17-4PH高强钢，研究了激光功率和扫描间距对试样组织和性能的影响，确定了最佳工艺参数，对试样组织进行表征同时对拉伸性能和断裂机制进行研究。 结果表明，在激光功率为165W时，激光能量密度低粉末吸收能量较少，导致粉末存在未熔化区域；随着激光功率增加到205W时，粉末吸收能量增多，导致出现球化现象，试样气孔增多；扫描间距对孔隙缺陷影响比扫描功率小。激光功率为185 W和扫描间距为110 μm工艺参数下，气孔分布少，硬度（HV）达到370。 17-4PH高强钢SLM成形微观组织主要由马氏体和奥氏体组成，沉淀硬化相为ε-Cu，提高了材料的硬度；断口韧窝形状大小相似且尺寸较小，表明试样有较高的强度和良好的韧性。
使用的17-4PH高强钢粉体的主要化学成分（质量分数）为：Cr 为14.10%，Ni 为3.94%，Cu 为5.64%，Si为 0.47%，Mn为 0.37%，Nb为 0.21%，C为 0.07%，Fe余量。对17-4PH不锈钢粉末进行筛选，过滤出粉末中的杂质，将过滤后的粉末放入烘干箱进行干燥处理，经过干燥后的金属粉末中无水分。 使用选区激光熔化成形设备，其搭载200 W/500 W水冷光纤激光器，激光波长为106~1090 nm，成形室内用氩气保护。对影响成形的工艺参数进行优化设计，影响选区激光熔化成形试样的因素有激光功率、扫描间距、扫描速度、曝光时间、层厚等。试验中固定扫描速率620mm·s -1和层厚30 μm，选择不同激光功率P、扫描间距d进行研究，具体见表1。
l 17-4PH高强钢SLM成形工艺参数优化 图2为激光扫描速率为620 mm·s -1，扫描间距为110 μm，扫描层厚为30/μm，在不同功率下气孔分布。随着激光功率逐渐增大，能量密度也会逐渐变大，充足的激光束能量会使金属粉末充分熔化，金属层内的液相流动性提高，这有利于金属颗粒之间接触面的凝固成形，会使材料孔洞减少、致密度明显的提高。然而，当激光功率继续增大，激光束能量吸收过多导致粉末过熔，形成缺陷。
（a）165W（b）185W（c）205W（d）激光功率185W气孔SEM形貌 图3为激光功率为185W，激光扫描速率为620mm·s -1，扫描层厚为30 μm，在不同描间距下的试样气孔分布。可以看出，整体气孔分布变少，说明扫描间距对孔隙缺陷影响较小。
（a）90 μm（b）110 μm（c）130 μm（d）扫描间距110 μm气孔SEM形貌 图4 为不同激光功率下试样硬度分布。图5为不同扫描间距下试样硬度分布。从图4和图5可以看出，在功率165W时，激光能量密度最低，气孔最多，导致密度降低，从而试样硬度下降。扫描间距对孔隙缺陷影响较小，但是金属层被激光扫描时，金属粉末液相之间需要搭接；扫描间距为90 μm时，能量密度增大，试样存在过熔状态，导致硬度降低；扫描间距为130 μm时，扫描面上扫描轨迹间搭接距离变大，能量密度降低，残余奥氏体含量会增多，导致硬度降低。在功率为185W和扫描间距为110 μm下气孔数量减少，孔隙率降低，密度增加，基体硬度变大，硬度升高，而且因基体内部沉淀出ε-Cu以及一些碳化物沉淀相，可进一步提高试样的硬度。
最终确定SLM成形工艺参数为：激光功率为185W，扫描间距为110μm，扫描速度为620mm·s -1，扫描层厚为30μm，激光能量密度为90.42J·mm-3。 (责任编辑：admin) |
