<越達增材>17-4PH高強鋼增材制造組織與性能研究

  17-4PH高強鋼為超低碳鋼，依靠析出第二相使材料產(chǎn)生強化作用,，作為一種具有高強度和強耐腐蝕性的不銹鋼材料,，在醫(yī)療器械、化工,、汽車制造,、軍工、航空航天及核工業(yè)等方面有著廣泛的應(yīng)用,，由于材料只能長期服役在低于300℃下,，對于其性能要求更高，以及其沉淀硬化而產(chǎn)生的高硬度使得該材料變得很難加工,，傳統(tǒng)的高溫加工工藝已經(jīng)不能滿足零件的加工,，如鑄造工藝缺陷問題，給后續(xù)變形加工和熱處理造成的難度較大,，以及焊接的復(fù)雜零件易產(chǎn)生應(yīng)力集中,，因此用選區(qū)激光熔化（SLM）成形技術(shù)步解決了成形問題。

     SLM成形技術(shù)利用金屬粉末在激光束的熱作用下快速熔化冷卻,，克服了傳統(tǒng)技術(shù)制造具有復(fù)雜形狀金屬零件的難題,，但SLM成形熱循環(huán)過程導(dǎo)致殘余應(yīng)力、形成裂紋,、成形過程中發(fā)生飛濺,，以及氣孔的形成對力學(xué)性能或成形零件的表面粗糙度產(chǎn)生不利影響，以及在制造過程中存在各向異性,、孔隙,、殘余應(yīng)力和分層等問題,。近年來,，通過對SLM成形參數(shù)（激光功率、掃描速度,、掃描間距,、層厚、構(gòu)建方向,、保護氣氛等）的研究,，提高SLM成形零件的整體性能成為研究者的重要目標(biāo)。

      

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       研究團隊采用選區(qū)激光熔化（SLM）增材制造技術(shù)制備了17-4PH高強鋼,，研究了激光功率和掃描間距對試樣組織和性能的影響,，確定了最佳工藝參數(shù)，對試樣組織進行表征同時對拉伸性能和斷裂機制進行研究,。

結(jié)果表明,，在激光功率為165W時,，激光能量密度低粉末吸收能量較少，導(dǎo)致粉末存在未熔化區(qū)域,；隨著激光功率增加到205W時,，粉末吸收能量增多，導(dǎo)致出現(xiàn)球化現(xiàn)象,，試樣氣孔增多,；掃描間距對孔隙缺陷影響比掃描功率小。激光功率為185 W和掃描間距為110 μm工藝參數(shù)下,，氣孔分布少,，硬度（HV）達到370。

17-4PH高強鋼SLM成形微觀組織主要由馬氏體和奧氏體組成,，沉淀硬化相為ε-Cu,，提高了材料的硬度；斷口韌窩形狀大小相似且尺寸較小,，表明試樣有較高的強度和良好的韌性,。

試驗方法

        使用的17-4PH高強鋼粉體的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Cr 為14.10%，Ni 為3.94%,，Cu 為5.64%,，Si為 0.47%，Mn為 0.37%,，Nb為 0.21%,，C為 0.07%，F(xiàn)e余量,。對17-4PH不銹鋼粉末進行篩選,，過濾出粉末中的雜質(zhì)，將過濾后的粉末放入烘干箱進行干燥處理,，經(jīng)過干燥后的金屬粉末中無水分,。

使用選區(qū)激光熔化成形設(shè)備，其搭載200 W/500 W水冷光纖激光器,，激光波長為106~1090 nm,，成形室內(nèi)用氬氣保護。對影響成形的工藝參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計,，影響選區(qū)激光熔化成形試樣的因素有激光功率,、掃描間距、掃描速度,、曝光時間,、層厚等。試驗中固定掃描速率620mm·s -1和層厚30 μm,，選擇不同激光功率P,、掃描間距d進行研究,，具體見表1。

拉伸試樣見圖1,。

圖1 拉伸試樣

試驗結(jié)果

l 17-4PH高強鋼SLM成形工藝參數(shù)優(yōu)化

圖2為激光掃描速率為620 mm·s -1,，掃描間距為110 μm，掃描層厚為30/μm,，在不同功率下氣孔分布,。隨著激光功率逐漸增大，能量密度也會逐漸變大,，充足的激光束能量會使金屬粉末充分熔化,，金屬層內(nèi)的液相流動性提高，這有利于金屬顆粒之間接觸面的凝固成形,，會使材料孔洞減少,、致密度明顯的提高。然而,，當(dāng)激光功率繼續(xù)增大,，激光束能量吸收過多導(dǎo)致粉末過熔，形成缺陷,。

圖2 為激光掃描速率為620 mm·s -1,，掃描間距為110 μm，掃描層厚為30/μm,，在不同功率下氣孔分布

（a）165W（b）185W（c）205W（d）激光功率185W氣孔SEM形貌

圖3為激光功率為185W,，激光掃描速率為620mm·s -1，掃描層厚為30 μm,，在不同描間距下的試樣氣孔分布,。可以看出,，整體氣孔分布變少,，說明掃描間距對孔隙缺陷影響較小。

圖3 激光功率為185W,，激光掃描速率為620mm·s -1,，掃描層厚為30 μm,，在不同描間距下的試樣氣孔分布

（a）90 μm（b）110 μm（c）130 μm（d）掃描間距110 μm氣孔SEM形貌

圖4 為不同激光功率下試樣硬度分布,。圖5為不同掃描間距下試樣硬度分布。從圖4和圖5可以看出,，在功率165W時,，激光能量密度最低，氣孔最多,，導(dǎo)致密度降低,，從而試樣硬度下降,。掃描間距對孔隙缺陷影響較小，但是金屬層被激光掃描時,，金屬粉末液相之間需要搭接,；掃描間距為90 μm時，能量密度增大,，試樣存在過熔狀態(tài),，導(dǎo)致硬度降低；掃描間距為130 μm時,，掃描面上掃描軌跡間搭接距離變大,，能量密度降低，殘余奧氏體含量會增多,，導(dǎo)致硬度降低,。在功率為185W和掃描間距為110 μm下氣孔數(shù)量減少，孔隙率降低,，密度增加,，基體硬度變大，硬度升高,，而且因基體內(nèi)部沉淀出ε-Cu以及一些碳化物沉淀相,，可進一步提高試樣的硬度。

圖4 不同激光功率硬度分布

圖5 不同掃描間距硬度分布

最終確定SLM成形工藝參數(shù)為：激光功率為185W,，掃描間距為110μm,，掃描速度為620mm·s -1，掃描層厚為30μm,，激光能量密度為90.42J·mm-3,。

l 17-4PH高強鋼SLM成形的微觀組織

      圖6為17-4 PH高強鋼SLM成形試樣的微觀組織�,？梢钥闯�,，成形的17-4PH高強鋼體現(xiàn)了各向異性，在橫截面沒有明顯晶界,，橫截面晶粒細小均勻分布,，見圖6a；從圖6b看出,，虛線內(nèi)縱截面有明顯的熔池且呈層間帶狀,。試樣的主要組織結(jié)構(gòu)為馬氏體，馬氏體為bcc結(jié)構(gòu),，馬氏體是SLM成形過程中快速熔化和冷卻造成的,，并隨著熱流在熔池中形成柱狀結(jié)構(gòu)，在縱截面可以看出一些柱狀馬氏體是平行于建構(gòu)方向，有些垂直于構(gòu)建方向,，表現(xiàn)成等軸晶粒,。還有一些殘余奧氏體，由于在SLM成形過程中,，試樣經(jīng)過多次熱循環(huán),，有一些余熱，溫度可達到奧氏體相穩(wěn)定范圍,，會促進奧氏體組織的積累,，奧氏體為fcc結(jié)構(gòu)（見圖6e和圖6f箭頭），殘余奧氏體的存在使試樣的延展性得到提高,。

圖6 17-4PH高強鋼SLM成形的微觀組織

OM形貌（a）X-Y截面OM形貌（b）X-Z截面OM形貌 SEM形貌（c）X-Y截面SEM形貌（d）X-Z截面SEM形貌（e）高倍X-Y截面SEM形貌（f）高倍X-Z截面SEM形貌,。

圖7為 17-4PH高強鋼析出相EDS�,？梢钥闯�,，析出相多為球形狀。表2為顆粒的主要成分,。由表2表明,，顆粒為Cr的碳化物，還有少量Cu析出,，ε-Cu多為納米級顆粒,，一般情況下ε-Cu沉淀物主要在時效過程中形成，在SLM成形過程中激光掃描產(chǎn)生的熱傳遞引起的時效效應(yīng),。

圖7 17-4PH高強鋼析出相EDSl

l 17-4PH高強鋼SLM成形的拉伸性能

圖8為17-4PH高強鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,，在同一參數(shù)下對拉伸試樣進行3次試驗，取平均值,，試樣的抗拉強度為1 176.72 MPa,，伸長率為15.91 %。

圖8 17-4PH高強鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

17-4PH高強鋼試樣拉伸斷口由纖維區(qū),、放射區(qū)和剪切唇區(qū)3個區(qū)域構(gòu)成,。從宏觀來看，拉伸斷口整個斷面比較平滑,，呈現(xiàn)了沿最大切應(yīng)力方向斷裂特征,。利用SEM對拉伸試樣斷口形貌進一步分析，斷口的纖維區(qū)分布大量韌窩,，形狀大小相似,，韌窩尺寸較小，試樣中有第二沉淀相的存在,，在拉伸時會有微孔形成（見圖9b白色箭頭）,，說明該17-4PH不銹鋼具有較高的強度和良好的韌性,，其與組織的均勻性以及晶粒細小都有關(guān)系,，組織中存在的奧氏體降低了材料的強度,，但是改善了材料的塑性。

圖9 17-4PH高強鋼拉伸試樣SEM斷口形貌

（a） 宏觀形貌 （b）微觀形貌

l 結(jié)論

17-4PH高強鋼SLM成形在185 W功率和110 μm掃描間距下,，氣孔分布情況相對來說較少,，密度較大，硬度較大,。

17-4PH高強鋼SLM成形微觀組織主要由馬氏體和殘余奧氏體組成,，可觀察到橫縱截面組織有差別，在縱截面可以看出有明顯的熔池呈層間帶狀,。根據(jù)EDS分析,，17-4PH高強鋼的沉淀相為ε-Cu以及一些碳化物，可以提高材料的硬度,。

17-4PH高強鋼拉伸斷口面由纖維區(qū),、放射區(qū)和剪切唇區(qū)3個的區(qū)域構(gòu)成，斷口韌窩形狀大小相似且尺寸較小,，表明試樣有較高的強度和良好的韌性,。