<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)量分數(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�,？梢钥闯�,，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,�,？梢钥闯觯�成形��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,。可以看出,，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,。