韓國海洋大學頂刊丨定向能量沉積增材制造高錳鋼的沉積特性及其耐磨損行為

來源： 先進焊接技術

高錳鋼(HMS)具有高加工硬化性和沖擊韌性以及出色的耐磨性,。韓國海洋大學的研究人員采用定向能量沉積(DED)將HMS沉積到Inconel718表面并分析了沉積特性。結(jié)果表明,，當激光功率為1050W且送粉速度為4g/min時,，觀察到的氣孔和熔合不良最少。該研究證明了使用HMS作為粉末進行表面涂層以最大限度地提高耐磨性的工業(yè)適用性,。

關于高錳鋼增材制造的最新研究文章 “Deposition characterization of high-manganese (13Mn) steel built via directed energy deposition and its wear behavior” 發(fā)表在國際頂級材料期刊《Journal of Materials Research and Technology》上,。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應用,！

高錳鋼(HMS)是指含有10-30wt%Mn的鋼,。HMS具有高加工硬化和沖擊韌性以及出色的耐磨性。由于這些特性,，HMS已廣泛應用于各種行業(yè),，包括巖石破碎機、磨粉機,、挖泥斗,、鐵路和耐磨板。然而,，由于加工困難,，HMS的工業(yè)使用受到限制。特別是,，對于在磨損環(huán)境中使用的零件,，表面的淺層（0.5-1毫米）會暴露在惡劣的條件下。在這種情況下,，在零件表面涂覆HMS以提高耐磨性可能會有效,。近年來，增材制造(AM)技術越來越多地用于提高性能,，其中異質(zhì)材料被涂在金屬零件的表面上,。

圖1. (a) 多層沉積的定向能量沉積 (DED) 工藝和掃描程序示意圖；(b) 實驗裝置和打打印過程圖

圖2. 在 STS316L 基板上沉積的 HMS 和 Inconel 718

在AM中,，通過根據(jù)數(shù)字模型逐漸添加材料薄層來創(chuàng)建三維形狀,�,；�于該原理可以直接制造形狀復雜的定制零件。AM已被廣泛接受為設計和制造航空航天,、醫(yī)療、能源和汽車應用中高性能部件的新范例,。金屬增材制造主要分為定向能量沉積（DED）和粉末床熔融（PBF）,。具體而言，DED是一種將激光或電子束照射到金屬表面上,，使表面熔化,，并供給金屬粉末使其熔化、凝固進行沉積的方法,。DED可以比激光束粉末床熔合(PBF-LB)更快地沉積材料,，并且可以制造大型零件，因為它不受構(gòu)建室的限制,。此外,，由于在制造過程中可以很容易地改變原料材料，因此可以制造功能梯度材料,、多材料和增強高溫復合材料或合金,。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應用,！

Inconel718具有出色的耐熱性,。特別是，Inconel718因其出色的可焊性而非常適合應用DED工藝,。但是,，如果專門使用Inconel718，則在各種環(huán)境中都容易發(fā)生損壞,。特別是,，由于硬度和耐磨性低，經(jīng)常發(fā)生表面損壞,。如果表面涂有具有高耐磨性的HMS,，則可以延長產(chǎn)品壽命。因此,，在該研究中,，韓國學者將具有良好耐熱性的Inconel718粉末沉積在STS316L頂部，然后沉積HMS粉末以提高耐磨性,。

在不同激光功率和粉末進給速率下3D打印樣品橫截面的光學顯微鏡圖像

3D打印制備的試樣橫截面

成形件的微觀缺陷

不同磨損條件下磨損試驗后磨損表面的SEM圖像

在這項研究中,，Inconel718粉末沉積在不銹鋼基板的頂部，然后通過DED工藝沉積HMS粉末,。HMS在不同的激光功率和送粉率下沉積,，在評估沉積特性后設置適當?shù)臈l件,。根據(jù)選定的DED參數(shù)制作磨損試樣，并測試HMS的磨損特性,。得出以下結(jié)論：

(1) 在低激光功率沉積的樣品中觀察到部分孔隙,，但在異質(zhì)材料之間的邊界處未觀察到裂紋或分層等缺陷。在高粉末進料速率下也觀察到未熔化,�,？紫逗臀慈酆蠒�對成品材料的機械性能產(chǎn)生負面影響，并可能在極端情況下導致?lián)p壞,。因此,，在本研究中，選擇1050W的激光功率和4g/min的送粉速度作為沉積HMS的合適DED條件,，這會導致孔隙最少和未熔合,。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應用,！

(2) Laves相是打印Inconel718的特征,，由于與Inconel718熔合而在打印HMS第一層中形成，因為難以溶解的Nb在快速冷卻過程中集中在枝晶間區(qū)域,。此外,，由于低硬度的Fe-Ni相的影響，硬度迅速下降至250HV,。

(3) 根據(jù)負載進行的磨損試驗結(jié)果表明,，隨著負載的增加，試件的失重減少,。在所有條件下,，磨損軌跡表面附近的硬度都增加，因為表面因球壓力而硬化,。近表面晶粒細化,，位錯密度隨載荷增加而增加。同時,，在100和400N下未形成馬氏體,，但在250N下有少量馬氏體形成，對硬度影響不明顯,。

(4) 根據(jù)RPM進行的磨損試驗結(jié)果表明,，試樣的重量損失在100RPM時最大。磨損軌跡表面附近的硬度在所有條件下均有所增加,，但在100RPM時增加最多,。由于在50RPM和100RPM的磨損表面上沒有形成氧化層，因此基體在很大程度上被球磨損了。因此,，磨損在100RPM時最為嚴重,。除了最大量的馬氏體外，位錯密度最高,，因此,，磨損軌跡表面附近的硬度增加最多。這些結(jié)果表明,，在根據(jù)RPM進行的磨損測試中,，HMS由于TRIP效應而硬化。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.12.104