激光选区熔化成形模具钢材料的组织与性能演变基础研究

摘要

模具是现代工业不可或缺的基础装备，我国已发展成为世界模具生产大国，但高档模具供不应求，制约着我国向模具工业强国转型，发展模具先进制造技术是我国模具产业发展的大势所趋。金属增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，利用三维设计数据可快速而精确地制造出高性能的复杂金属模具，在高档模具的快速制造中具有巨大潜力。其中，激光选区熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术设备、工艺简单，成形零件复杂度高，特别适合成形具有复杂冷却水道等结构的精密模具。然而，SLM成形件与传统方法制造的零件在微观组织、性能等方面存在显著差异，此外用于SLM成形的模具材料十分匮乏。本文面向SLM技术成形复杂高性能模具零件的需求，研究模具钢材料及其复合材料在SLM成形过程中的组织与性能演变，探究了SLM成形件的微观组织、力学性能和耐腐蚀性、机加工性能。具体研究工作及成果如下：
　　研究了AISI420不锈钢的SLM成形工艺，成形出了接近全致密的试样，为模具零件的SLM制造奠定了工艺基础。具体研究内容包括：进行单道扫描成形，归纳了AISI420不锈钢的熔化特性，根据SLM成形工艺的不同，熔化道表现为三类不同的形貌，探讨了单道熔池形貌的演变；研究了氧含量和扫描间距对单层扫描表面质量的影响，结果表明不锈钢易形成致密的氧化膜，降低成形过程中液态金属的润湿效果和表面质量，另外搭接率达30％-40%时成形表面较为平整；利用二次拟合得到成形件致密度和激光能量密度之间的关系：ρ=-0.001×ψ2+0.559ψ+53.42，通过后续成形环境气氛优化，成形件最高致密度超过99%。
　　研究了SLM成形件的微观组织及其形成机理。SLM成形件道与道、层与层之间搭接良好，出现了明显的熔池边界，但仍存在微观孔隙和裂纹缺陷。成形件晶粒细小，并在熔池内部和熔池边界附近呈现出不同的微观形貌：熔池内部为胞状晶，熔池边界为柱状晶。成形件主要由Fe-Cr和CrFe7C0.45两相组成，未发现常见的马氏体组织。发现SLM成形AISI420不锈钢存在脱碳现象，脱碳现象缩小了高温奥氏体区，马氏体转变未大量发生，同时形成了类似鱼鳞纹分布的贫碳区。
　　研究了SLM成形件的力学性能，探讨了SLM成形工艺、热处理工艺对力学性能的影响规律。结果如下：SLM成形件拉伸性能表现出明显的各向异性，沿Z向拉伸的抗拉强度最高，力学性能各向异性与成形件的致密度、组织缺陷和脱碳现象有关。通过退火处理可以大大改善成形件拉伸性能的各向异性；不同的热处理工艺显著影响试样的拉伸性能，其中淬火+回火的热处理工艺成形微细的马氏体和均匀分布的碳化物组织，抗拉强度提高到1837±21 MPa，延伸率提高到13.8±1.06%。成形件的硬度随着激光能量密度的增加先升高，但当激光能量密度过大时硬度开始降低。耐磨性结果与成形件的硬度一致，成形件硬度越高，耐磨性越好。耐磨性最好的热处理工艺如下：热处理温度1050℃保温30 min后进行水冷，摩擦磨损量由SLM成形件的34.6 mg降低为23 mg，耐磨性提高了33.5%。
　　研究了SLM成形件的耐蚀性能，结果表明：在抗点腐蚀性能方面，SLM成形的420不锈钢是优于锻造退火的420不锈钢的，但SLM成形件局部腐蚀现象严重，并呈现出平行分布的腐蚀坑。在抗晶界腐蚀性能方面，SLM成形的420不锈钢的耐腐蚀性能完全优于锻造退火的420不锈钢。在严重腐蚀位置腐蚀试样表面呈现出沟槽状的腐蚀坑连成条状平行分布，推测是熔池边界与熔池内部的不均匀性造成两者腐蚀点位差异，加快了晶间腐蚀。
　　研究了SLM成形件的机加工性能。具体研究内容如下：研究了SLM成形件致密度、铣削深度、铣削面对机加工后表面质量、残余应力和硬度的影响。结果显示，SLM成形件致密度是影响机加工质量的主要因素。铣削加工后，SLM成形件表面残余应力变化较大，随着切削深度的增加，残余应力由压应力逐渐变为拉应力。SLM成形件组织和力学性能的各向异性并未造成SLM成形件不同平面机加工性能的明显差异。SLM成形件机加工后具有较低的表面粗糙度。
　　研究了420不锈钢/TiN复合材料的SLM成形，探索了短流程制造高硬度、高耐磨模具的可能性。具体研究内容如下：通过高能球磨方法制备出不同 TiN含量的粉末，研究 TiN含量和激光功率对成形件致密度、显微组织和机械性能的影响。结果表明，随着TiN颗粒含量的增加粉末对激光吸收率下降，同时TiN和金属之间界面润湿效果差，造成成形件致密度和硬度严重下降。当TiN含量为1 wt.%时，随着激光能量密度的增加，Ti N颗粒的扩散行为增强，微熔池流动性得到改善，制备的复合材料致密度达到了98%。最优的硬度达到了607 HV3和HRC56.7，超过了全致密度的420不锈钢SLM成形件，同时制备的复合材料耐磨性与TiN涂层相当。
　　研究了FeCr24Ni7Si2奥氏体耐热钢的SLM成形，为其在热作模具方面的应用提供工艺基础。具体研究内容如下：采用正交试验方法系统地研究了激光功率、扫描速度和层厚对FeCr24Ni7Si2奥氏体耐热钢SLM成形件的微观组织和宏观性能的影响规律。结果表明：最优工艺参数为激光功率140 W、扫描速度400 mm/s、铺粉层厚0.15 mm。其成形件的致密度最高，达到96.09%。成形件晶粒细小(晶粒尺寸＜1μm)，成形件仍为奥氏体组织。与420不锈钢相比，该种材料成形过程中易出现微裂纹缺陷，其产生的原因主要可能是非金属脆性相的产生和SLM过程造成了极大的微观残余应力，导致成形件在大晶界角和脆性相处开裂。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 激光选区熔化直接成形金属模具研究现状

1.3 课题的来源

1.4 研究目的、意义及研究内容

2 AISI 420不锈钢激光选区熔化成形工艺及成形件微观组织研究

2.1 引言

2.2 试验条件

2.3 成形工艺优化

2.4 微观组织与相组成

2.5 脱碳现象

2.6 本章小结

3 AISI 420不锈钢激光选区熔化成形件的力学性能研究

3.1 引言

3.2 试验条件

3.3 摆放方向对SLM成形件拉伸性能的影响

3.4 热处理对SLM成形件拉伸性能的影响

3.5 SLM工艺参数对成形件硬度的影响

3.6 热处理对成形件硬度和摩擦磨损性能的影响

3.7 本章小结

4 AISI 420 不锈钢激光选区熔化成形件耐腐蚀性及机加工性研究

4.1 引言

4.2 SLM成形件耐腐蚀性研究

4.3 SLM成形件机加工性能研究

4.4 本章小结

5 TiN/AISI 420不锈钢复合材料激光选区熔化成形研究

5.1 引言

5.2 试验条件

5.3 试验结果与讨论

5.4 本章小结

6 FeCr24Ni7Si2奥氏体耐热钢激光选区熔化 成形研究

6.1 引言

6.2 试验条件

6.3 试验结果与讨论

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士期间撰写的学术论文、专利以及参与的学术会议