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选区激光熔融(SLM)18Ni300模具钢成型性能及热处理制度的研究

郭文锋  
【摘要】:金属3D打印技术可实现金属的自由制造,为随形冷却模具的制造带来新的契机,选区激光熔融技术(SLM)具有成型精度高、性能良好的优势,成为3D打印模具制造首选的快速成形技术。马氏体时效钢兼具超高强度和优良的塑性,成为SLM制造模具的主要应用。基于以上应用背景,本文以具有高强高韧的18Ni300马氏体时效钢作为研究模具SLM成型的材料,分别对SLM 18Ni300的粉末特性、成型工艺以及对应的热处理机制进行系统研究,主要完成工作如下:对SLM 18Ni300模具钢粉末特征进行表征分析,选择价格上具有绝对优势的国内威拉里新材料科技有限公司(VILORY)提供的18Ni300粉末和EOS公司SLM专用18Ni300粉末进行对比分析,探究了两种粉末的化学组成、颗粒形貌、粒径、堆积密度、流动性和物相组成等粉末特征,得出关于SLM专用粉末特性的一些结论。电镜下两种粉末颗粒大部分是圆整的,夹杂一些破碎、结节状等不规则颗粒,国内VILORY粉末球形度测量值略优于EOS,且表面较光滑。粒径结果显示,国内VILORY粉末和EOS粉末颗粒尺寸集中20~60μm之间,90%的粉末尺寸均小于55μm。两种粉末粒径分布曲线(PSD)呈高斯分布,其中EOS粉末的粒径分布曲线跨度值更大,更符合多组元粒径的搭配,而存在一定比例的超细粉(10μm),能够填充大颗粒间的孔隙,粉末综合特性测试结果表明其粉末松装密度和振实密度更高,两种粉末的流动性能均为良好。X射线衍射图谱结果表明,两种粉末都是以马氏体(α相)为主,粉末中无任何杂质相。综合结果表明,国内VILORY粉末在颗粒形貌、粒径及综合性能特征上可与EOS公司的SLM 18Ni300专用粉末相媲美,满足SLM成型要求。研究SLM 18Ni300成型工艺,在激光功率180W,扫描速度600mm/s,扫描间距0.105mm,铺粉厚度30μm,线型扫描模式的工艺参数下,EOS 18Ni300模具钢粉末的SLM成型件致密性可达99%,成型工艺稳定,组织致密均匀,力学性能优异,抗拉强度和屈服强度分别是1152MPa和1020MPa,但二维形貌和三维CT扫描图显示仍存在较少的孔隙和微裂纹缺陷。原始打印件的XRD图谱表明其物相是作为时效基体的单相固溶体α相,得出SLM 18Ni300可免去高温的固溶处理,直接进行时效强化。研究不同热处理方式下的SLM 18Ni300成型件的力学性能和组织,得出热处理优化机制。直接进行时效热处理后的SLM 18Ni300的时效行为与传统锻件经固溶+时效后的结果一致,表明经SLM成型的18Ni300模具钢不需要复杂的固溶热处理。不同时效热处理后的行为显示,随着时效温度的提高,硬度峰值到达时间越短,但达到的硬度值也越小,在460oC下的时效强化效果持续时间长,并在12h达到强度的峰值(抗拉强度为2116MPa,屈服强度为2051MPa),强化的原因是在时效中先后从马氏体基体弥散析出的金属间化合物Ni_3(Mo,Ti)和Fe_2Mo,发挥沉淀硬化作用。当时效温度高于500oC,部分马氏体会逆转变为奥氏体,逆变奥氏体作为一种软化相可改善18Ni300的塑性,同时会降低强度,但对塑性的改善高于强度下降。分析不同时效状态下拉伸件的断裂机制,结果表明原始打印状态下的18Ni300模具钢表现出微孔聚集型的韧性断裂,经过460oC下保温12h的时效处理后,其断裂形式表现为准解理断裂,而在较高温度540oC下保温2h,因为逆转变奥氏体的生成,改善了其塑性和韧性,断裂机理为韧性断裂。得出SLM 18Ni300模具钢可通过在较高温(500oC~540oC)保温较短时间(1~3h),使模具钢处于过时效的初期阶段,既能保证强化沉淀相的析出,保证强度,又能产生一定量的逆转变奥氏体,改善模具钢的塑性,达到理想的强韧化效果。


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