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马氏体时效钢激光选区熔化成型机理及其控性研究

白玉超  
【摘要】:马氏体时效钢(18Ni300)是一种高强度钢,经过固溶处理和时效处理即可获得极高的硬度,具有热处理变形小、加工及焊接性能优良的特点,在精密模具、航空航天、导弹、飞机起落架等领域获得广泛应用。激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)是最有发展潜力的增材技术之一,具有成型自由度高、响应速度快的特点,使其在精密性高、结构复杂的个性化、定制化功能件直接制造中得到快速应用。SLM直接成型的马氏体时效钢具有微米级尺寸的细小晶粒组织,且硬度低(380HV),易于机械精密加工。因此,可以先通过SLM技术可以获得结构复杂的马氏体时效钢功能零件,然后通过机械加工提高其精度,再进行时效处理获得硬度高达650HV的零件。目前,国内外对SLM直接成型马氏体时效钢缺乏系统性研究,对典型结构特征及精密成型的研究较少,尚未将SLM成型高性能马氏体时效钢零件推向应用。本课题基于以上现状,重点研究SLM成型马氏体时效钢的基础工艺、性能控制及结构特征与精密加工,并在SLM直接成型高精度马氏体时效钢模具应用上进行了初步探索。主要内容包括以下几点:(1)马氏体时效钢SLM成型机理与工艺研究。采用单道扫描、熔道搭接以及层间熔合实验,归纳SLM成型马氏体时效钢的熔化特性、熔道及其搭接形貌与块体性能的演变机制。以致密性为目标,采用单因素实验、正交实验和响应曲面实验方法进行工艺优化,优化后的试样致密度高达99.302%的零件。研究了SLM直接成型马氏体时效钢的显微组织形成机制以及成型方向、传统固溶处理与时效处理对微观组织、硬度、拉伸性能及其冲击性能的影响规律。基于以上实验结果,分析SLM工艺中激光与物质的相互作用机理,讨论了金属粉末的吸热、熔化、凝固的物理过程。(2)SLM成型马氏体时效钢精度优化与车削加工。分析了SLM工艺中的数据处理、打印、后处理三个过程对精度影响的因素。采用光斑补偿和设计补偿方式降低数据处理及光斑尺寸对成型尺寸精度的不利影响;采用BP神经网络和遗传算法进行工艺优化,优化后获得X方向的尺寸偏差在0.087mm以内,Y方向尺寸偏差在0.129mm以内,表面粗糙度在6.427μm以内;研究了SLM成型马氏体时效钢车削加工性能,致密度高有利于表面精度的提升,车削后粗糙度降低为0.98μm;车削深度、成型方向和热处理对车削加工的粗糙度及硬度影响不大。(3)典型特征结构成型能力。以马氏体时效钢复杂功能零件为蓝本,提取出薄壁、间隙、圆柱方柱、圆孔方孔以及倾斜角等典型几何特征结构,研究特征结构的极限尺寸成型能力,发现成型方向和成型尺寸对成型精度影响显著,包含悬垂区域和小尺寸结构的成型误差较大;评估特征结构的表面形貌与尺寸精度,分析概括了限制特征结构成型的约束条件,为SLM成型马氏体时效钢功能零件提供设计准则与指导。(4)SLM成型马氏体时效钢热处理工艺与控性研究。基于马氏体时效钢粉末及其SLM成型件的DSC特性,设计热处理工艺方案。由于SLM工艺的快速冷却特性,直接成型零件由大量的马氏体组织和少量的奥氏体组织组成,为时效处理提供了良好的基体组织。基于以上特点,研究直接时效处理的温度及时间对组织、物相以及力学性能的影响规律。并对固溶处理后再时效处理后的组织与性能进行对比分析,发现直接时效处理不仅继承了SLM直接成型件的精细组织,而且获得了与固溶处理后时效处理基本相同的力学性能,因此可以省略固溶处理过程而直接进行时效处理。研究了热处理对尺寸精度的影响,发现热处理后试样总体尺寸略微变大,直接时效后的最大膨胀率为0.18%,小于固溶处理后时效处理的最大膨胀率0.26%。(5)基于SLM的随形冷却通道精密模具的设计与成型研究。研究了马氏体时效钢SLM成型件的热膨胀性能与导热性能,不同热处理状态下的热膨胀率在低温阶段基本相同,直接时效后的导热系数为23.8W/m·K略低于固溶处理+时效处理后25.7W/m·K。提取了随形冷却通道的曲面结构特征,成型方向对通道的成型质量影响较小,通道倾斜角度对成型质量影响显著,当通道完全水平时形状精度最差,变形率超过了22%。设计了随形冷却通道注塑模具,冷却效率比挡板式直流道模具提高了10%左右。采用三维逆向扫描技术对SLM直接成型以及车削加工后的马氏体时效钢模具进行尺寸精度研究,直接成型后的模具尺寸偏差在-0.23-+0.27mm之间,而经过车削加工后,精度得到明显提升,总体上尺寸偏小0.1mm。对模具车削前后以及热处理前后的粗糙度与硬度进行测试,车削后的粗糙度降低到1μm以下,硬度基本保持不变。


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