激光立体成形高强度合金钢的元素损失研究及调控

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在先进制造等领域和高精尖进口装备中,高强度低合金钢34CrNiMo6以其优越的综合力学性能得到了广泛的应用,对此类零件的维修与再制造可采用增材制造技术提升效率。但目前多数研究都集中于增材制造工艺的探索,而忽略了高能量密度激光对合金材料造成的烧损,元素烧损会改变材料组分,劣化其力学性能。基于此,本研究以激光立体成形技术为实验手段,无量纲热输入E*为评价系,考察能量密度对34CrNiMo6钢显微组织特征、合金元素烧损、力学性能损失造成的影响;重点对元素烧损的发生条件和变化规律,以及元素损失对力学性能的影响进行探索;提出并实践了一种通过预添加单质粉末进行元素调控的工艺新方法。主要研究结果为:(1)激光立体成形中,低能量密度(E*=1.6)下,沿沉积高度向上,组织中马氏体含量逐渐增加,回火马氏体减少,中部针状下贝氏体增多,羽毛状上贝氏体逐渐减少,升温和冷却速度快,热循环曲线窄,底部区域易形成回火马氏体。高能量密度(E*=3.7)下,试样上部为针状或羽毛状贝氏体,下部区域为粗针状贝氏体、马氏体和碳化物混合组织,升温速度快,冷却速下降,峰值温度高,热循环曲线宽,为形成不同的贝氏体提供了良好生长环境。(2)在低能量密度(以E*=1.6为代表)条件下,试样未检测到明显的元素烧损,其热循环特征为激光的“预热”作用小于“回火”作用,试样显微硬度曲线特征为底部低、顶部高。在高能量密度(以E*=3.7为代表)条件下,试样检测到了明显的合金烧损现象,其热循环特征为激光的“预热”作用强于“回火”作用,硬度曲线特征则为底部高、顶部低。此外,试样顶部的元素烧损较底部更严重,热集中区随试样高度发生变化,不同体积的试样均在距基材4.5mm后出现硬度损失,且淬火工艺无法修复因元素烧损导致的硬度损失。(3)预添加合金元素的调控工艺可行,最优调控策略为:Cr、Ni元素补充60%(占元素原始含量的百分比),Cr/Ni比为1:1,Mo元素补充40%,Mn元素20%。调控后试样综合力学性能得到显著改善,显微硬度方面,恢复后硬度最高可达620HV,对比未调控组(采用原始34CrNiMo6粉末的实验组)提升了138%;拉伸性能方面,沉积态试样极限抗拉强度为1620.7MPa,比未调控组试样提升了38.3%,延伸率和断面收缩率则分别为2.21%和6.45%,与未调控组相差不大。经调质热处理后,抗拉强度有所下降,为1219.6MPa,延伸率和断面收缩率大幅提升,分别为21.6%和64.15%,远超未调控组的1.43%和4.23%;冲击性能方面,沉积态试样最大冲击韧性为7.64J/cm~2,比未调控组试样高62.5%。经调质热处理后,冲击韧性获得大幅增强,最大冲击韧性为33.27J/cm~2,远高于未调控组的8.44J/cm~2。所有沉积试样的断裂模式均为脆性断裂,调质态试样中,元素调控后的试样为韧性断裂,而未调控试样的断裂模式为准解理断裂。
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