选区激光熔化SiC/18Ni300马氏体时效钢复合材料的工艺优化和性能研究

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马氏体时效钢是一种含碳量低的铁镍马氏体模具钢,不仅具有优异的延展性和韧性,而且拥有良好的焊接和加工性能,被广泛应用在航空航天、原子能以及高端模具等重要领域。选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)作为激光增材制造技术之一,拥有常规加工无法比拟的优势,被看作新一轮工业革命的旗帜。本课题以18Ni300马氏体时效钢(简称MS)为研究对象,从致密度优化、陶瓷颗粒增强金属基材料和热处理三个方面,利用SLM技术制备高性能模具钢。主要内容包括:(1)研究SLM成型MS的最佳工艺参数组合。首先分析了SLM成型件缺陷产生的原因,明确需要优化的工艺参数,最后设计试验系统性优化工艺参数以获得高致密度模具钢。通过单道试验研究了激光功率和扫描速度对熔道形貌和尺寸的影响,根据熔道是否连续、是否均匀光滑这两个条件初步筛选出激光功率和扫描速度的较优范围,并通过边界单因素试验去验证。然后,在保持激光功率和扫描速度不变的前提下,对扫描间距进行单因素试验。结果表明,随着扫描间距的增加,飞溅呈先减后增的趋势,根据飞溅的数量与熔道搭接率最终确定扫描间距的合理范围应大于50μm且小于90μm。最后,通过正交—响应曲面试验分析了各个因素和因素间交互作用下对MS试样致密度的影响程度,并得到最佳工艺参数组合:激光功率150W、扫描速度793.7mm/s,扫描间距65μm,该参数组合下MS试样的实际致密度高达99.80%。(2)研究SLM成型SiC/模具钢复合材料(MMCs)的表面形貌、微观组织结构和力学性能。结果表明,随着SiC体积分数增加,试样顶面的隆起和球化现象加剧,表面粗糙度和孔隙变大,侧面粘粉严重,凝固组织由胞状晶向柱状晶再向枝晶转变,MMCs试样的硬度和抗拉强度均高于MS试样。当加入的SiC粉末体积分数为0.5 vol.%时,试样的硬度和拉伸强度最大,分别达到了371.1 HV和1.51 GPa,相比MS试样分别提升了7%和54.8%。此外,当SiC粉末体积分数为1%时,试样的断裂方式由塑性断裂向脆性断裂转变。因此,添加SiC虽然增加了顶面的粗糙度及孔隙率,但可细化晶粒和增加位错密度从而提高力学性能,进而提升试样综合使用性能。(3)研究不同热处理方式对SLM成型MMCs试样微观组织、显微硬度和拉伸强度的影响。结果表明,固溶处理、固溶+时效处理和时效处理都改变了原始的组织结构,晶粒组织被细小板条状马氏体取代,熔道边界的析出物均溶解消散。固溶处理后原始的胞状网格晶体结构转变成白色氧化颗粒,而再经时效处理和增大SiC体积分数可以减少或消灭白色氧化颗粒数量。将三种热处理方式后试样的力学性能对比分析,发现固溶处理会增大晶粒尺寸从而降低试样的力学性能,先固溶再时效处理会析出强化相显著提升硬度和拉伸强度,而直接时效处理会在固溶+时效处理的基础上再次提升。其中,M0.5试样的硬度和拉伸强度在直接时效处理后分别达到615.26HV、2.316Gpa,比热处理前分别提升了64.75%、53.4%,比固溶+时效处理进一步提高了9.55%、15.8%。
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