透气模具钢S136的激光3D打印&增材制造

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sly4352
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作为金属激光3D打印技术中应用最广泛的一种成型方法,选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)由于其具有“自由制造”、少加工工序、成型周期短等显著特点,近些年得到广泛的关注和发展。然而,由于激光光斑直径和粉末粒径大小等限制,SLM无法在CAD造型阶段通过预设好孔隙的方法直接制备具有小微米(<100μm)连通孔隙结构的多孔金属材料。这种具有小微米连通孔隙的特殊多孔金属的重要应用之一是作为透气模具钢,解决在注射模具行业的困气问题,由于其内部各个方向分布着均匀连通的微米级孔隙,被困的气体由于分子平均自由程远小于孔隙大小,会从透气钢孔隙中顺利排出,从而提高塑料制品成型质量。然而,目前我国的透气钢还主要依赖进口,并且传统方法制备透气钢面临生产成本高、生产效率较低等问题。为了降低国内市场透气模具钢对进口的依赖性,和解决SLM成型技术无法直接通过预设孔隙后制备小微米通孔结构的多孔材料的问题,本研究选取S136模具钢作为研究对象,氮化铬(CrNx)作为发泡剂,将粉末冶金中的熔体发泡法和SLM技术结合起来,制备出了连通的、孔径分布在2-30μm的S136透气钢。实验探究了纯S136钢的SLM成型质量和性能,包括致密度、微观组织、相组成和力学性能。探究了不同激光工艺参数和不同CrNx含量对成型的透气钢试样的孔隙结构特征(包括孔隙率、孔隙大小、孔隙形貌)的影响;阐述了发泡机理;测定和分析了S136透气钢的透气性能、力学性能和耐腐蚀性能。试验研究了纯S136钢的SLM成型工艺和性能。纯S136钢拥有良好的SLM成型质量,当激光功率为200 W,扫描速度为700 mm/s时,成型试样可达致密度99.18%。SLM成型后,并未产生新相,试样内存在着胞状组织和柱状晶组织,平均晶粒大小为1μm。成型试样的维氏硬度分布在653.4-687.3 HV20/20,最高抗压强度为3.63 GPa,相应压缩应变为28.20%。试验研究了SLM+发泡剂的方法制备透气钢的孔隙结构特征。通过三维机械混料机将CrNx和S136钢粉末进行混合,然后利用SLM成型,确定了最优的发泡剂含量5%,激光功率80 W,扫描速度1000 mm/s时,成型试样孔隙率可达24.36%,试样表面的孔隙呈现出大量不规则形貌,内部存在由上至下“迷宫状”连通孔隙,成型试样中80%孔隙的等效孔径分布在2-30μm,全部孔隙的等效孔径小于80μm,并阐述了SLM制备S136透气钢孔隙形成的发泡机理。试验研究了SLM+发泡剂的方法制备透气钢的性能。利用基于micro-CT的气体流体模拟和透气性测试证明了SLM成型S136透气钢的可透气性,其黏性渗透系数为9.432×10-14 m2,透气性能接近商用的PM-35透气钢(4.946×10-13m2),并且测定了其力学性能和耐腐蚀性,均优于商用的PM-35透气钢。
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