<越達(dá)增材>17-4PH高強(qiáng)鋼增材制造組織與性能研究

  17-4PH高強(qiáng)鋼為超低碳鋼，依靠析出第二相使材料產(chǎn)生強(qiáng)化作用，作為一種具有高強(qiáng)度和強(qiáng)耐腐蝕性的不銹鋼材料，在醫(yī)療器械、化工、汽車制造、軍工、航空航天及核工業(yè)等方面有著廣泛的應(yīng)用，由于材料只能長期服役在低于300℃下，對于其性能要求更高，以及其沉淀硬化而產(chǎn)生的高硬度使得該材料變得很難加工，傳統(tǒng)的高溫加工工藝已經(jīng)不能滿足零件的加工，如鑄造工藝缺陷問題，給后續(xù)變形加工和熱處理造成的難度較大，以及焊接的復(fù)雜零件易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此用選區(qū)激光熔化（SLM）成形技術(shù)步解決了成形問題。

     SLM成形技術(shù)利用金屬粉末在激光束的熱作用下快速熔化冷卻，克服了傳統(tǒng)技術(shù)制造具有復(fù)雜形狀金屬零件的難題，但SLM成形熱循環(huán)過程導(dǎo)致殘余應(yīng)力、形成裂紋、成形過程中發(fā)生飛濺，以及氣孔的形成對力學(xué)性能或成形零件的表面粗糙度產(chǎn)生不利影響，以及在制造過程中存在各向異性、孔隙、殘余應(yīng)力和分層等問題。近年來，通過對SLM成形參數(shù)（激光功率、掃描速度、掃描間距、層厚、構(gòu)建方向、保護(hù)氣氛等）的研究，提高SLM成形零件的整體性能成為研究者的重要目標(biāo)。

      

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       研究團(tuán)隊(duì)采用選區(qū)激光熔化（SLM）增材制造技術(shù)制備了17-4PH高強(qiáng)鋼，研究了激光功率和掃描間距對試樣組織和性能的影響，確定了最佳工藝參數(shù)，對試樣組織進(jìn)行表征同時對拉伸性能和斷裂機(jī)制進(jìn)行研究。

結(jié)果表明，在激光功率為165W時，激光能量密度低粉末吸收能量較少，導(dǎo)致粉末存在未熔化區(qū)域；隨著激光功率增加到205W時，粉末吸收能量增多，導(dǎo)致出現(xiàn)球化現(xiàn)象，試樣氣孔增多；掃描間距對孔隙缺陷影響比掃描功率小。激光功率為185 W和掃描間距為110 μm工藝參數(shù)下，氣孔分布少，硬度（HV）達(dá)到370。

17-4PH高強(qiáng)鋼SLM成形微觀組織主要由馬氏體和奧氏體組成，沉淀硬化相為ε-Cu，提高了材料的硬度；斷口韌窩形狀大小相似且尺寸較小，表明試樣有較高的強(qiáng)度和良好的韌性。

試驗(yàn)方法

        使用的17-4PH高強(qiáng)鋼粉體的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Cr 為14.10%，Ni 為3.94%，Cu 為5.64%，Si為 0.47%，Mn為 0.37%，Nb為 0.21%，C為 0.07%，F(xiàn)e余量。對17-4PH不銹鋼粉末進(jìn)行篩選，過濾出粉末中的雜質(zhì)，將過濾后的粉末放入烘干箱進(jìn)行干燥處理，經(jīng)過干燥后的金屬粉末中無水分。

使用選區(qū)激光熔化成形設(shè)備，其搭載200 W/500 W水冷光纖激光器，激光波長為106~1090 nm，成形室內(nèi)用氬氣保護(hù)。對影響成形的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，影響選區(qū)激光熔化成形試樣的因素有激光功率、掃描間距、掃描速度、曝光時間、層厚等。試驗(yàn)中固定掃描速率620mm·s -1和層厚30 μm，選擇不同激光功率P、掃描間距d進(jìn)行研究，具體見表1。

拉伸試樣見圖1。

圖1 拉伸試樣

試驗(yàn)結(jié)果

l 17-4PH高強(qiáng)鋼SLM成形工藝參數(shù)優(yōu)化

圖2為激光掃描速率為620 mm·s -1，掃描間距為110 μm，掃描層厚為30/μm，在不同功率下氣孔分布。隨著激光功率逐漸增大，能量密度也會逐漸變大，充足的激光束能量會使金屬粉末充分熔化，金屬層內(nèi)的液相流動性提高，這有利于金屬顆粒之間接觸面的凝固成形，會使材料孔洞減少、致密度明顯的提高。然而，當(dāng)激光功率繼續(xù)增大，激光束能量吸收過多導(dǎo)致粉末過熔，形成缺陷。

圖2 為激光掃描速率為620 mm·s -1，掃描間距為110 μm，掃描層厚為30/μm，在不同功率下氣孔分布

（a）165W（b）185W（c）205W（d）激光功率185W氣孔SEM形貌

圖3為激光功率為185W，激光掃描速率為620mm·s -1，掃描層厚為30 μm，在不同描間距下的試樣氣孔分布�？梢钥闯�，整體氣孔分布變少，說明掃描間距對孔隙缺陷影響較小。

圖3 激光功率為185W，激光掃描速率為620mm·s -1，掃描層厚為30 μm，在不同描間距下的試樣氣孔分布

（a）90 μm（b）110 μm（c）130 μm（d）掃描間距110 μm氣孔SEM形貌

圖4 為不同激光功率下試樣硬度分布。圖5為不同掃描間距下試樣硬度分布。從圖4和圖5可以看出，在功率165W時，激光能量密度最低，氣孔最多，導(dǎo)致密度降低，從而試樣硬度下降。掃描間距對孔隙缺陷影響較小，但是金屬層被激光掃描時，金屬粉末液相之間需要搭接；掃描間距為90 μm時，能量密度增大，試樣存在過熔狀態(tài)，導(dǎo)致硬度降低；掃描間距為130 μm時，掃描面上掃描軌跡間搭接距離變大，能量密度降低，殘余奧氏體含量會增多，導(dǎo)致硬度降低。在功率為185W和掃描間距為110 μm下氣孔數(shù)量減少，孔隙率降低，密度增加，基體硬度變大，硬度升高，而且因基體內(nèi)部沉淀出ε-Cu以及一些碳化物沉淀相，可進(jìn)一步提高試樣的硬度。

圖4 不同激光功率硬度分布

圖5 不同掃描間距硬度分布

最終確定SLM成形工藝參數(shù)為：激光功率為185W，掃描間距為110μm，掃描速度為620mm·s -1，掃描層厚為30μm，激光能量密度為90.42J·mm-3。

l 17-4PH高強(qiáng)鋼SLM成形的微觀組織

      圖6為17-4 PH高強(qiáng)鋼SLM成形試樣的微觀組織�？梢钥闯�，成形的17-4PH高強(qiáng)鋼體現(xiàn)了各向異性，在橫截面沒有明顯晶界，橫截面晶粒細(xì)小均勻分布，見圖6a；從圖6b看出，虛線內(nèi)縱截面有明顯的熔池且呈層間帶狀。試樣的主要組織結(jié)構(gòu)為馬氏體，馬氏體為bcc結(jié)構(gòu)，馬氏體是SLM成形過程中快速熔化和冷卻造成的，并隨著熱流在熔池中形成柱狀結(jié)構(gòu)，在縱截面可以看出一些柱狀馬氏體是平行于建構(gòu)方向，有些垂直于構(gòu)建方向，表現(xiàn)成等軸晶粒。還有一些殘余奧氏體，由于在SLM成形過程中，試樣經(jīng)過多次熱循環(huán)，有一些余熱，溫度可達(dá)到奧氏體相穩(wěn)定范圍，會促進(jìn)奧氏體組織的積累，奧氏體為fcc結(jié)構(gòu)（見圖6e和圖6f箭頭），殘余奧氏體的存在使試樣的延展性得到提高。

圖6 17-4PH高強(qiáng)鋼SLM成形的微觀組織

OM形貌（a）X-Y截面OM形貌（b）X-Z截面OM形貌 SEM形貌（c）X-Y截面SEM形貌（d）X-Z截面SEM形貌（e）高倍X-Y截面SEM形貌（f）高倍X-Z截面SEM形貌。

圖7為 17-4PH高強(qiáng)鋼析出相EDS。可以看出，析出相多為球形狀。表2為顆粒的主要成分。由表2表明，顆粒為Cr的碳化物，還有少量Cu析出，ε-Cu多為納米級顆粒，一般情況下ε-Cu沉淀物主要在時效過程中形成，在SLM成形過程中激光掃描產(chǎn)生的熱傳遞引起的時效效應(yīng)。

圖7 17-4PH高強(qiáng)鋼析出相EDSl

l 17-4PH高強(qiáng)鋼SLM成形的拉伸性能

圖8為17-4PH高強(qiáng)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在同一參數(shù)下對拉伸試樣進(jìn)行3次試驗(yàn)，取平均值，試樣的抗拉強(qiáng)度為1 176.72 MPa，伸長率為15.91 %。

圖8 17-4PH高強(qiáng)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

17-4PH高強(qiáng)鋼試樣拉伸斷口由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)3個區(qū)域構(gòu)成。從宏觀來看，拉伸斷口整個斷面比較平滑，呈現(xiàn)了沿最大切應(yīng)力方向斷裂特征。利用SEM對拉伸試樣斷口形貌進(jìn)一步分析，斷口的纖維區(qū)分布大量韌窩，形狀大小相似，韌窩尺寸較小，試樣中有第二沉淀相的存在，在拉伸時會有微孔形成（見圖9b白色箭頭），說明該17-4PH不銹鋼具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性，其與組織的均勻性以及晶粒細(xì)小都有關(guān)系，組織中存在的奧氏體降低了材料的強(qiáng)度，但是改善了材料的塑性。

圖9 17-4PH高強(qiáng)鋼拉伸試樣SEM斷口形貌

（a） 宏觀形貌 （b）微觀形貌

l 結(jié)論

17-4PH高強(qiáng)鋼SLM成形在185 W功率和110 μm掃描間距下，氣孔分布情況相對來說較少，密度較大，硬度較大。

17-4PH高強(qiáng)鋼SLM成形微觀組織主要由馬氏體和殘余奧氏體組成，可觀察到橫縱截面組織有差別，在縱截面可以看出有明顯的熔池呈層間帶狀。根據(jù)EDS分析，17-4PH高強(qiáng)鋼的沉淀相為ε-Cu以及一些碳化物，可以提高材料的硬度。

17-4PH高強(qiáng)鋼拉伸斷口面由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)3個的區(qū)域構(gòu)成，斷口韌窩形狀大小相似且尺寸較小，表明試樣有較高的強(qiáng)度和良好的韌性。