頂刊《AM》：增材制造Cu-H13工具鋼（二）

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉，增材制造頂刊《Additive Manufacturing》發(fā)表了采用增材制造技術(shù)，利用Ｎｉ基材料作為過(guò)渡，制備出Cu-H13工具鋼材料。本文為第二部分。


3.1.2.Cu-D22-H13多晶合金的微觀結(jié)構(gòu)
由于直接連接過(guò)程中的上述問(wèn)題，鎳基合金D22首先沉積在H13上作為中間的一組層。隨后將Cu沉積在D22上以制造Cu-D22- H13 MMS。制造樣品不同位置的SEM顯微圖像如圖10所示。據(jù)觀察，從圖10　D22-H13界面非常明顯。然而，界面沒(méi)有任何缺陷，如開(kāi)裂或分層，證實(shí)了固體雙材料粘合。界面附近的D22顯示了一薄層平面結(jié)構(gòu)。在激光沉積的AISI 431不銹鋼中也觀察到這種情況。在界面上方，D22中觀察到柱狀晶空隙。當(dāng)D22一層層堆積時(shí)，后一沉積層產(chǎn)生熱影響區(qū)(HAZ)(圖 10b)在先前打印的層上，因?yàn)榧す庠偌訜帷＜す庠偌訜崞鸬骄植客嘶鸬淖饔�，并將HAZ中的晶體結(jié)構(gòu)從主要為柱狀枝晶改變?yōu)榛ミB結(jié)構(gòu)。圖10c顯示第一層銅預(yù)先形成柱狀晶粒，類似于前面討論的Cu-H13 DJ的晶粒結(jié)構(gòu)。這是由于在沉積的第一層的快速冷卻和隨后的多層再加熱。銅在頂層顯示出類似于Cu- H13 DJ的柱狀枝晶結(jié)構(gòu)(圖7d)。

圖9　Cu-H13 DJ的元素分布圖。

圖11 顯示了在Cu-D22-H13 MMS上執(zhí)行的EDS圖。鎳、鐵和銅是特別重要的，因?yàn)镈22含有95 %的鎳，而H13不含鎳，含有大約90 %的鐵銅大于99.9 %。圖 11b-c顯示了D22-H13界面上顯著且明顯的元素變化。Ni支配界面上方的區(qū)域，確認(rèn)材料是D22。由于H13中鐵含量高，鐵幾乎全部分布在界面下。觀察到鎳和鐵幾乎沒(méi)有擴(kuò)散穿過(guò)界面。這一發(fā)現(xiàn)也得到定量分析的證實(shí)線掃描顯示在在圖12。當(dāng)掃描從基體過(guò)渡到D22時(shí)，觀察到Ni和Fe的非常陡峭的跳躍。這樣的元素跳躍發(fā)生在20微米距離內(nèi)，表明最小層擴(kuò)散。陸等在H13上沉積鎳基超合金和50微米擴(kuò)散區(qū)。本研究中使用的能量密度(57.1焦耳/平方毫米)低于。此外，H13襯底之前被預(yù)熱到300℃沉積在。而在該研究中沒(méi)有采用預(yù)熱。如本研究中所觀察到的，較低的能量密度和不預(yù)熱基底可能導(dǎo)致較少的Ni擴(kuò)散到H13中。

Cu-D22界面的EDS圖如所示圖11e–f，揭示了更加漸進(jìn)的元素?cái)U(kuò)散。Cu沉積物的第一和第二層邊界在電子圖像中標(biāo)出(圖 11d)。將電子圖像與EDS圖進(jìn)行比較，可以清楚地觀察到Ni和Cu經(jīng)歷了兩步濃度變化。在D22和第一層Cu的界面上，Ni含量下降，而Cu含量增加。盡管界面上的鎳含量顯著減少，但在第一層銅中仍觀察到大量的鎳。這是因?yàn)楫?dāng)激光熔化D22的頂層時(shí)，銅被輸送到熔池中，它與熔化的鎳混合形成銅鎳固溶體。因此，第一層銅具有大量的鎳。在Cu的第二層中，Ni經(jīng)歷了進(jìn)一步的濃度下降，因此在該層之上幾乎檢測(cè)不到Ni。EDS定量線掃描在圖12 也顯示了支持的事實(shí)。大約在200微米以下，鎳含量開(kāi)始輕微下降，銅含量開(kāi)始增加Cu-D22接口。在Cu-D22界面的兩側(cè)，Ni和Cu經(jīng)歷了平穩(wěn)的變化。在Cu的第一層和第二層中，觀察到作為構(gòu)建層的函數(shù)的Cu的穩(wěn)定上升和Ni的下降。Ni和Cu的整個(gè)轉(zhuǎn)變跨越了大約800微米的距離，表明了顯著的層擴(kuò)散。

圖10.顯示(a) D22-H13界面區(qū)、(b) D22、(c) Cu-D22界面區(qū)和(d) Cu的SEM顯微照片。


圖11.顯示(a) D22-H13和(d) Cu-D22界面的電子圖像。EDS圖顯示了D22-H13界面附近的(b) Ni和(c) Fe，以及Cu- D22界面附近的(e) Ni和(f) Cu。



圖12.對(duì)Cu-D22-H13 MMS進(jìn)行元素分布線掃描。



圖13.D22-H13 DJ和Cu-D22-H13 mm的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

3.2.拉伸性能
圖13顯示了Cu-D22-H13 mm和D22-H13 DJ的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在三個(gè)Cu-D22- H13 MMS樣品上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，顯示187.2 MPa的平均0.2 %誤差的屈服強(qiáng)度(0.2 %YS)，極限拉伸強(qiáng)度(UTS)為241.1 MPa，斷裂應(yīng)變(SB)為0.167。應(yīng)力-應(yīng)變曲線也顯示了顯著的塑性變形。利用DIC技術(shù)，捕獲了拉伸試樣在測(cè)試過(guò)程中的內(nèi)表面，同時(shí)記錄了拉伸引起的材料變形。對(duì)這些信息的分析提供了每個(gè)時(shí)刻的應(yīng)變分布，從而實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變局部化的全局視圖。圖 14a顯示了不同時(shí)刻Cu-D22-H13 mm上的應(yīng)變分布，以斷裂應(yīng)變的百分比表示。結(jié)果表明，材料變形主要發(fā)生在Cu區(qū)，在D22和H13區(qū)的延伸率最小。圖15描繪了拉伸斷裂區(qū)域和Cu- D22界面的電子圖像和EDS圖。圖15a和b確認(rèn)Cu-D22-H13 MMS拉伸試樣在銅區(qū)域斷裂。Cu-D22界面幸存并且沒(méi)有損壞(圖15c-e)，這表明是固體雙材料結(jié)合。樣品在銅區(qū)域破裂的事實(shí)是預(yù)料中的，因?yàn)殂~是軟的，并且由于其高熱導(dǎo)率而主要包含在材料系統(tǒng)中。因?yàn)殂~的UTS很低，所以應(yīng)力沒(méi)有在H13和D22中引起很大的變形。本研究中通過(guò)DED工藝獲得的Cu的YS和UTS高于通過(guò)其他AM技術(shù)(例如SLM和粘合劑噴射)制造的Cu的值。在這項(xiàng)研究中，銅顯示無(wú)缺陷有助于更好拉伸性能的形態(tài)(除了微孔)。銅的UTS比熱軋態(tài)銅低7 %,但YS高34 %。

對(duì)三個(gè)D22-H13 DJ樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)顯示平均0.2%的YS為465.29ＭＰａ，UTS為663.47ＭＰａ，銻為0.083。圖 14b表示D22-H13 DJ上的應(yīng)變場(chǎng)。它顯示應(yīng)變主要分布在H13部分，在D22區(qū)域沒(méi)有發(fā)生顯著的材料變形。圖16顯示了斷裂的D22-H13 DJ拉伸試樣的圖像和EDS圖。圖16a和b揭示了樣品在D22區(qū)域斷裂，而D22-H13界面仍然完整。因此，在D22和H13之間實(shí)現(xiàn)了良好的界面結(jié)合。由于樣本在D22區(qū)域破裂，測(cè)量的UTS是D22固有的。結(jié)合圖s14b與16 可以看出，雖然在H13區(qū)觀察到無(wú)伸長(zhǎng)，但它沒(méi)有導(dǎo)致樣品的最終斷裂。與H13相比，打印的D22具有較低的拉伸強(qiáng)度和低得多的延展性。橫截面中拉伸斷裂表面的SEM顯微照片如所示圖 17。結(jié)果表明，D22-H13 DJ的斷裂表面有微裂紋，沒(méi)有出現(xiàn)韌窩和空洞，表明其斷裂機(jī)制為脆性斷裂。另一方面，Cu-D22-H13 mm顯示出大量的凹痕和空隙，表明韌性斷裂。

3.3.硬度分布
沿著從基底到沉積物的高度方向測(cè)量?jī)蓚�(gè)制造樣品(Cu-H13 DJ和Cu-D22-H13 MMS)的維氏顯微硬度，作為從基底頂面開(kāi)始的構(gòu)建高度的函數(shù)。結(jié)果(圖18)顯示H13在基底頂面以下3 mm處具有210 HV的硬度。這是因?yàn)榛�底處于退火狀態(tài)。對(duì)于靠近基底-沉積物界面的H13，由于激光硬化，觀察到硬度的顯著增加(Cu-H13 DJ的640 HV和Cu-D22-H13 MMS的550 HV)。先前的研究表明，激光硬化可以使H13表面的硬度比遠(yuǎn)離表面的材料高兩到三倍，這也得到本研究的支持。硬度的提高是因?yàn)楦吣芗す馐�迅速提高了熔池和HAZ中的材料到奧氏體的溫度，隨后的快速冷卻強(qiáng)化了材料，出現(xiàn)了馬氏體微觀結(jié)構(gòu)。研究報(bào)告稱，由于局部激光重熔，界面區(qū)域的硬度增加，這種趨勢(shì)在早期出版物中觀察到，如IN718/Cu和鈦鋁復(fù)合材料。圖 18 還揭示了在Cu-H13 DJ中界面附近H13的硬度高于在Cu-D22-H13 MMS中測(cè)得的硬度。此外，Cu-H13 DJ中硬化材料的深度(3.5毫米)大于Cu-D22- H13 MMS中的深度(3毫米)。這是由于在處理兩個(gè)樣品時(shí)激光能量密度的變化。由方程式計(jì)算的激光能量密度。顯示值為66.7焦耳/平方毫米(銅-H13焦耳)52.4焦耳/平方毫米(銅-D22-H13毫米)。激光能量密度的增加增加了熱影響區(qū)的深度和硬度。

在沉積部分，Cu-H13 DJ的硬度突然下降到50 HV。由于Cu直接沉積在H13基底上，并且元素不能很好地?cái)U(kuò)散穿過(guò)界面，硬度值的變化是突然的。另一方面，對(duì)于Cu-D22-H13 ，硬度值逐漸下降。D22(在基材-沉積物界面上方3 mm內(nèi))的硬度值范圍為144 HV至258 HV。此外，隨著層的增加，該區(qū)域的硬度逐漸下降。當(dāng)?shù)竭_(dá)Cu區(qū)域時(shí)，與頂層中的Cu相比，D22附近的Cu具有增加的硬度。這是因?yàn)镃u-Ni固溶體形成在Cu的最初幾層，這得到了EDS分析的支持(圖 12)。隨著銅層的增加，硬度逐漸降低到50 HV的穩(wěn)定值。這可以通過(guò)Ni含量隨著隨后的Cu層的沉積而不斷減少的事實(shí)來(lái)解釋。

圖14　(a)Cu-D22-H13 mm和(b) D22-H13 DJ上的應(yīng)變場(chǎng)。

3.4.多金屬結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率
單一材料的熱阻由等式給出,其中R是熱阻，x是材料的厚度，k是熱導(dǎo)率，A是垂直于熱流方向的橫截面積。對(duì)于彩圖19a，總熱阻可以用等式

導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量是用穩(wěn)態(tài)絕對(duì)技術(shù)進(jìn)行的 (圖19b)。導(dǎo)熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算可以用等式表示。其中Q是流經(jīng)MMS的熱量，L是兩個(gè)熱電偶T1和T2之間的距離。

Cu-D22-H13導(dǎo)熱系數(shù)的理論計(jì)算值為55.19 W/m-K。理論計(jì)算是在由每種材料的3 mm厚部分組成的Cu-D22-H13 mm上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示Cu-D22-H13 MMS具有43.1 W/m-K的熱導(dǎo)率與純H13相比，用D22將Cu結(jié)合到H13上，總熱導(dǎo)率增加了100 %。然而，當(dāng)這三種材料具有相同的體積時(shí)，就會(huì)得到這個(gè)結(jié)果分?jǐn)?shù)(每種材料3 mm厚)。需要注意的是，銅的體積分?jǐn)?shù)會(huì)顯著影響整體導(dǎo)熱率，如圖19c。隨著Cu體積分?jǐn)?shù)的增加，熱導(dǎo)率呈正趨勢(shì)，趨勢(shì)為當(dāng)Cu達(dá)到某一分?jǐn)?shù)(∼70 %)時(shí)更尖銳。在較低的Cu百分比下，MMS的整體導(dǎo)熱性減弱但仍比純H13高100 %至200 %。為了最大化整體導(dǎo)熱性，在模具中應(yīng)設(shè)計(jì)有褶皺的Cu體積。然而，為了保證模具的足夠的強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性，銅的量是有限的。

圖15　拉伸斷裂Cu-D22-H13 mm的電子圖像和EDS圖。(a)斷裂區(qū)域和(c)Cu-D22界面處材料的電子圖像。(b) Cu在斷裂區(qū)域，(d) Cu和(e) Ni在Cu-D22界面的EDS圖。

　

圖16.拉伸斷裂D22-H13 DJ的電子圖像和EDS圖。材料在(a)斷裂區(qū)域和(c)D22-H13界面的電子圖像。(b) Ni在斷裂區(qū)域，(d) Ni和(e) Fe在D22-H13界面的EDS圖。


圖17.(a) Cu-D22-H13 MMS和(b) D22-H13 DJ的拉伸斷裂形態(tài)。


圖18.Cu-H13 DJ和Cu-D22-H13 mm的維氏硬度測(cè)量


圖19.(a)通過(guò)MMS的熱流示意圖；(b)用于熱導(dǎo)率測(cè)量的穩(wěn)態(tài)方法示意圖；(c)Cu-D22-H13 mm中的Cu體積分?jǐn)?shù)對(duì)總熱導(dǎo)率的影響。

4.結(jié)論
為了使用DED技術(shù)將Cu與H13結(jié)合，兩個(gè)在本研究中，設(shè)計(jì)了用于制造MMS的實(shí)驗(yàn)類型:在H13上直接沉積Cu，并且經(jīng)由Ni基D22多層中間層�；�于微觀結(jié)構(gòu)表征、機(jī)械和熱測(cè)試，可以得出以下重要結(jié)論。

(1)在H13上直接沉積Cu會(huì)由于凝固開(kāi)裂和由于CTE差異導(dǎo)致的高殘余應(yīng)力的組合效應(yīng)而導(dǎo)致開(kāi)裂。通過(guò)使用Ni合金D22作為中間層，無(wú)缺陷的Cu可以成功地沉積在H13上。

(2)EDS分析表明元素含量在D22-H13界面經(jīng)歷了急劇的轉(zhuǎn)變，表明較少的層間擴(kuò)散(20微米距離)。然而，在Cu-D22界面上觀察到銅和鎳含量的轉(zhuǎn)變，揭示了更多連續(xù)元素?cái)U(kuò)散。Ni和Cu含量的整個(gè)躍遷跨越了800微米距離。

(3)在Cu-D22-H13 MMS上進(jìn)行的拉伸測(cè)試顯示0.2%的YS187.2兆帕和241.1兆帕的UTS。DIC技術(shù)揭示變形主要發(fā)生在Cu區(qū)。Cu-D22-H13多晶合金在Cu區(qū)斷裂，表現(xiàn)出韌性斷裂機(jī)制。D22-H13 DJ有0.2 %YS和UTS分別為465.29兆帕和663.47兆帕。盡管試樣在D22區(qū)斷裂，但伸長(zhǎng)主要位于H13區(qū)。對(duì)于這兩種類型的樣本，多種材料的界面幸存，表明一個(gè)強(qiáng)大的結(jié)合強(qiáng)度。

(4)由于激光硬化，在基底表面附近觀察到硬度增加，比基底金屬的硬度高三倍。在Cu-H13 DJ的界面處硬度急劇下降，但是當(dāng)引入D22 as時(shí)，硬度逐漸下降中間層。

(5)熱導(dǎo)率測(cè)量表明，與純H13相比，Cu-D22-H13 MMS的熱導(dǎo)率提高了約100 %。Cu的體積分?jǐn)?shù)會(huì)顯著影響總體熱導(dǎo)率，并且通過(guò)增加Cu-D22-H13 mm中的Cu體積，熱導(dǎo)率有正趨勢(shì)。

文章來(lái)源：Additive Manufacturing 36 (2020) 101474,Additive manufacturing of copper–H13 tool steel bi-metallic structures via Ni-based multi-interlayer,https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101474