頂刊《AM》：增材制造Cu-H13工具鋼（一）
時間：2022-06-16 15:50 來源：江蘇激光聯盟 作者：admin 閱讀：次
導讀：據悉，增材制造頂刊《Additive Manufacturing》發表了采用增材制造技術，利用Ｎｉ基材料作為過渡，制備出Cu-H13工具鋼材料。本文為第一部分。
當選擇用于模具的材料時，需要在高溫下具有一定的強度以保持部件的形狀，同時具有高導熱性以減少部件的凝固固化時間。這種需求導致了對Cu與H13工具鋼雙金屬結構的研究和應用。利用定向能量沉積實驗裝置，使用了兩種制造方法:在H13上直接沉積Cu和利用Deloro 22 (D22，> 95 wt .% Ni含量)。制造了三種結構:Cu-H13直接接頭(DJ)、Cu-D22-H13多金屬結構(MMS)和D22-H13 DJ。為了表征該結構，進行了以下操作:微觀結構表征、元素分布、拉伸測試、硬度和熱導率測量。將銅直接連接到H13上會導致界面開裂。通過引入D22緩沖層，在H13上成功沉積了無缺陷的銅。由于非常有限的層擴散，在D22-H13界面經歷了元素含量的急劇轉變。在D22-Cu界面上，檢測到Cu和Ni的逐漸過渡，表明連續的元素擴散。拉伸試驗表明，Cu-D22-H13 MMS試樣在Cu區斷裂，其形貌表明為韌性斷裂。D22-H13 DJ在D22區域失效，盡管延伸主要發生在H13區域。Cu-D22-H13 MMS和D22-H13 DJ的界面都經受住了拉伸測試，表明了強的結合強度。顯微硬度測量觀察到H13表面的硬度由于激光硬化而增加。材料硬度在Cu-H13 DJ中迅速下降，但在Cu-D22-H13 mm中逐漸下降，因為D22中的Ni擴散到多層Cu中。熱導率測試表明，與純H13相比，Cu-D22-H13多晶材料的總熱導率提高了約100 %。Cu的體積分數可以顯著影響Cu-D22-H13多晶材料的整體熱導率。
1.背景介紹
與傳統制造的單一材料結構相比，多金屬結構(MMS)可以提供更廣泛的特性，包括化學(腐蝕、氧化等)。)、熱物理(密度、導熱率等。)和機械(抗拉強度、延展性、硬度等)。增加這些特性的范圍可以促進更好的應用，包括在極端環境中的應用。已經進行了許多研究來證明結合不同材料用于特定應用的可行性。例如，鈦合金已經成功地與奧氏體不銹鋼結合，將鈦合金的高強度重量比和超耐熱性能與不銹鋼的良好可焊性和成本效益結合起來。這種組合已經用于航空航天和核應用。還研究了Inconel (IN718和IN625)與不銹鋼(316 L和304 L)的連接，以將Inconel的高強度、耐腐蝕性、抗蠕變性和疲勞強度與不銹鋼在核裂變和汽車工業中的成本效益結合起來。此外，已經進行了制造由鈦/鋁制成的雙金屬結構的研究，鈦/銦718 、銅/鋁、以及銅/銦718 。
增材制造(AM)已經證明了通過直接粘合不同的材料來制造多晶材料的能力，通過中間層或成分漸變層組合不同的材料。直接連接不同的材料會導致多種失效模式，包括開裂、脆性和高水平的殘余應力。這些通常會發生由于缺乏溶解性、原子結構不匹配或被連接材料的熱膨脹系數(cte)不匹配，在材料之間的尖銳界面處。因此，開發了在不同金屬之間插入中間層以產生功能梯度材料(FGM)的技術來緩解這些問題。定向能沉積(DED)的AM工藝特別適合構建多材料組件。DED過程可以是粉末供給過程，其導致在運行中改變進入的粉末流的化學成分的能力。這種能力允許DED直接產生連接的結構以提供獨特的功能。
H13工具鋼(H13)是熱加工和冷加工工具應用中最常用的材料之一，因為它具有高淬透性、突出的耐磨性以及優異的韌性和抗疲勞性。模具的常規制造包括從固體退火H13塊中機械加工這些部件，隨后熱處理這些部件以獲得所需的高硬度和強度。AM可以為具有非常復雜的幾何形狀和可比質量的自由成形模具提供快速的替代方法。模具/鑄模中需要冷卻通道，因此在使用過程中冷卻劑可以通過通道循環以冷卻模具/鑄模。組件的效率和充分冷卻至關重要，因為不充分的冷卻會導致長周期服役時間并引入熱致缺陷，如疲勞和翹曲。在傳統的制造模式中，冷卻通道是通過鉆孔形成的，因此是直的，導致不均勻的熱傳遞、不均勻的冷卻和熱致應力�；贏M的技術，例如DED和選擇性激光熔化(SLM )，已經被研究來改變范例，并且已經導致具有保形冷卻通道(CCC)的模具的制造，CCC是遵循模具形狀的通道，以保證快速和均勻的冷卻。例如，通過SLM創建多個冷卻通道布局，并研究制造的模具的表面粗糙度和冷卻均勻性。激光金屬沉積(LMD)被用來生產CCC，并與傳統的鉆孔直通道進行比較。有CCC的零件經歷了更均勻的溫度分布和整體更低的溫度。與僅具有線性冷卻通道的模具相比，通過AM和機械加工的混合制造的注射模具大大減少了循環時間并提高了產品質量。此外，與具有直通道的傳統模具相比，具有CCC的附加制造工具有助于減少零件變形，這是因為溫度變化減小了。
實現增強冷卻的另一種方法是將具有高導熱系數的材料與H13耦合。這種雙材料結構可以導致更快的熱傳遞，從而減少生產時間。眾所周知，銅及其合金具有異常高的熱導率，因此已經進行了一些研究來將銅和H13結合起來。銅和H13的直接連接會遇到問題，因為銅和鐵是不混溶的。例如，Imran等人報道了在鋇銅上沉積H13導致H13層中的銅顆粒和氣孔，這顯著降低了雙材料結構的機械性能。因此，可與Cu和Fe形成合金的中間材料可用作結合劑來結合Cu和H13。因為Ni可以與Cu形成固溶體，所以含有高含量Ni的材料通常被用作這種中間層。例如，41０C不銹鋼被用作H13沉積物和銅合金基材之間的緩沖層.然而，結構的拉伸測試顯示界面處的低結合強度。Onuike等人成功沉積了GRCop-84(銅基合金6.5wt。%鉻和5.8wt%。%Nb)／718。由于鎳基高溫合金通常包覆在H13上以提高高溫下的耐腐蝕性和強度，IN718可以提供將Cu與H13鍵合的解決方案。
本研究的目的是研究采用鎳基合金Deloro 22 (D22)作為中間層連接純銅的可行性和H13。為此目的，使用DED技術進行了兩種類型的實驗。首先，將純銅直接沉積在H13基板上，并進行檢查以揭示相關問題。之后，通過插入D22緩沖層來研究Cu-D22-H13 MMS的制造。對制備的MMS的微觀結構、力學性能和熱性能進行了評價。這項研究的結果提供了一個替代的解決方案，以解決與使用AM連接純Cu和H13相關的挑戰。
2.實驗程序
2.1.材料
本研究中使用的材料包括Royal Metal Powders Inc 提供的銅粉(純度99.9 %)和Kennametal提供的鎳基D22粉末。選擇純銅是因為在銅中添加其他元素會顯著降低其熱導率。使用掃描電子顯微鏡對Cu和D22粉末進行表征，每種材料的代表性圖像見圖1。使用ImageJ分析兩種粉末的粒度和分布。分析表明，銅和D22的平均粒徑分別為110微米和62微米。在退火條件下，基底是AISI H13。
2.2.多金屬結構的設計
直接在H13上沉積Cu是最費時和能量的有效方法。然而，根據銅-鐵相圖 (圖. 2a)中，將Cu和H13直接結合是具有挑戰性的，因為只有非常少量的Cu(小于2.5ｗｔ%)可以在形成之前與Fe形成合金，在室溫下還原α-Fe。直接連接Cu和H13將最有可能以富銅和富鐵材料的交替層結束，因為銅基本上不能溶解在鐵中。此外，根據Cu和H13的熱性質(表2)，H13位置-與銅(17×10ｅｘｐ（6）/°C)相比，具有低得多的CTE(10.4×10 ｅｘｐ（6）/°C)。這一事實將在雙材料界面處產生顯著的殘余應力，這將很可能導致開裂。
連接Cu和H13的另一種解決方案是使用直接層，其作為可溶于Fe和Cu的過渡材料。在當前的研究中，采用鎳作為直接材料。根據鐵鎳相圖 (圖2b)存在混合的fcc(面心立方)和bcc(體心立方)相。當鐵鎳合金中的鐵含量范圍為40wt%至95wt%。當鎳含量大于60wt%時，鐵鎳合金是由FeNi3相形成。在另一個極端，當Ni含量小于5wt %時，觀察到α-Fe。%。此外，鎳能與銅形成穩定的固溶體(圖2c)。此外，鎳的CTE為13.3×10ｅｘｐ（6）/°C，介于銅和H13之間。因此，在銅和鎳之間插入鎳由于CTE值的差異，H13可以減輕殘余應力的發展。此外，Ni具有高熱導率，因此不會阻礙Cu-Ni-H13 中的大部分熱傳遞�？紤]到上述事實，鎳是結合銅和H13的良好候選者。D22被選作中間層，因為它主要由Ni (> 95 wt。%)。硼和硅的存在有助于形成硬質硼化物和硅化物相，即使在高溫下也有利于其耐磨性。此外，D22易于加工主要用于修理模具，這與本研究的應用是一致的。
在本研究中，設計了三個薄壁MMS試件，如圖圖 3所示。首先執行Cu和H13 (Cu-H13 DJ)的直接連接，以強調之前在直接連接過程中發現的問題。之后，D22被引入作為緩沖層以制造Cu-D22-H13 MMS。D22首先沉積在H13襯底上。隨后，在D22的頂表面上沉積Cu以制造Cu-D22-H13 MMS(圖 3b)。此外，為了測試D22-H13的結合強度，還生產了直接接頭(D22-H13DJ(圖.3c)
當選擇用于模具的材料時，需要在高溫下具有一定的強度以保持部件的形狀，同時具有高導熱性以減少部件的凝固固化時間。這種需求導致了對Cu與H13工具鋼雙金屬結構的研究和應用。利用定向能量沉積實驗裝置，使用了兩種制造方法:在H13上直接沉積Cu和利用Deloro 22 (D22，> 95 wt .% Ni含量)。制造了三種結構:Cu-H13直接接頭(DJ)、Cu-D22-H13多金屬結構(MMS)和D22-H13 DJ。為了表征該結構，進行了以下操作:微觀結構表征、元素分布、拉伸測試、硬度和熱導率測量。將銅直接連接到H13上會導致界面開裂。通過引入D22緩沖層，在H13上成功沉積了無缺陷的銅。由于非常有限的層擴散，在D22-H13界面經歷了元素含量的急劇轉變。在D22-Cu界面上，檢測到Cu和Ni的逐漸過渡，表明連續的元素擴散。拉伸試驗表明，Cu-D22-H13 MMS試樣在Cu區斷裂，其形貌表明為韌性斷裂。D22-H13 DJ在D22區域失效，盡管延伸主要發生在H13區域。Cu-D22-H13 MMS和D22-H13 DJ的界面都經受住了拉伸測試，表明了強的結合強度。顯微硬度測量觀察到H13表面的硬度由于激光硬化而增加。材料硬度在Cu-H13 DJ中迅速下降，但在Cu-D22-H13 mm中逐漸下降，因為D22中的Ni擴散到多層Cu中。熱導率測試表明，與純H13相比，Cu-D22-H13多晶材料的總熱導率提高了約100 %。Cu的體積分數可以顯著影響Cu-D22-H13多晶材料的整體熱導率。
1.背景介紹
與傳統制造的單一材料結構相比，多金屬結構(MMS)可以提供更廣泛的特性，包括化學(腐蝕、氧化等)。)、熱物理(密度、導熱率等。)和機械(抗拉強度、延展性、硬度等)。增加這些特性的范圍可以促進更好的應用，包括在極端環境中的應用。已經進行了許多研究來證明結合不同材料用于特定應用的可行性。例如，鈦合金已經成功地與奧氏體不銹鋼結合，將鈦合金的高強度重量比和超耐熱性能與不銹鋼的良好可焊性和成本效益結合起來。這種組合已經用于航空航天和核應用。還研究了Inconel (IN718和IN625)與不銹鋼(316 L和304 L)的連接，以將Inconel的高強度、耐腐蝕性、抗蠕變性和疲勞強度與不銹鋼在核裂變和汽車工業中的成本效益結合起來。此外，已經進行了制造由鈦/鋁制成的雙金屬結構的研究，鈦/銦718 、銅/鋁、以及銅/銦718 。
增材制造(AM)已經證明了通過直接粘合不同的材料來制造多晶材料的能力，通過中間層或成分漸變層組合不同的材料。直接連接不同的材料會導致多種失效模式，包括開裂、脆性和高水平的殘余應力。這些通常會發生由于缺乏溶解性、原子結構不匹配或被連接材料的熱膨脹系數(cte)不匹配，在材料之間的尖銳界面處。因此，開發了在不同金屬之間插入中間層以產生功能梯度材料(FGM)的技術來緩解這些問題。定向能沉積(DED)的AM工藝特別適合構建多材料組件。DED過程可以是粉末供給過程，其導致在運行中改變進入的粉末流的化學成分的能力。這種能力允許DED直接產生連接的結構以提供獨特的功能。
H13工具鋼(H13)是熱加工和冷加工工具應用中最常用的材料之一，因為它具有高淬透性、突出的耐磨性以及優異的韌性和抗疲勞性。模具的常規制造包括從固體退火H13塊中機械加工這些部件，隨后熱處理這些部件以獲得所需的高硬度和強度。AM可以為具有非常復雜的幾何形狀和可比質量的自由成形模具提供快速的替代方法。模具/鑄模中需要冷卻通道，因此在使用過程中冷卻劑可以通過通道循環以冷卻模具/鑄模。組件的效率和充分冷卻至關重要，因為不充分的冷卻會導致長周期服役時間并引入熱致缺陷，如疲勞和翹曲。在傳統的制造模式中，冷卻通道是通過鉆孔形成的，因此是直的，導致不均勻的熱傳遞、不均勻的冷卻和熱致應力�；贏M的技術，例如DED和選擇性激光熔化(SLM )，已經被研究來改變范例，并且已經導致具有保形冷卻通道(CCC)的模具的制造，CCC是遵循模具形狀的通道，以保證快速和均勻的冷卻。例如，通過SLM創建多個冷卻通道布局，并研究制造的模具的表面粗糙度和冷卻均勻性。激光金屬沉積(LMD)被用來生產CCC，并與傳統的鉆孔直通道進行比較。有CCC的零件經歷了更均勻的溫度分布和整體更低的溫度。與僅具有線性冷卻通道的模具相比，通過AM和機械加工的混合制造的注射模具大大減少了循環時間并提高了產品質量。此外，與具有直通道的傳統模具相比，具有CCC的附加制造工具有助于減少零件變形，這是因為溫度變化減小了。
實現增強冷卻的另一種方法是將具有高導熱系數的材料與H13耦合。這種雙材料結構可以導致更快的熱傳遞，從而減少生產時間。眾所周知，銅及其合金具有異常高的熱導率，因此已經進行了一些研究來將銅和H13結合起來。銅和H13的直接連接會遇到問題，因為銅和鐵是不混溶的。例如，Imran等人報道了在鋇銅上沉積H13導致H13層中的銅顆粒和氣孔，這顯著降低了雙材料結構的機械性能。因此，可與Cu和Fe形成合金的中間材料可用作結合劑來結合Cu和H13。因為Ni可以與Cu形成固溶體，所以含有高含量Ni的材料通常被用作這種中間層。例如，41０C不銹鋼被用作H13沉積物和銅合金基材之間的緩沖層.然而，結構的拉伸測試顯示界面處的低結合強度。Onuike等人成功沉積了GRCop-84(銅基合金6.5wt。%鉻和5.8wt%。%Nb)／718。由于鎳基高溫合金通常包覆在H13上以提高高溫下的耐腐蝕性和強度，IN718可以提供將Cu與H13鍵合的解決方案。
本研究的目的是研究采用鎳基合金Deloro 22 (D22)作為中間層連接純銅的可行性和H13。為此目的，使用DED技術進行了兩種類型的實驗。首先，將純銅直接沉積在H13基板上，并進行檢查以揭示相關問題。之后，通過插入D22緩沖層來研究Cu-D22-H13 MMS的制造。對制備的MMS的微觀結構、力學性能和熱性能進行了評價。這項研究的結果提供了一個替代的解決方案，以解決與使用AM連接純Cu和H13相關的挑戰。
2.實驗程序
2.1.材料
本研究中使用的材料包括Royal Metal Powders Inc 提供的銅粉(純度99.9 %)和Kennametal提供的鎳基D22粉末。選擇純銅是因為在銅中添加其他元素會顯著降低其熱導率。使用掃描電子顯微鏡對Cu和D22粉末進行表征，每種材料的代表性圖像見圖1。使用ImageJ分析兩種粉末的粒度和分布。分析表明，銅和D22的平均粒徑分別為110微米和62微米。在退火條件下，基底是AISI H13。
2.2.多金屬結構的設計
直接在H13上沉積Cu是最費時和能量的有效方法。然而，根據銅-鐵相圖 (圖. 2a)中，將Cu和H13直接結合是具有挑戰性的，因為只有非常少量的Cu(小于2.5ｗｔ%)可以在形成之前與Fe形成合金，在室溫下還原α-Fe。直接連接Cu和H13將最有可能以富銅和富鐵材料的交替層結束，因為銅基本上不能溶解在鐵中。此外，根據Cu和H13的熱性質(表2)，H13位置-與銅(17×10ｅｘｐ（6）/°C)相比，具有低得多的CTE(10.4×10 ｅｘｐ（6）/°C)。這一事實將在雙材料界面處產生顯著的殘余應力，這將很可能導致開裂。
連接Cu和H13的另一種解決方案是使用直接層，其作為可溶于Fe和Cu的過渡材料。在當前的研究中，采用鎳作為直接材料。根據鐵鎳相圖 (圖2b)存在混合的fcc(面心立方)和bcc(體心立方)相。當鐵鎳合金中的鐵含量范圍為40wt%至95wt%。當鎳含量大于60wt%時，鐵鎳合金是由FeNi3相形成。在另一個極端，當Ni含量小于5wt %時，觀察到α-Fe。%。此外，鎳能與銅形成穩定的固溶體(圖2c)。此外，鎳的CTE為13.3×10ｅｘｐ（6）/°C，介于銅和H13之間。因此，在銅和鎳之間插入鎳由于CTE值的差異，H13可以減輕殘余應力的發展。此外，Ni具有高熱導率，因此不會阻礙Cu-Ni-H13 中的大部分熱傳遞�？紤]到上述事實，鎳是結合銅和H13的良好候選者。D22被選作中間層，因為它主要由Ni (> 95 wt。%)。硼和硅的存在有助于形成硬質硼化物和硅化物相，即使在高溫下也有利于其耐磨性。此外，D22易于加工主要用于修理模具，這與本研究的應用是一致的。
在本研究中，設計了三個薄壁MMS試件，如圖圖 3所示。首先執行Cu和H13 (Cu-H13 DJ)的直接連接，以強調之前在直接連接過程中發現的問題。之后，D22被引入作為緩沖層以制造Cu-D22-H13 MMS。D22首先沉積在H13襯底上。隨后，在D22的頂表面上沉積Cu以制造Cu-D22-H13 MMS(圖 3b)。此外，為了測試D22-H13的結合強度，還生產了直接接頭(D22-H13DJ(圖.3c)
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