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頂刊《AM》：增材制造Cu-H13工具鋼（一）(2)

時間：2022-06-16 15:50 來源：江蘇激光聯(lián)盟作者：admin 閱讀：次

2.3.激光輔助定向能量沉積
圖4顯示了定制DED系統(tǒng)的原理圖和設置，以生產本研究中的樣品。該系統(tǒng)由激光器、氣體供給組件、粉末供給器、運動控制系統(tǒng)和外殼組成。激光系統(tǒng)是IPG YLR-1000-WC摻鐿連續(xù)波(CW)光纖激光器，其峰值功率為1 kW，波長為1064 nm，光束直徑為3 mm。使用粉末進料系統(tǒng)(Powder Motion Labs)將粉末離軸輸送到熔池中，該粉末進料系統(tǒng)具有陶瓷噴嘴(圖 4b)。粉末進料噴嘴的內徑為1.5毫米，在基底上方的間隔距離為15毫米。氬氣用作粉末運載介質，將顆粒從粉末容器輸送到熔池。計算機數字控制(CNC)平臺被設計成在激光器部件靜止的同時根據刀具路徑在XYZ空間中移動襯底。刀具路徑是單軌多層，Cu和D22沿其從左至右沉積，隨后從右至左沉積。材料沉積是在氬氣環(huán)境中進行以防止沉積物氧化。制造的Cu-D22-H13 mm和D22-H13 DJ如圖 5所示，分別是a和b。

圖1.(a) Cu和(c) D22粉末的SEM圖像；(b) Cu和(d) D22的粒度分布

圖2.(a)鐵-銅，(b)鐵-鎳，和(c)銅-鎳的二元合金相圖

圖3.(a) Cu-H13 DJ，(b) Cu-D22-H13 MMS和(c) D22-H13 DJ的示意圖

圖4　(ａ）DED過程的示意圖和(b)實驗裝置。

圖5.DED制造(a) Cu-D22-H13 MMS和(b) D22-H13 DJ

圖6.(a)Cu-D22-H13 MMS上的分段拉伸試樣；(b)D22-H13 DJ上的分段拉伸試樣；(c)拉伸樣品的尺寸。

圖7.(a)Cu-H13 DJ的縱剖面概述圖；顯示(b)1區(qū)、(c)2區(qū)和(d)3區(qū)結構的顯微圖像。

3.1.微觀結構表征

3.1.1.Cu-H13 DJ的顯微組織
圖 7a顯示了制造的Cu-H13 DJ的縱剖面圖。在包括Cu-H13界面區(qū)域(圖 7b)、中間層(圖 7c)和頂層(圖 7d)沉積態(tài)銅。

圖 7b在靠近雙材料界面的Cu中呈現柱狀晶粒，向上層生長。這種柱狀晶粒的形成是DED工藝中快速定向凝固的結果。在沉積過程中，激光掃描基底的頂面以產生熔池。當填充材料被輸送到熔池中時，它迅速凝固。當在室溫下的襯底上沉積材料時，初始的冷卻速率。例如，陳等人報道了在襯底上沉積第一層IN718的冷卻速率為1400 K/s。Hejripour等人報告冷卻速率為800 K/s將雙相不銹鋼放置在基底上。高冷卻速率導致形成與熱量相反生長的柱狀晶粒流向。這種現象通常在許多材料的AM中觀察到，例如鎳基和鈷基合金。區(qū)域1中銅的平均晶粒尺寸為寬度為200微米，最大為長度為1000微米。在打印后續(xù)層時，激光-由于銅的高導熱率，產生的熱量被快速轉移到先前沉積的下層。此外，由于H13具有比Cu低得多的導熱率，所以熱量不會迅速消散。因此，二次加熱容易提高Cu再結晶點以上的溫度，引起晶粒長大。

圖 7c顯示了區(qū)域2中的微觀結構。該區(qū)域呈現柱狀枝晶。Reichardt等人聲稱柱狀枝晶是由先前固化層的激光重熔引起的，其中已經沉積的材料充當后續(xù)層固化的成核位置。銅的頂層(圖 7d)也主要表現為柱狀枝晶。結果還表明，盡管銅吸收2-3%的紅外激光能量(1.06微米波長度)，本研究中選擇的DED工藝參數可以成功沉積銅。

圖8　(a-b)Cu-H13 DJ在雙材料界面區(qū)的SEM圖像；(c)區(qū)域A1和(d)區(qū)域A2中材料的EDS定量分析

圖 8a展示了界面區(qū)域未蝕刻的Cu-H13 DJ的顯微照片。觀察到Cu能夠粘附到H13基底上，但是出現了微裂紋。這些裂紋位于界面處，并擴展到H13部分。進一步的分析證實了類似的裂紋分布在整個粘接線上。這些裂紋起始于雙材料界面，并擴展到基體中垂直于界面的區(qū)域。對這些裂縫的測量表明，它們的長度從40微米到70微米不等。這種裂紋是由于凝固裂紋和高殘余應力的綜合作用形成的，高殘余應力是由于銅(17×10ｅｘｐ（6）/°C)和H13(10.4×10ｅｘｐ（6）/°C)。將Cu直接沉積到H13上可以由于凝固開裂而失效。凝固開裂是與凝固范圍和終點液體的體積有關，兩者都受標稱成分和固化條件的控制。鐵-銅相圖(圖2a)在較寬的溫度范圍內顯示出較大的固化溫度范圍(450°C)銅在鐵中的濃度和有限固溶度。因此，Cu-H13 DJ具有較高的凝固開裂敏感性。據報道，對于Cu-AISI 1013鋼系統(tǒng)，當Cu濃度在5wt %范圍內時，從沉積物中發(fā)現凝固裂紋。殘余應力還會導致Cu-H13界面開裂。在激光加熱和隨后的冷卻循環(huán)中，Cu和H13的溫度經歷周期性變化。在加熱階段，Cu的表面溫度遠高于下襯底的表面溫度。同樣，在冷卻階段，銅的冷卻速度更快。在加熱階段，由于銅的溫度較高，銅的膨脹受到較冷襯底的限制，導致襯底承受拉伸應力，銅產生壓縮應力。相反，在隨后的凝固冷卻過程中，Cu的冷卻速度要快得多。因此，Cu經歷收縮，并且其收縮受到基板的限制，導致基板中的壓縮應力和Cu中的拉伸應力。因此，基底和銅經歷了循環(huán)拉伸和壓縮應力。當應力超過任一材料的屈服強度時，塑性變形開始發(fā)生，材料開始開裂。這項研究表明H13對熱應力誘發(fā)的裂紋更敏感，因為裂紋主要分布在基底區(qū)域。在Cu-H13圓柱形芯的熱疲勞試驗中也觀察到了這種類型的裂紋，其中裂紋是在當H13涂覆在銅基底上時沉積H13。
在銅層中觀察到富鐵顆粒，在H13截面中觀察到富銅顆粒，如圖8b–9d 中所示的定量分析證明了銅向H13部分和H13向銅層的擴散。圖 8中還報告了銅擴散到鋼基體中的情況。出現這些問題是因為只有非常少量的Cu可以與H13形成合金(圖 2a)。在打印第一層Cu時，一定量的H13被激光熔化以形成熔池。同時，注入的銅被輸送到熔池中并與現有材料混合。在凝固過程中，由于銅幾乎不能與H13混合，銅從銅-H13溶液中分離出來，產生富銅和富H13材料。在文獻中也觀察到了銅鍍層中的富鐵顆�，F象。例如，在靠近Cu-H13界面的Cu層中發(fā)現了H13顆粒。在靠近銅合金鍍層的界面上觀察到SS316 L小球。

未完待續(xù)！

文章來源：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
參考資料：Laser aided additive manufacturing of spatially heterostructured steels，International Journal of Machine Tools and Manufacture，Volume 172, January 2022, 103817，https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2021.103817

(責任編輯：admin)

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