17-4PH高強鋼增材制造組織與性能研究
17-4PH高強鋼為超低碳鋼，依靠析出第二相使材料產生強化作用，作為一種具有高強度和強耐腐蝕性的不銹鋼材料，在醫療器械、化工、汽車制造、軍工、航空航天及核工業等方面有著廣泛的應用，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生的高硬度使得該材料變得很難加工，傳統的高溫加工工藝已經不能滿足零件的加工，如鑄造工藝缺陷問題，給后續變形加工和熱處理造成的難度較大，以及焊接的復雜零件易產生應力集中，因此用選區激光熔化（SLM）成形技術步解決了成形問題。
SLM成形技術利用金屬粉末在激光束的熱作用下快速熔化冷卻，克服了傳統技術制造具有復雜形狀金屬零件的難題，但SLM成形熱循環過程導致殘余應力、形成裂紋、成形過程中發生飛濺，以及氣孔的形成對力學性能或成形零件的表面粗糙度產生不利影響，以及在制造過程中存在各向異性、孔隙、殘余應力和分層等問題。近年來，通過對SLM成形參數（激光功率、掃描速度、掃描間距、層厚、構建方向、保護氣氛等）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。
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研究團隊采用選區激光熔化（SLM）增材制造技術制備了17-4PH高強鋼，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，對試樣組織進行表征同時對拉伸性能和斷裂機制進行研究。
結果表明，在激光功率為165W時，激光能量密度低粉末吸收能量較少，導致粉末存在未熔化區域；隨著激光功率增加到205W時，粉末吸收能量增多，導致出現球化現象，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工藝參數下，氣孔分布少，硬度（HV）達到370。
17-4PH高強鋼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度和良好的韌性。
試驗方法
使用的17-4PH高強鋼粉體的主要化學成分（質量分數）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%，Fe余量。對17-4PH不銹鋼粉末進行篩選，過濾出粉末中的雜質，將過濾后的粉末放入烘干箱進行干燥處理，經過干燥后的金屬粉末中無水分。
使用選區激光熔化成形設備，其搭載200 W/500 W水冷光纖激光器，激光波長為106~1090 nm，成形室內用氬氣保護。對影響成形的工藝參數進行優化設計，影響選區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進行研究，具體見表1。
拉伸試樣見圖1。
圖1 拉伸試樣
試驗結果
l 17-4PH高強鋼SLM成形工藝參數優化
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，當激光功率繼續增大，激光束能量吸收過多導致粉末過熔，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。可以看出，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，導致硬度降低；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，導致硬度降低。在功率為185W和掃描間距為110 μm下氣孔數量減少，孔隙率降低，密度增加，基體硬度變大，硬度升高，而且因基體內部沉淀出ε-Cu以及一些碳化物沉淀相，可進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。
(責任編輯：admin)
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