高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼優(yōu)異的力學(xué)性能在關(guān)鍵部件制造方面引起了一定關(guān)注。這些零件在使用過程中會(huì)產(chǎn)生集中的應(yīng)力和應(yīng)變,不可避免地會(huì)造成各種損傷,設(shè)備停機(jī)所造成的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于再制造同一件零件的成本。因此,發(fā)展快速修復(fù)技術(shù)具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。隨著增材制造(AM)技術(shù)的發(fā)展,基于激光熔覆和快速成型技術(shù)的快速修復(fù)技術(shù)逐漸發(fā)展起來,如激光立體成型(LSF)和直接能量沉積(DED)技術(shù)。激光立體成型(LSF)技術(shù)可以快速制造和修復(fù)性能優(yōu)越的高強(qiáng)度鋼零件,但加工過程中的熱輸入難以量化,對(duì)零件的組織和力學(xué)性能有很大影響。精確控制熱輸入,探索熱輸入與組織和力學(xué)性能的關(guān)系,是提高低合金鋼零件成型效率和質(zhì)量的有效途徑。為了實(shí)現(xiàn)零件的完美修復(fù)和再制造,準(zhǔn)確地了解熱輸入與修復(fù)區(qū)和熱影響區(qū)組織和力學(xué)性能之間的關(guān)系非常重要。
南昌航空大學(xué)的研究人員采用LSF技術(shù)制造了34CrNiMo6高強(qiáng)鋼,用無量綱數(shù)反求出了LSF過程中所用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。觀察了LSF零件的微觀組織差異;研究了熱處理前后硬度、強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等性能的變化;闡明了熱輸入對(duì)高強(qiáng)鋼LSF的綜合影響。相關(guān)論文以題為“Effect of dimensionless heat input during laser solid forming of high-strength steel”發(fā)表在Journal of Materials Science& Technology。
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https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.038
本研究采用了粉末尺寸小于150μm的球形34CrNiMo6合金粉末。將粉末在真空干燥爐中烘干150℃×2h,使用變形后的34CrNiMo6合金板,尺寸為100mm、60mm、6mm,LSF前用碳化硅紙打磨表面,用丙酮清洗。
為消除實(shí)驗(yàn)中其他變量的干擾,引入無量綱熱輸入Q*。預(yù)先設(shè)計(jì)Q*值,用于計(jì)算進(jìn)行LSF實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。無量綱熱輸入(Q*)作為唯一變量,和系統(tǒng)的復(fù)雜的變量被集成到一個(gè)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo),它提供了一種測(cè)量單位面積上的能量沉積的方法。
式中P、r分別為激光功率和光束直徑。P0和r0分別為參考激光功率和光束直徑。在本文中,為了便于比較,將A組的SE設(shè)置為SE0。設(shè)計(jì)Q*A:Q*B:Q*C=1:2:3,實(shí)際Q*A:Q*B:Q*C=1:1.9:2.9。
研究發(fā)現(xiàn)熱輸入直接影響LSF高強(qiáng)度鋼頂部的組織。當(dāng)Q*=1時(shí),高冷卻速率導(dǎo)致板條馬氏體的形成。增加熱輸入會(huì)減緩凝固速率并降低頂部的溫度梯度,導(dǎo)致不同Q*值下形成不同的微觀組織。熱輸入間接影響了底部的微觀結(jié)構(gòu),雖然所有樣品均為回火馬氏體,但當(dāng)Q*=1時(shí),晶粒細(xì)小均勻;在Q*=1.9時(shí),鐵素體變粗;在Q*=2.9時(shí),出現(xiàn)了許多棒狀碳化物。熱輸入改變了原始組織,經(jīng)過不同的熱循環(huán)后,碳化物的形貌有明顯的差異,隨著Q*的增加碳化物變得更粗。
圖1 不同熱輸入條件下LSF鋼塊的宏觀組織
(a) Q*=1;(b) Q*=1.9;(c) Q*=2.9;(d)單道沉積的尺寸
圖2 34CrNiMo6鋼A組(Q*=1)截面圖像
(a)頂部;(b)中;(c)下;1為OM;2為SEM
圖3 34CrNiMo6鋼B組(Q*=1.9)截面圖像
(a)頂部;(b)中;(c)下;1為OM;2為SEM
圖4 34CrNiMo6鋼C組(Q*=2.9)截面圖像
(a)頂部;(b)中;(c)下;1為OM;2為SEM
圖5 不同熱輸入條件下LSF樣品的頂部和底部示意圖
(a)熔池和熱影響區(qū);(b)熱循環(huán)曲線
熱輸入對(duì)機(jī)械性能也有一定影響。顯微硬度呈先降低后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。穩(wěn)定區(qū)硬度隨Q*值的增加而降低,最低硬度約為190 HV(Q*=2.9)。同樣,隨著Q*值的增加,LSF試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度大幅降低,最小值分別為735和604MPa(Q*=2.9)。熱輸入對(duì)熱處理有顯著影響。Q*=1樣品經(jīng)過調(diào)質(zhì)(QT)后的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度略有提高(約9%),而Q*=2.9樣品的拉伸強(qiáng)度提高約29%,屈服強(qiáng)度提高約44%。本文為L(zhǎng)SF技術(shù)在關(guān)鍵設(shè)備高強(qiáng)度鋼零件制造和維修中的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。
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