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高氮不銹鋼選區(qū)激光熔化(SLM)成型性能研究

高氮不銹鋼選區(qū)激光熔化(SLM)成型性能研究



高氮不銹鋼介紹



高氮奧氏體不銹鋼(簡(jiǎn)稱高氮鋼)是用廉價(jià)的氮元素取代昂貴的鎳的低成本高強(qiáng)韌不銹鋼。添加氮作為間隙原子能顯著提高鋼的強(qiáng)度、韌性、疲勞壽命和耐腐蝕性能,高氮鋼(HNS)在醫(yī)療、石油化工、航天航空等領(lǐng)域中有良好的應(yīng)用前景。研究發(fā)現(xiàn),在材料中添加過(guò)飽和的氮可以顯著地提升材料的強(qiáng)度,Speidel推出了材料的屈服強(qiáng)度(σb)及抗拉強(qiáng)度(σ0.2)與氮含量的關(guān)系式,分別為σb = 500 + 500√N(yùn)和σ0.2 =150 + 500√N(yùn) ,其中N為氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,向無(wú)氮奧氏體不銹鋼中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 2% 的氮可以將材料的屈服強(qiáng)度從 240 MPa 提升至 900 MPa,將 最 大 抗 拉 強(qiáng) 度 從 500 MPa 提 升 至1050 MPa。因此,將不銹鋼中的氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升至1. 0% 以上可以極大地提高材料的力學(xué)性能。


高氮不銹鋼具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的耐腐蝕性能,并能改善不銹鋼的相容性,被廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)學(xué)、海洋工程及石油化工等領(lǐng)域。選區(qū)激光熔化技術(shù)( SLM )作為增材制造技術(shù)的一個(gè)重要分支,最大特點(diǎn)是金屬粉末直接熔化凝固形成冶金結(jié)合,克服了 SLS 工藝中二次燒結(jié)造成的金屬部件致密度低、力學(xué)性能較差等缺點(diǎn)。使用選區(qū)激光熔化技術(shù)生產(chǎn)金屬制品是近年來(lái)制造業(yè)的熱點(diǎn)。


1.    實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

高氮不銹鋼化學(xué)成分

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粒徑范圍:15-53um,松裝密度:4.2g/cm3,振實(shí)密度:4.9g/cm3。

成型設(shè)備:EOSM290 激光選區(qū)熔化設(shè)備

成型參數(shù):

掃描間距:0.11mm,鋪粉層厚:0.02mm

試樣編號(hào)表

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選區(qū)激光熔化成形試樣


高氮不銹鋼成形質(zhì)量結(jié)果分析


1 工藝參數(shù)對(duì)致密度的影響

不同工藝參數(shù)下成形的試樣致密度如下圖所示。當(dāng)固定掃描速度為200mm/s 時(shí),在低激光功率100W 下成形的高氮不銹鋼試樣的相對(duì)致密度最高,為97.94% ,試樣相對(duì)致密度隨著激光功率的增加明顯下降,當(dāng)激光功率為 300W 時(shí),試樣的相對(duì)致密度降低至 95.92% 。當(dāng)固定掃描速度為 500mm/s時(shí),在激光功率 100W 下成形的試樣相對(duì)致密度為97.01% ,試樣的相對(duì)致密度隨激光功率的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)固定掃描速度為 1000mm/s時(shí),低激光功率 100W 下成形試樣的相對(duì)致密度僅為 92.43% ,試樣的相對(duì)致密度隨著激光功率的增加而增加,在激光功率 300W 時(shí)達(dá)到峰值,為 98.85%。

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不同工藝參數(shù)下成形的試樣致密度


在低激光功率、高掃描速度成形(100W、1000mm/s)時(shí),粉體吸收能量不足以使粉體充分熔化,高氮不銹鋼試樣內(nèi)部存在較多未熔粉體顆粒, 影響后續(xù)鋪粉平整度,導(dǎo)致單道與單道、層與層之間冶金結(jié)合較差,最終導(dǎo)致試樣相對(duì)致密度較差;而以高激光功率、高掃描速度成形 (300W 、 1000mm/s) 時(shí),粉體從未充分熔化到充分溶化,未熔粉體顆粒逐漸減少,試樣內(nèi)部冶金結(jié)合程度提高, 從而使試樣相對(duì)致密度增強(qiáng)。在低激光功率、低掃描速度( 100W 、 200mm/s )成形時(shí),粉體所吸收的能量仍可以使粉體充分熔化,減少了粉體未熔現(xiàn)象,保證較高的相對(duì)致密度;在高激光功率、低掃描速度成形 (300W 、 100mm/s) 時(shí),單位時(shí)間內(nèi)粉體吸收能量較多, 導(dǎo)致粉體出現(xiàn)過(guò)熔現(xiàn)象,高氮不銹鋼試樣內(nèi)部出現(xiàn)球化和氣孔等缺陷,惡化內(nèi)部冶金結(jié)合度,使相對(duì)致密度較低。


2 激光能量密度對(duì)顯微硬度的影響

激光能量密度對(duì)試樣顯微硬度的影響下圖所示。不同激光能量密度常規(guī) SLM 成形試樣顯微硬度在 295~409 HV0.3 范圍內(nèi), 在激光能量密度為136.36J/mm 3 時(shí)達(dá)到最大值,為 409HV0.3 ;激光能量密度為 443.18J/mm 3 時(shí)試樣的顯微硬度最小,為295 HV0.3 。當(dāng)激光能量密度輸入增加至 177.27J/mm 3 后,試樣顯微硬度降低了 20HV0.3 ,進(jìn)一步增加激光能量密度至 443.18J/mm 3 后, 顯微硬度下降趨勢(shì)較明顯,下降了 114 HV0.3 。

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激光能量密度對(duì)試樣顯微硬度的影響

由圖可知,在能量密度 136.36~443.18J/mm 3范圍內(nèi), 高氮不銹鋼試樣的顯微硬度隨著激光能量密度的增加而減小。其原因是試樣的顯微硬度與試樣致密度密切相關(guān), 高激光能量密度更容易形成超高溫熔池,形成金屬蒸汽較多,導(dǎo)致一些元素消減;加之高激光能量密度下成形的試樣內(nèi)部缺陷較多,過(guò)多的氣孔及“球化”顆粒使得試樣內(nèi)部組織質(zhì)量變差,影響試樣的顯微硬度。


3 工藝參數(shù)對(duì)成形試樣內(nèi)部缺陷的影響

為更好地研究激光工藝參數(shù)對(duì)試樣內(nèi)部成形質(zhì)量的影響,以內(nèi)部缺陷尺寸定義缺陷類型,大于 15μm 的孔洞為裂紋,8~15μm 的孔洞為微裂紋, 5~8μm 的孔洞為氣孔, 1~5μm 的孔洞為微氣孔,小于1μm 的孔洞為超微氣孔。并通過(guò)網(wǎng)格計(jì)算得出不同參數(shù)下的缺陷數(shù)量。


如下圖所示,研究了不同激光功率對(duì)高氮不銹鋼試樣內(nèi)部微觀質(zhì)量的影響,固定掃描速度 1000mm/s 。在疊加層截面及掃描層截面,當(dāng)激光功率為100W 時(shí),試樣內(nèi)部存在大量未熔粉體、微氣孔及超微氣孔。隨著激光功率提高至 150W 時(shí),未熔粉體現(xiàn)象及超微氣孔數(shù)量逐漸減少,微氣孔數(shù)量增加,但出現(xiàn)了輕微裂紋。當(dāng)激光功率為 200W 時(shí),內(nèi)部不再有未熔粉體顆粒,超微氣孔數(shù)量消失,出現(xiàn)較大尺寸的氣孔。激光功率為 300W 時(shí),僅有少量微氣孔,無(wú)其他明顯缺陷。

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不同激光功率下試樣的微觀形貌


在此觀察范圍內(nèi), 試樣內(nèi)部缺陷現(xiàn)象隨著激光功率的增加而改善。低激光功率掃描成形時(shí),缺陷種類及數(shù)量都比較多,粉體因粒徑不同,在鋪粉、刮粉過(guò)程中存在不可避免的填充不完全現(xiàn)象, 加之高氮不銹鋼粉體掃描成形時(shí)存在氮逸出行為, 易形成微氣孔及超微氣孔等氣孔缺陷;較低的激光能量輸入導(dǎo)致粉體吸收的能量不足以充分熔化, 致使未熔顆粒較多, 未熔粉體顆粒與已熔化的熔池不能實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合,使得內(nèi)部缺陷更加明顯。增加激光能量輸入,粉體吸收能量增多后充分熔化,消除未熔顆粒現(xiàn)象,但大尺寸氣孔數(shù)量增多。高激光能量輸入導(dǎo)致氮的逸出,在快速熔凝成形過(guò)程中,易形成微氣孔缺陷。

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不同激光功率下試樣內(nèi)部的缺陷數(shù)量統(tǒng)計(jì)

結(jié)論?


(1)高氮不銹鋼試樣的相對(duì)致密度隨激光能量密度的增加先增加后降低, 體能量密度為 45.45J/mm 3 時(shí),試樣相對(duì)致密度最差,為 92.43% ;體能量密度為 136.36J/mm 3 時(shí), 試樣相對(duì)致密度最佳,為98.85% 。

(2)在能量密度 136.36~443.18J/mm 3 范圍內(nèi),高氮不銹鋼試樣的顯微硬度隨著激光能量的增加而減小,當(dāng)體能量密度為 136.36J/mm 3 時(shí),試樣顯微硬度最大,為   409HV0.3   。

(3)在一定激光功率條件下, 高氮不銹鋼試樣內(nèi)部缺陷數(shù)量及種類大體隨著掃描速度的降低呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì);在一定掃描速度條件下,內(nèi)部缺陷數(shù)量與激光功率成反比,隨著激光功率的增加,內(nèi)部缺陷明顯改善。





文獻(xiàn)來(lái)源:《能量密度對(duì)高氮不銹鋼選區(qū)激光熔化成形質(zhì)量的影響》,崔小杰,華北理工大學(xué)

產(chǎn)品推介

球形高氮無(wú)鎳不銹鋼粉末

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