选择性激光熔覆技术制备AISI420不锈钢及表征外文翻译资料

 2022-07-28 14:37:18

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选择性激光熔覆技术制备AISI420不锈钢及表征

XIAO ZHAO, QINGSONG WEI, Bo SONG, YING LIU, XIWANG Luo, SHIFENG WEN, AND YUSHENG SHI

State Key Laboratory of Materials Processing and Die amp; Mould Technology, School of Materials Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, PR China

选择性激光熔覆（SLM）技术为制造具有复杂几何形状的金属工具提供了巨大的可能性，但是对于一些材料存在限制。这项工作的重点是实现了利用SLM技术制造出用于注塑模具的AISI420不锈钢材料。首先分析出粉末的熔体特性，之后使用扫描电子显微镜、X射线衍射和洛氏硬度试验分别表征了材料的微观结构、相组成和硬度。实验结果表明，沿着最大热流的方向可以观察到纤维状微观结构，相分布会随着SLM处理参数的变化而发生改变，这会直接影响到部件的硬度。本实验制备出的材料其相对密度超过99％，最高硬度达到50.7HRC，可以满足塑料在成型应用中的要求。

关键词：硬度；激光；熔化；微结构；优化；相；SLM；钢

Selective laser melting (SLM) offers great possibilities to fabricate metal tools with a complex geometry, but there are limitations regarding some materials. This work focuses on the fabrication of AISI 420 stainless steel using SLM for the application of plastic injection mold. The melt characteristic of the powders was firstly concluded, and then the microstructure, phase composition, and hardness were characterized using scanning electron microscopy, X-ray diffraction, and Rockwell hardness test, respectively. The results showed that cellular microstructure was observed along the direction of the maximum heat flow The proportion of the phases varies with the change of SLM processing parameters, which directly affects on the hardness of the parts. The relative density over 99% was obtained and the highest hardness presents 50.7 HRC, which meets the requirement of plastic in ection molding application.

Keywords： Hardness; Laser; Melting; Microstructure; Optimization; Phase; SLM; Steel.

介绍

注塑模具广泛应用于大批量生产的塑料部件中 [1]。在注塑过程中，冷却液在复杂的冷却通道中吸收来自模具的热量，从而提高部件的质量和生产率 [2]。为了防止注塑模具在长期使用的过程中发生腐蚀，我们通常选择不锈钢作为原材料 [3]。AISI 420不锈钢，由于其对水蒸气、碳酸盐及他盐类有良好的耐腐蚀性，因此常被用于制造高质量的注塑模具。AISI 420不锈钢零件一般通过切割、放电加工等方式进行加工制造。然而在加工具有复杂冷却通道的注塑模具等工业应用时在加工方式和成本方面会受到限制。因此，探索新的加工方法来制造AISI 420材料注射模具很有必要。

选择性激光熔覆技术（SLM）作为最有前途的叠层制造（AM）技术之一，由于其具有超强的快速生产形状复杂的三维（3D）部件的能力而被广泛用于处理不同的金属或合金材料[4]。SLM技术通过使用激光束以逐层加工的方式在材料表面进行扫描并有选择性地熔化和固结薄层粉末来生产部件[5]。由于SLM技术具有特殊的加工能力的优势，已经有大量的实验对此进行了探索，为了使这项技术能够更好的用来生产具有复杂结构的模具。目前已经有用于模具制造的镍基合金[6,7]和铜合金[8]的一些探索性研究的相关报道。结果表明，使用SLM技术制造注射模具可以缩短循环时间，而且所制造出来的部件没有翘曲。报告中的工作集中于对SLM工艺参数和加工可行性进行优化处理[10-13]，但对于微观结构、相和机械性能的演变与SLM参数的变化方面的研究很少有所涉及，此外，镍基合金价格昂贵，铜合金由于其对激光辐射的吸收率低而且导热性高而难以加工。考虑到AISI 420马氏体不锈钢的成本较低并且对激光辐射的吸收率很高，使用SLM技术制造AISI 420马氏体不锈钢注射模具将在未来很有前景。在本研究中，首先提出了致密化机理，并探索了微观结构、相和机械性能随SLM参数的演变规律。

材料及方法

原料材料为市场上所购得的通用球形气雾化AISI 420钢粉 (长沙骅骝冶金粉有限公司,中国)。如图1(a)中所示为AISI 420材料粉末的形貌检测结果。粉末的粒度分布的平均值为20mu;m,如图1(b)所示。由于气体雾化样品在空气中的快速冷却（图1(c)），在表面上可观察到长度小于1mu;m的裂纹。大尺寸颗粒（约30mu;m）显示出杂化细胞和枝晶的微观结构（图1(d)），没有观察到二次枝晶。能量色散光谱仪(EDS)点分析证实了在粉末的表面和主体上的组成。标称组成和EDS结果示于表1中。通过EDS测量的主要合金元素的比例与除铬之外与标称组成的比例皆一致。表面上的铬、锰、钒的含量（13.9％重量）较内部低，表面上的硅和碳的含量高于内部。

Figure -AISI 420 powder (a) particles morphology; (b) size distribution;

(c) surface morphology of one particle; (d) microstructure of the powder.

图1-AISI 420粉末(a)颗粒形态; (b)粒度分布; (c)一个颗粒的表面形态;(d)粉末的微观结构。

Table -Nominal and EDS quantified compositions of gas atomized powder

表1-气雾化粉末的标称和EDS定量组成

实验设备：用于本实验的研究工作的仪器为一台由华中科技大学自主研发的HRPM-II-type SLM,该仪器带有一个连续光纤激光器(最大输出为200 W,lambda;= 1.064mm,光束光斑大小约0.08mm),。粉末由一个辊进行分层。由一套自主研发的软件来控制模型切割,该软件可以自动生成扫描路径的运动并控制扫描仪、滚轴、工作室的活动，工作室是一个充满氩气可以防止粉末氧化封闭的实验环境。

对单道参数进行优化处理，参数设置如下：将激光功率分别记为100W、110W、120W、130W、140W；扫描速度分别设置为400 mm / s、500 mm / s、600 mm / s、700 mm / s、800 mm / s；扫描空间（相邻轨道之间的偏移）根据轨道宽度设置固定值为0.08mm；每个粉末层的厚度为0.02mm。按照优化的处理参数制备四个样品（phi;10mmtimes;40mm），用来研究微结构和机械性能。

通过阿基米德方法使用AL 204电子天平（梅特勒-托利多）测试得到样品的密度；使用Caikon 4XCE光学显微镜(SHKON,中国)对熔融形态和宽度进行观察测试；使用JSM-7600F场发射扫描电子显微镜(JEOL、日本)对粉末样品的粒子形态、化学组成和微观结构进行了观察测定；使用XRD-7000S进行了X射线衍射(XRD)测定,参数设定为钴阳极的角范围为(2theta;) 20°~90°；样本制备使用标准技术，反应试剂为FeCl 3(5 g)/ HCl(15mL)/H20 (60mL)；使用扫描电子显微镜对蚀刻样品的微观结构进行观察并得到俯视图和剖视图；使用洛氏硬度试验机600MRD Rockwell Hardness Tester进行洛氏硬度测量实验。

结果与讨论

在SLM工艺中，三维部件由一系列二维表面构成，并且每个表面都是根据单道加工制造的，因此，由SLM制造的部件的致密度很大程度上取决于单轨的特性，笔直而连续的单轨是决定相邻轨道和层与层之间的良好结合的基础，从而可以实现致密度的提高，同时，部件的致密化水平很大程度上也取决于熔化系统的操作温度，熔化系统的操作温度主要由两个主要参数（激光功率和扫描速度）控制。因此，在本论文的实验中首先对25组单道的熔化进行实验研究，为了阐明AISI 420粉末的熔化机理为了之后可以制造出完美的部件。然后基于一系列单轨来绘制程序图纸，并在图2中用不同的符号来标出。在激光功率和扫描速度的整个范围内，可以总结对应于三种不同熔化机制的三个处理窗口：

（I）如区域1所示有着球状颗粒的不连续轨道，在该处理窗口中，由于扫描速度很高、激光功率很低而使冷却速率很高，从而引起了熔化过程中水分子力作用和毛细作用 [14]。

（11）如区域2所示的连续轨道，合适的处理窗口导致了一个稳定的熔池和一个相对平衡的固化过程，这个加工窗口的优化参数可以用作制造最终部件。

（III）如区域3所示连续的轨道带有裂纹。随着激光功率的增加和扫描速度的降低，能量输入增加，这不仅能完全熔化粉末，而且会引起较高的残余应力并会产生裂纹。因此，对于SLM过程，适当的程序参数是很关键的。

Figure 2-The single track processing window.

图2 -单轨处理窗口

Table 3

轨道宽度将影响相邻轨道之间的空间宽度集合，其决定重叠率的大小。测量轨道宽度的结果绘制在图3中，平均轨道宽度从120mu;m变化到154mu;m。当扫描速度为600mm / s时，轨道宽度随着激光功率的增加而增加；当使用较高的扫描速度（700mm / s）时，轨道宽度在激光功率为110W~130W时随激光功率增加而增加，当激光功率超过140W时轨道功率随激光功率的增加而减小。这是因为随着激光功率的增加，能量输入急剧增加并且衬底会熔化，AISI 420的轨道宽度将减小。

Figure 3-The single track width with different laser powers and scanning speeds

图3-具有不同激光功率和扫描速度的单光道宽度

如图2所示，可以通过500mm / s至600mm / s的程序参数获得没有球化现象和裂纹的轨迹。在这项实验中，中间值550mm / s被选择作为优化的扫描速度和激光功率变化的最佳数值。制造四个圆柱体（如图4（a）），图4（b）中数据为样品的相对密度。结果显示样品相对密度随着激光功率的增加而增加，在140W时样品的相对密度高于99％。

Figure 4-(a) Samples fabricated with different laser powers;(b) the relative density of the samples.

图4.(a)用不同激光功率制造的样品;(b)样品的相对密度。

为了分析单轨道的构成特性，需要对模型进行详细阐述。在本次实验研究中，光纤激光束尺寸为100mu;m，平均粒径20mu;m，一次可以辐射到约五个粉末颗粒。在SLM工艺中，将具有不同尺寸的粉末颗粒铺展在钢基材上，通过在吸收激光能量而使每个粉末颗粒加热。 假设在处理中不发生蒸发，则能量平衡方程表示如下：

(1)

Qabsorb(J)是每个粉末颗粒的吸收能量;Qh(J)是将每个粉末颗粒加热到高温T(K)(Tgt; Tm)所需的能量，其中Tm是熔融温度； Ql(J)是粉末床的能量损失[11].Qabsorb(J)定义为P/((US)·pi;r2·alpha;)，其中P为激光功率(W)，U为激光束直径(mm),S是扫描速度(mm/s),r是(mm),alpha;是吸收率; Qh定义为m [Cpave(T-T 0) L/M]，其中m是粉末颗粒的质量(g)，Cpave是T0和T之间的平均比热(J /(g·K))，L是熔融潜热(J/g)，M是粉末的摩尔质量(g / mol)。考虑到加热发生的很快，在这段时间内可以忽略由于传导，

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