本文選題：激光選區(qū)熔化 + 模具鋼�。� 參考：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：模具是現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的基礎(chǔ)裝備,我國已發(fā)展成為世界模具生產(chǎn)大國,但高檔模具供不應(yīng)求,制約著我國向模具工業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)型,發(fā)展模具先進(jìn)制造技術(shù)是我國模具產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大勢所趨。金屬增材制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序,利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可快速而精確地制造出高性能的復(fù)雜金屬模具,在高檔模具的快速制造中具有巨大潛力。其中,激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting, SLM)技術(shù)設(shè)備、工藝簡單,成形零件復(fù)雜度高,特別適合成形具有復(fù)雜冷卻水道等結(jié)構(gòu)的精密模具。然而,SLM成形件與傳統(tǒng)方法制造的零件在微觀組織、性能等方面存在顯著差異,此外用于SLM成形的模具材料十分匱乏。本文面向SLM技術(shù)成形復(fù)雜高性能模具零件的需求,研究模具鋼材料及其復(fù)合材料在SLM成形過程中的組織與性能演變,探究了SLM成形件的微觀組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性、機(jī)加工性能。具體研究工作及成果如下：研究了AISI 420不銹鋼的SLM成形工藝,成形出了接近全致密的試樣,為模具零件的SLM制造奠定了工藝基礎(chǔ)。具體研究內(nèi)容包括：進(jìn)行單道掃描成形,歸納了AISI420不銹鋼的熔化特性,根據(jù)SLM成形工藝的不同,熔化道表現(xiàn)為三類不同的形貌,探討了單道熔池形貌的演變；研究了氧含量和掃描間距對單層掃描表面質(zhì)量的影響,結(jié)果表明不銹鋼易形成致密的氧化膜,降低成形過程中液態(tài)金屬的潤濕效果和表面質(zhì)量,另外搭接率達(dá)30%-40%時(shí)成形表面較為平整;利用二次擬合得到成形件致密度和激光能量密度之間的關(guān)系：p=-0.001 ×Ψ2+0.559Ψ+53.42,通過后續(xù)成形環(huán)境氣氛優(yōu)化,成形件最高致密度超過99%。研究了SLM成形件的微觀組織及其形成機(jī)理。SLM成形件道與道、層與層之間搭接良好,出現(xiàn)了明顯的熔池邊界,但仍存在微觀孔隙和裂紋缺陷。成形件晶粒細(xì)小,并在熔池內(nèi)部和熔池邊界附近呈現(xiàn)出不同的微觀形貌：熔池內(nèi)部為胞狀晶,熔池邊界為柱狀晶。成形件主要由Fe-Cr和CrFe7C0.45兩相組成,未發(fā)現(xiàn)常見的馬氏體組織。發(fā)現(xiàn)SLM成形AISI 420不銹鋼存在脫碳現(xiàn)象,脫碳現(xiàn)象縮小了高溫奧氏體區(qū),馬氏體轉(zhuǎn)變未大量發(fā)生,同時(shí)形成了類似魚鱗紋分布的貧碳區(qū)。研究了SLM成形件的力學(xué)性能,探討了SLM成形工藝、熱處理工藝對力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果如下：SLM成形件拉伸性能表現(xiàn)出明顯的各向異性,沿Z向拉伸的抗拉強(qiáng)度最高,力學(xué)性能各向異性與成形件的致密度、組織缺陷和脫碳現(xiàn)象有關(guān)。通過退火處理可以大大改善成形件拉伸性能的各向異性；不同的熱處理工藝顯著影響試樣的拉伸性能,其中淬火+回火的熱處理工藝成形微細(xì)的馬氏體和均勻分布的碳化物組織,抗拉強(qiáng)度提高到1837±21 MPa,延伸率提高到13.8±1.06%。成形件的硬度隨著激光能量密度的增加先升高,但當(dāng)激光能量密度過大時(shí)硬度開始降低。耐磨性結(jié)果與成形件的硬度一致,成形件硬度越高,耐磨性越好。耐磨性最好的熱處理工藝如下：熱處理溫度1050℃保溫30 min后進(jìn)行水冷,摩擦磨損量由SLM成形件的34.6 mg降低為23 mg,耐磨性提高了33.5%。研究了SLM成形件的耐蝕性能,結(jié)果表明：在抗點(diǎn)腐蝕性能方面,SLM成形的420不銹鋼是優(yōu)于鍛造退火的420不銹鋼的,但SLM成形件局部腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重,并呈現(xiàn)出平行分布的腐蝕坑。在抗晶界腐蝕性能方面,SLM成形的420不銹鋼的耐腐蝕性能完全優(yōu)于鍛造退火的420不銹鋼。在嚴(yán)重腐蝕位置腐蝕試樣表面呈現(xiàn)出溝槽狀的腐蝕坑連成條狀平行分布,推測是熔池邊界與熔池內(nèi)部的不均勻性造成兩者腐蝕點(diǎn)位差異,加快了晶間腐蝕。研究了SLM成形件的機(jī)加工性能。具體研究內(nèi)容如下：研究了SLM成形件致密度、銑削深度、銑削面對機(jī)加工后表面質(zhì)量、殘余應(yīng)力和硬度的影響。結(jié)果顯示,SLM成形件致密度是影響機(jī)加工質(zhì)量的主要因素。銑削加工后,SLM成形件表面殘余應(yīng)力變化較大,隨著切削深度的增加,殘余應(yīng)力由壓應(yīng)力逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力。SLM成形件組織和力學(xué)性能的各向異性并未造成SLM成形件不同平面機(jī)加工性能的明顯差異。SLM成形件機(jī)加工后具有較低的表面粗糙度。研究了420不銹鋼/TiN復(fù)合材料的SLM成形,探索了短流程制造高硬度、高耐磨模具的可能性。具體研究內(nèi)容如下：通過高能球磨方法制備出不同TiN含量的粉末,研究TiN含量和激光功率對成形件致密度、顯微組織和機(jī)械性能的影響。結(jié)果表明,隨著TiN顆粒含量的增加粉末對激光吸收率下降,同時(shí)TiN和金屬之間界面潤濕效果差,造成成形件致密度和硬度嚴(yán)重下降。當(dāng)TiN含量為1wt.%時(shí),隨著激光能量密度的增加,TiN顆粒的擴(kuò)散行為增強(qiáng),微熔池流動(dòng)性得到改善,制備的復(fù)合材料致密度達(dá)到了98%。最優(yōu)的硬度達(dá)到了607 HV3和HRC 56.7,超過了全致密度的420不銹鋼SLM成形件,同時(shí)制備的復(fù)合材料耐磨性與TiN涂層相當(dāng)。研究了FeCr24Ni7Si2奧氏體耐熱鋼的SLM成形,為其在熱作模具方面的應(yīng)用提供工藝基礎(chǔ)。具體研究內(nèi)容如下：采用正交試驗(yàn)方法系統(tǒng)地研究了激光功率、掃描速度和層厚對FeCr24Ni7Si2奧氏體耐熱鋼SLM成形件的微觀組織和宏觀性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：最優(yōu)工藝參數(shù)為激光功率140 W、掃描速度400 mm/s、鋪粉層厚0.15mm。其成形件的致密度最高,達(dá)到96.09%。成形件晶粒細(xì)小(晶粒尺寸1μm),成形件仍為奧氏體組織。與420不銹鋼相比,該種材料成形過程中易出現(xiàn)微裂紋缺陷,其產(chǎn)生的原因主要可能是非金屬脆性相的產(chǎn)生和SLM過程造成了極大的微觀殘余應(yīng)力,導(dǎo)致成形件在大晶界角和脆性相處開裂。
[Abstract]:This paper studies the microstructure , mechanical properties , corrosion resistance and machining performance of the mould industry .
The effects of oxygen content and scanning distance on the surface quality of single layer scanning are studied . The results show that stainless steel is easy to form dense oxide film , and it can reduce the wetting effect and surface quality of liquid metal in the forming process .
The results show that , with the increase of the density of the laser energy , the surface quality , the residual stress and the hardness of the forming part of the SLM are improved . The results show that the corrosion resistance of the formed part of the SLM is better than that of the forged annealed 420 stainless steel . The effects of laser power , scanning speed and layer thickness on microstructure and macroscopic properties of FeCr24Ni7Si2 austenitic heat - resistant steel SLM are systematically studied by orthogonal test . The results show that the optimum parameters are laser power 140 W , scanning speed 400 mm / s , and powder layer thickness of 0.15mm .
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG142.71;TG665

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本文編號：1908053