采用激光選區(qū)熔化技術(shù)和激光熔化沉積技術(shù)制備24CrNiMo合金鋼單道和塊體樣品,研究?jī)煞N激光輻照條件下24CrNiMo低合金鋼的相組成、微觀組織、織構(gòu)特征和顯微硬度。結(jié)果表明:兩種方法制備的24CrNiMo合金試樣的相組成均為α-Fe相以及少量的Fe₃C;SLM成形單道沉積樣品的晶粒取向隨機(jī)、無(wú)序,無(wú)明顯的擇優(yōu)取向,而LMD成形單道沉積樣品的擇優(yōu)取向?yàn)椋?10）〈101〉面織構(gòu);SLM成形塊體樣品的晶粒在平行于沉積方向上存在較弱的〈111〉織構(gòu),LMD成形塊體樣品的晶粒存在外延生長(zhǎng)取向?yàn)椤?11〉的強(qiáng)織構(gòu);SLM成形試樣的顯微組織主要為下貝氏體,而LMD成形試樣的顯微組織以板條貝氏體為主;具有細(xì)小晶粒和下貝氏體組織的SLM成形試樣的平均顯微硬度高于LMD試樣。 

【文章來(lái)源】：材料工程. 2020,48(11)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

24CrNiMo合金鋼粉末的形貌(1)和粒徑分布(2)

2.1 相組成分析圖2為SLM和LMD成形24CrNiMo合金鋼X射線衍射圖譜。分析可知LMD成形試樣和24CrNiMo合金鋼粉末的主要相組成為具有體心立方結(jié)構(gòu)的α-Fe相,SLM成形試樣的主要相組成也為α-Fe(M),其中M表示Cr,Ni,Mo等元素,同時(shí),成形樣品中檢測(cè)到少量的碳化物Fe3C。在激光輻照熔化24CrNiMo合金鋼粉末過(guò)程中,極高的冷卻速率促進(jìn)了α-Fe(M)及其碳化物的生成[14]。而α-Fe(M)相可以溶解更多的碳和合金元素,但是碳化物的含量很少,且體積分?jǐn)?shù)低于5%的相難以清晰地在XRD圖譜中顯示[4]。因此可以推測(cè):LMD試樣中也含有少量的Fe3C。此外,在LMD試樣的X射線衍射峰中觀察到,與α-Fe相(44.673°,PDF-060696)相比,樣品中α-Fe衍射峰的布拉格角2θ向左發(fā)生了偏移。根據(jù)布拉格方程[15]:2dsinθ=nλ(其中n是常數(shù),λ是X射線的波長(zhǎng),d是原子晶格的晶面間距,θ是入射射線與散射平面之間的角度),對(duì)應(yīng)于α-Fe相的衍射峰向左偏移,即衍射角2θ減小,表明對(duì)應(yīng)的晶面距離d增加。說(shuō)明激光誘導(dǎo)的熱應(yīng)力和合金原子的固溶體在LMD過(guò)程中引起了晶格畸變[16-17]。根據(jù)謝樂(lè)(Scherrer)公式[18]估算樣品的平均粒度:

圖3為SLM成形24CrNiMo合金鋼單道樣品截面EBSD分析結(jié)果。從EBSD圖中可以清晰地分辨出單個(gè)熔池的形貌,在SLM材料的微觀組織形貌中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)這種熔池痕跡,這些熔池的形狀取決于采用的激光參數(shù)及掃描策略。熔池這種近似于字母“V”的形狀主要是由于激光能量呈高斯分布,其中最高的能量值集中在激光束的中心[20]。對(duì)于具有立方結(jié)構(gòu)的晶體,晶粒傾向于沿〈100〉方向生長(zhǎng)[21],而選區(qū)單道熔化沉積截面的EBSD結(jié)果顯示出無(wú)明顯的擇優(yōu)取向,在熔池的中心區(qū)域大多數(shù)晶粒以[101]～[111]之間的取向平行于增材方向(//BD,building direction);在熔池頂部區(qū)域,大多數(shù)晶粒主要以[001]～[111]之間的取向平行于增材方向,部分晶粒則以[101]取向平行于增材方向,只有極少數(shù)的晶粒以[111]取向與增材方向平行。這是因?yàn)槿鄢啬踢^(guò)程中的溫度差引起了馬蘭戈尼對(duì)流(Marangoni convection)[22]以及熔池中動(dòng)態(tài)、交變的周向散熱作用使得熔池中的液相晶粒發(fā)生了旋轉(zhuǎn)、流動(dòng),導(dǎo)致晶粒的取向隨機(jī)且排列無(wú)序[23]。從圖3(b)的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像中可以觀察到明顯的馬蘭戈尼對(duì)流的痕跡,對(duì)應(yīng)于圖3(a),分析發(fā)現(xiàn)有馬蘭戈尼對(duì)流痕跡處的晶粒晶體學(xué)取向主要為〈101〉。圖4為L(zhǎng)MD成形24CrNiMo合金鋼單道截面的EBSD分析結(jié)果,圖4(d)～(f)為單道熔池頂部、中部、底部熱影響區(qū)(heat affected zone,HAZ)3個(gè)位置在較高倍數(shù)下的EBSD結(jié)果。從圖4(a)可以發(fā)現(xiàn),在熱影響區(qū)中存在大量的取向隨機(jī)、排列不規(guī)則的晶粒組織;在接近熔池中心區(qū)域的位置,取向相同的晶粒開始增多;而在熔池頂部的區(qū)域,則出現(xiàn)了一定的擇優(yōu)取向,且可以觀察到較大晶粒區(qū)。與SLM的反極圖正好相反的是LMD顯示出了具有一定擇優(yōu)取向的晶粒,這種差異突顯出加工方式和微觀結(jié)構(gòu)之間的重要關(guān)系。實(shí)際上,LMD成形過(guò)程中的熔化及凝固對(duì)于理解其微觀結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。在LMD成形單道沉積過(guò)程中,由同軸送粉器輸送的粉末和高能激光束同時(shí)作用在基板上,彼此充分接觸進(jìn)而形成了高能量密度的熔池。激光束本身具有一個(gè)豎直向下的速度矢量,熔池在激光束和沖擊力的反作用力及液相收縮表面張力的共同作用下,形成了向下凹陷的熔池形貌。同時(shí)也使處于熔池底部的熱影響區(qū)產(chǎn)生了復(fù)雜溫度場(chǎng),導(dǎo)致大量取向隨機(jī)且無(wú)序的結(jié)晶組織的產(chǎn)生。激光束輻照過(guò)后進(jìn)入凝固階段,這個(gè)過(guò)程中,高溫的熔體與低溫氣體環(huán)境產(chǎn)生較大的溫差,引起表面張力梯度,當(dāng)這種表面張力梯度超過(guò)液相黏滯力,將會(huì)導(dǎo)致熔池中產(chǎn)生馬蘭戈尼對(duì)流,使得熔池中的溶體向溫度較低的熔池上表面處移動(dòng),即產(chǎn)生了指向熔池外表面的速度矢量,從熔池底部到其外表面,晶粒取向由無(wú)序變?yōu)榫哂幸欢ǖ膿駜?yōu)取向。正如焊接技術(shù)中所報(bào)道的那樣:最大溫度梯度的方向始終垂直于熔池的邊界,并且晶粒更傾向于沿溫度梯度的方向生長(zhǎng)[24]。根據(jù)EBSD的極圖和反極圖分析,LMD成形24CrNiMo合金鋼單道截面存在一定的擇優(yōu)取向,為(110)〈101〉面織構(gòu):即大部分晶粒的(110)面平行于激光單道掃描面,〈101〉方向平行于激光增材方向(//BD)。

【參考文獻(xiàn)】：
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