18Ni300模具钢SLM成型工艺研究

18Ni300模具钢作为一种高性能模具材料,具有较强的耐热性、耐磨性与抗腐蚀性。运用选择性激光熔化(Selective laser melting,SLM)技术,可通过计算机模型制造出复杂且精细的模具零件,从而缩短生产周期,降低生产成本。对不同工艺参数下18Ni300模具钢选择性激光熔化成型件进行致密度测量与计算得知,激光功率250 W、扫描速度1000 mm/s、扫描间距0.1 mm以及铺粉厚度0.04 mm的工艺参数组合,可实现高致密度的成型效果。

热处理对选区激光熔融18Ni300模具钢力学性能的影响

为得到SLM成型18Ni300模具钢最佳的热处理工艺,设定350、450、500、550℃4种热处理温度,同时保留未经热处理的原始样品作为对比参考,分析不同热处理温度对18Ni300模具钢室温抗拉伸性能和冲击韧性的影响,并结合断口微观断裂机制进行佐证。试验结果显示,在4种热处理温度下,经过500℃热处理保温3 h的样品,其抗拉强度达到1741 MPa,是4组热处理温度下抗拉性能达到的最高值,比未热处理样品提升了86%;冲击韧性达到26.27 J·cm^(-2),比抗拉伸强度相近的450℃热处理样品,冲击韧性提高了67.1%,相比未处理样品有显著提升,其他热处理温度下试样冲击性能虽都有提升,但均不如500℃热处理试样性能提升的幅度大;材料主要呈现出韧性断裂特点,在强度与韧性之间取得了良好的平衡。表明SLM成型18Ni300模具钢的最佳热处理工艺为500℃保温3 h。

3D打印18Ni300模具钢的显微组织及力学性能

通过选区激光熔化(SLM)技术3D打印制备了18Ni300模具钢棒状试样,并对其进行了840℃固溶+490℃×6h时效热处理,分别对热处理前后试样的显微组织及力学性能进行了研究。结果表明:3D打印18Ni300模具钢的致密度高,相对密度接近100%;未经过热处理的3D打印试样显微组织由细小的板状马氏体和残余奥氏体组成,抗拉强度和屈服强度较低;经热处理后试样的显微组织形貌呈均匀分布的长条状,抗拉强度、屈服强度和硬度明显升高,塑性降低。

扫描策略对激光选区熔化成型18Ni300马氏体时效钢打印质量和性能的影响

为研究扫描策略对成型零件打印质量和性能的影响规律,采用激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术,选用单向填充重复扫描策略(X扫描)、90°交替变向填充扫描策略(XY扫描)、条形分区变向填充扫描策略(S扫描)和棋盘格分区变向填充扫描策略(C扫描)打印18Ni300马氏体时效钢,系统地研究不同扫描策略对打印零件表面形貌、致密度、组织物相和力学性能的影响规律,分析不同扫描策略拉伸性能在不同成型方向上的各向异性。结果表明:分区扫描策略的打印质量和性能优于X扫描策略和XY扫描策略。究其原因在于,在打印过程中分区扫描策略可将打印表面划分成多个区域进行加工,提高了每一层的冷却凝固速率。相比于X扫描策略和XY扫描策略,分区扫描策略的扫描方向呈周期性变化,不仅有利于填补上一层熔道的凸起和搭接孔隙,而且可以减少热量积累,有利于提高试样性能。

热处理对SLM 18Ni300马氏体时效钢组织及腐蚀性能的影响

目的探究热处理对激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形18Ni300马氏体时效钢组织和耐腐蚀性能的影响。方法利用激光选区熔化技术成形18Ni300马氏体时效钢试样,分别对成形试样进行时效处理和固溶+时效处理。通过金相显微镜、扫描电镜、显微硬度计和电化学工作站,分别测试分析了不同热处理SLM 18Ni300马氏体时效钢的微观组织、显微硬度和耐蚀性。结果热处理后,试样微观组织发生显著变化,时效试样组织细化,得到板条马氏体组织;固溶+时效试样激光熔池消失,组织为均匀致密的板条马氏体,且均有细小析出物弥散分布于晶界和板条间。时效处理和固溶+时效处理显著提高了SLM 18Ni300马氏体时效钢硬度,SLM试样硬度为376.6HV1,时效试样和固溶+时效试样硬度分别为651.5HV1和641.8HV1。0.5 mol/L H2SO4溶液中,SLM试样的Jcorr最小,为1.375×10^-3 A/cm^2,耐腐蚀性最好,各试样耐蚀性优劣有SLM试样>固溶+时效试样>时效试样。3.5%NaCl溶液中,SLM试样的极化曲线有明显的钝化平台,且Jcorr最小,为3.630×10^-6A/cm^2,耐腐蚀性最好,各试样耐蚀性优劣有SLM试样>时效试样>固溶+时效试样。结论时效处理和固溶+时效处理后,SLM 18Ni300马氏体时效钢得到板条马氏体组织,硬度显著提高,但在H2SO4溶液和Na Cl溶液中的耐腐蚀性能有所下降。

选区激光熔化成型18Ni300钢显微组织与性能研究

采用选区激光熔化技术制备了18Ni300钢试样,分析了激光线能量密度对相对致密度和显微硬度的影响规律,研究了显微组织与性能的内在联系。结果表明,试样熔池中心区域为均匀的胞状组织,过渡区为细小的胞状组织,热影响区为粗大的胞状或扁状组织。同一激光线能量密度下,过渡区显微硬度高于熔池中心区域显微硬度。随激光线能量密度的降低,试样孔隙缺陷增加、显微组织不均匀,导致其相对致密度和显微硬度降低;当激光线能量密度过大时,显微组织粗大,其相对致密度和显微硬度降低;当η=543 J·m^-1时,显微组织均匀,相对致密度最高,达到99.76%,显微硬度值最高,熔池中心区域和过渡区分别为351 HV和355 HV。

18Ni300马氏体时效钢表面离子氮化研究

通过对渗层硬度分布、金相组织形貌和物相组成,以及拉伸性能、缺口敏感性和延迟断裂抗力等的分析,研究了18Ni300马氏体时效钢离子氮化后的渗层及对力学性能的影响。结果表明:离子氮化表面形成了Fe_4N硬化相,硬度从表面820 HV逐步下降到基体的610HV。由于平缓的硬度分布和不存在Fe_(2-3)N脆性相,使渗层与基体具有较强的协调变形能力;离子氮化后缺口与光滑抗拉强度之比仍达到1.2,可保障氮化构件的安全性。极低的位移速度(0.0015mm/min)缺口拉伸证明了氮化并未增大延迟断裂倾向。

激光选区熔化成形18Ni300模具钢的致密度和缺陷研究

为研究大成形层厚、大激光功率下激光选区熔化成形件的致密度和缺陷状态,在层厚为60μm、激光功率为300~400 W的条件下设置了不同的线能量密度参数,分析相关参数对致密度以及缺陷的种类、数量的影响。结果表明:致密度随线能量、激光功率的提升均呈现先上升后下降的趋势,当线能量为500 J/m、激光功率为350 W时,得到的试样致密度可达最高的99.92%,激光功率和线能量过高或过低都会引起成形件的缺陷。

18Ni300模具钢逆铺粉方向不同倾斜角激光选区熔化成形工艺研究

为研究逆铺粉方向不同倾斜角度对金属零件激光选区熔化成形质量及力学性能的影响,分别制备出逆铺粉方向下不同倾斜角的18Ni300模具钢金属试样,并对其相对密度、表面粗糙度和硬度进行研究。结果表明:随着倾斜角的增大,在5°和10°时会出现塌陷和挂渣现象,试样的相对密度先减小后增大,表面粗糙度值先增大后减小,硬度先减小后增大,在0°时能够得到表面质量最优、相对密度与硬度最大的试件。

18Ni300模具钢SLM成形质量评价及工艺优化

采用选区激光熔化工艺(SLM)制备了18Ni300模具钢试样,通过定量分析激光功率、扫描间距和扫描速度等工艺参数对成形试样相对密度和表面粗糙度等成形质量指标的影响,提出了一种基于相对密度和表面粗糙度的成形质量评价方法,构建了多工艺参数对成形质量的预测模型,实现了基于NSGA-Ⅱ算法的工艺参数多目标优化。结果表明:随着激光功率、扫描速度和扫描间距的增大,相对密度先增大后减小,表面粗糙度先减小后增大;工艺参数与相对密度和表面粗糙度属于非线性映射关系,结合方差分析和NSGA-Ⅱ算法确定了相对密度和表面粗糙度的Pareto最优解集;最优工艺参数(激光功率202.7 W、扫描速度909.1 mm·s^(-1)、扫描间距0.078 mm)下,试样相对密度为0.99、表面粗糙度为16.7μm、硬度为298.5 HV。

热处理对激光选区熔化18Ni300马氏体时效钢微观组织和力学性能的影响

使用电子万能材料试验机对不同热处理后的18Ni300马氏体时效钢进行拉伸试验,并通过X射线衍射(XRD)分析了不同热处理后马氏体及奥氏体的含量,研究了18Ni300钢在不同热处理过程中的组织演变、力学性能以及二者的关系,对比了其在不同热处理后的综合力学性能,从而筛选出了最佳热处理工艺。结果表明,热处理后试样的熔道逐渐消失,马氏体组织特征更加明显,硬度从34.1 HRC上升到52~54 HRC,抗拉强度从1174 MPa上升到2000 MPa以上。490℃直接时效6 h后实现了较好的强韧组合,这与组织内生成的强韧化相(逆转奥氏体)的含量密切相关。XRD测试结果表明,490℃直接时效后,试样内部具有最高的逆转奥氏体含量(体积分数约为6.9%),这些细小的逆转奥氏体分布在马氏体边界和内部,在一定程度上改善了18Ni300钢的韧性。

工艺参数对激光选区熔化成形18Ni300钢冲击韧性的影响

为了解工艺参数对激光选区熔化成形材料抗冲击能力的影响规律及机制,利用金属摆锤试验机,对不同激光功率及扫描速度下,激光选区熔化成形18Ni300马氏体时效钢进行冲击韧性试验,采用金相显微镜及扫描电镜进行微观组织及断口形貌观察。试验结果显示:随着激光体能量密度的增加,激光选区熔化成形18Ni300钢内部孔洞形缺陷减少,融道内胞状晶数量减少,柱状晶数量增加,韧性冲击断口形貌逐渐由舌状滑移区和大而浅的韧窝转变为均匀小韧窝,最终导致18Ni300钢的冲击韧性增加。通过非线性拟合建立了激光选区熔化成形工艺参数及激光体能量密度与冲击韧性之间的关系。研究表明:激光功率、扫描速度对激光选区熔化成形18Ni300钢的冲击韧性均有显著影响,随着激光体能量密度的增加,18Ni300钢的冲击韧性不断增加,在激光体能量密度达到120 J·mm^(-3)后,冲击韧性趋于平稳。

热处理对选区激光熔化18Ni300成形组织性能的影响

采用选区激光熔化技术成形18Ni300马氏体时效钢,并对成形件经固溶时效热处理研究。结果表明,固液界面前沿的温度梯度与凝固速率的比值(G/V_s)决定了沉积态微熔池底部到顶部的胞-柱状枝晶的微观演变;而在微结构区域存在的六角胞、伸长胞及条带组织的相互过渡是通过几何拓扑变换来实现。经热处理后,沉积态胞状、柱状及亚微米组织结构消失,出现细小板条状马氏体,并在马氏体基中形成细小颗粒状沉淀相;而热处理前后性能测试表明,经固溶时效热处理后,维氏显微硬度增加,抗拉强度也显著增加,延伸率降低,断口形貌呈现典型的韧性断裂。

热处理对选区激光熔化WC增强18Ni300钢基复合材料性能的影响

为进一步提高18Ni300钢的性能,以WC、18Ni300钢球形粉末为材料,采用选区激光熔化制备以18Ni300钢为基体,WC为增强体的复合材料,并对复合材料进行固溶+时效处理。研究了不同热处理工艺对复合材料性能的影响。结果表明:热处理前后试样外观尺寸一致,采用固溶(810℃×45 min)+时效(460℃×5 h)热处理工艺,复合材料的抗拉强度和硬度最高,塑性优异。

粉末性能对3D打印18Ni300模具钢性能的影响

利用3D打印(选区激光熔化成型工艺)制备了高致密度的18Ni300模具钢成型件,研究了粉末粒度及分布、松装密度对成型件致密度和力学性能的影响。采用排水法测量了成型件的致密度,使用金相显微镜、扫描电子显微镜、夏比摆锤冲击试验机和万能试验机等观察了金相组织和断口形貌,测量了成型件的力学性能。结果表明:在激光功率80 W、铺粉层厚20μm、扫描速度1600 mm?s^(-1)、扫描间距0.03 mm的3D打印参数条件下,粉末松装密度基本一致时,粉末粒度越小,成型件的致密度和综合力学性能越高;若中位径D_(50)和松装密度都接近,粗粉含量少、分布窄的粉末成型后致密度更高;在粉末中位径D_(50)基本一致的情况下,粉末松装密度越高,成型件致密度和力学性能越高;粉末粒度对成型件致密度的影响大于松装密度的影响。实验使用的5种粉中,试样A粉的中位径为22.37μm、松装密度为4.14 g·cm^(-3),3D打印成型件致密度最高、力学性能最好,致密度为99.867%,抗拉强度1219 MPa,延伸率15.5%,冲击吸收能量59 J。

热处理对SLM成形18Ni300马氏体时效钢摩擦磨损性能的影响

采用SLM成形技术制备18Ni300马氏体时效钢,并对其进行时效热处理,采用球-盘摩擦磨损试验模拟局部高应力摩擦磨损工况。研究热处理前后试样微观组织及力学性能变化对摩擦磨损性能的影响。对热处理前后的试样进行微观组织观察,并测量其密度、硬度、抗拉强度和伸长率变化,利用3D轮廓仪和扫描电镜观察磨损区域。热处理后试样的密度变化不大,硬度由37.7 HRC提高至54.5 HRC,抗拉强度由1108 MPa提高至2028 MPa,伸长率由14.5%下降至4.6%。热处理前,试样的摩擦因数为0.40,体积磨损率为1.87×10^(-4)mm^(3)·(N·m)^(-1),热处理后试样的摩擦因数为0.41,体积磨损率为1.41×10^(-4)mm^(3)·(N·m)^(-1)。磨损机制以磨粒磨损和粘着磨损为主,伴有轻微氧化磨损。

层厚对3D打印18Ni300马氏体钢组织和性能的影响

研究了层厚对选区激光熔化(SLM)成形18Ni300马氏体钢粗糙度、致密度、显微组织和力学性能的影响规律。结果表明:在激光功率和扫描间距一定的条件下,当层厚≤50μm时,致密度随激光体能量密度的下降呈现先升高后降低的趋势;当层厚≥70μm时,致密度随激光体能量密度的下降逐渐降低。随层厚的增大和扫描速率的降低,SLM成形过程中的冷却速率逐渐下降,晶粒尺寸逐渐增大。通过优化工艺参数,在层厚为30~70μm时均能成形致密(≥99.0%)的18Ni300试样,其硬度、断裂强度和延伸率均随层厚的增加而逐渐降低,且拉伸断口均呈塑性断裂机制。

氧化铝对SLM成型18Ni300模具钢力学性能的影响

在气雾化制粉过程中,坩埚熔蚀形成纳米夹杂物是难以避免的。采用选择性激光熔融设备对添加有纳米氧化铝粉的18Ni300模具钢粉进行3D打印,研究纳米氧化铝添加量对成型件组织和力学性能的影响规律,确定杂质的容忍限度,为气雾化制粉提供决策依据。研究结果表明,当纳米氧化铝添加量(质量分数)不高于1%时,打印态样件及低温时效热处理态样件中未发现第二相偏析现象;当纳米氧化铝添加量高于1%时,出现了Ni_(3)(Al,Ti)和Al_(2)O_(3)偏析相,内部裂纹和球形气孔数量增加,成型件的力学性能下降。添加1%纳米氧化铝的时效热处理态样件的抗拉强度最大,为1658 MPa。

选区激光熔化SiC/18Ni300马氏体模具钢复合材料性能研究

采用选区激光熔化技术烧结混合后的18Ni300马氏体模具钢粉末和微米SiC粉末,研究加入不同体积分数的SiC粉末对成型试样表面粗糙度、微观结构及力学性能的影响。结果表明,随着SiC体积分数增加,试样顶面的隆起和球化现象加剧,表面粗糙度和孔隙变大,侧面粘粉严重,凝固组织由胞状晶向柱状晶再向枝晶转变,试样的硬度和抗拉强度均高于未添加SiC粉末试样。当加入的SiC粉末体积分数为0.5%时,试样的硬度和拉伸强度最大,分别达到了371.1 HV和1.51 GPa,相比未添加SiC粉末试样分别提升了7%和54.8%。因此,SiC粉末的加入虽然提高了顶面的粗糙度及孔隙率,但可转变和细化晶粒,增强位错密度提高力学性能,进而提升试样综合使用性能。

模具钢增材制造及其性能的研究进展

随形冷却模具一般具有复杂的异形流道,能够大大提高冷却效率和产品的表面质量,但是其加工难度非常大。增材制造是一种通过逐层累加实现构件成形的技术,其优势是能实现材料的内部复杂结构。粉末的制备是增材制造的基础也是关键步骤,粉末质量的高低一定程度上决定了增材件的好坏,常见的模具钢粉末制备方法有气雾化法和等离子旋转电极雾化法。增材制造时材料将会经历快速熔化和快速凝固的过程,同时还要经受层间热循环的作用,其组织和微观结构严重偏离平衡凝固时的组织和结构。模具钢增材体的抗拉强度和屈服强度一般高于铸造态母材、低于轧制态或固溶时效态母材,其塑性一般难以达到使用要求。从粉末制备和典型模具钢增材工艺、组织和性能进行综述,以期给增材制造模具钢的深入研究提供借鉴。