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  2. 西工大《MSEA》:激光混合增材制造超高強(qiáng)鋼的組織性能!
    2023-08-31 14:52:02 作者:材料基 來(lái)源:增材在線 分享至:

    35CrMnSiA是一種超高強(qiáng)度鋼,廣泛應(yīng)用于具有幾何規(guī)則結(jié)構(gòu)和復(fù)雜延伸特征的關(guān)鍵部件,例如結(jié)構(gòu)殼體。激光混合增材制造(LHAM)是一種結(jié)合了傳統(tǒng)制造和增材制造優(yōu)點(diǎn)的先進(jìn)制造技術(shù)。例如,將鍛造和定向能量沉積(DED)結(jié)合的LHAM技術(shù)先將基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鍛造成規(guī)則的幾何形狀,并利用DED來(lái)制造復(fù)雜的延伸部件。這種LHAM具有快速且經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)這些組件的潛力。然而,LHAM制備的35CrMnSiA鋼不同區(qū)域顯微組織的形成機(jī)制及其對(duì)整體拉伸性能的影響仍不清楚,從而極大地限制了其應(yīng)用。


    2023年8月22日,為了解決這個(gè)問(wèn)題,西北工業(yè)大學(xué)金屬高性能增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的林鑫教授、譚華教授團(tuán)隊(duì)與華中科技大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)和南方科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作在《Materials Science and Engineering: A》(中科院1區(qū),Top,影響因子6.4)期刊發(fā)表最新研究成果“Microstructure and mechanical properties of an ultra-high strength steel fabricated by laser hybrid additive manufacturing”,采用鍛造35CrMnSiA鋼作為基礎(chǔ)材料,并利用定向能量沉積(DED)來(lái)制造無(wú)缺陷的LHAM零件。譚華教授為通訊作者。


    LHAM制造的35CrMnSiA鋼的顯微組織與位置相關(guān)。激光沉積區(qū)域包含具有內(nèi)部碳化物和邊界分布的碳化物的鐵素體,而基底區(qū)域包含馬氏體。熱影響區(qū)呈現(xiàn)出兩者之間的梯度微觀結(jié)構(gòu)。沉積區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)主要受沉積過(guò)程中的凝固行為和熱歷史的影響,而熱影響區(qū)則主要受再結(jié)晶的影響。微觀結(jié)構(gòu)的不均勻特征顯著影響其力學(xué)性能,導(dǎo)致“木桶效應(yīng)”,即LHAM制造的35CrMnSiA鋼的拉伸性能取決于最弱的激光沉積區(qū)。LHAM制造的35CrMnSiA鋼的極限抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為959MP和15.2%。該研究為控制混合制造超高強(qiáng)鋼的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)化性能奠定了基礎(chǔ)。


    論文

    圖1. 35CrMnSiA 鋼激光混合增材制造 (LHAM) 的材料和實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。(a) 35CrMnSiA鋼粉的形貌和尺寸分布;(b) LHAM過(guò)程的示意圖;(c) LHAM 制作的 35CrMnSiA 鋼樣品以及拉伸試驗(yàn)和 DIC 試樣的制備;拉伸試樣(d)和DIC試樣(e)的尺寸,單位為mm。

    圖2. LHAM 制造的 35CrMnSiA 鋼的顯微組織:(a) 重構(gòu)奧氏體晶粒的 EBSD 圖;(b)晶粒微觀結(jié)構(gòu)的位置和特征之間的關(guān)系;(c)–(d) LDZ、(e)–(f) HAZ 和 (g)–(h) WSZ 中不同放大倍數(shù)的典型微觀結(jié)構(gòu)。

    圖3. LHAM 制造的 35CrMnSiA 鋼的拉伸性能:(a) DED 和 LHAM 試樣的拉伸曲線;(b) DED、LHAM 和鍛造基材拉伸性能的比較。


    關(guān)鍵結(jié)論


    該工作研究了35CrMnSiA鋼熱影響區(qū)和激光沉積區(qū)的成分、物相和顯微組織。此外,還研究了LHAM制造的35CrMnSiA鋼的力學(xué)性能和變形行為。主要結(jié)論如下。


    (1) 熱影響區(qū)和激光沉積區(qū)均主要由BCC相組成,并且存在最少的FCC相。基體的特點(diǎn)是主要是板條馬氏體,而熱影響區(qū)則存在鐵素體和球形碳化物。沉積區(qū)主要由少量的近等軸和板條鐵素體組成,內(nèi)部和邊界均伴有彌散的碳化物。靠近熔合線,熱影響區(qū)的晶粒結(jié)構(gòu)經(jīng)歷從板條馬氏體到板條和近等軸晶粒組合的轉(zhuǎn)變,最終發(fā)展成完全細(xì)化的等軸晶粒。熱影響區(qū)主要由沿晶界富含碳化物的近等軸鐵素體組成,并伴有基體中納米級(jí)碳化物的析出。


    (2) 沉積區(qū)內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的形成主要受熱行為的影響。連續(xù)的熱量輸入導(dǎo)致冷卻速度變慢,使碳能夠徹底分布和長(zhǎng)距離擴(kuò)散,從而形成珠光體團(tuán)。再結(jié)晶主要控制熱影響區(qū)的微觀結(jié)構(gòu),基體區(qū)域經(jīng)歷多層滲透、臨界間退火和長(zhǎng)時(shí)間回火的復(fù)雜序列。采用常規(guī)的DED加工參數(shù)很難將LDZ組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。


    (3) 激光沉積區(qū)的屈服強(qiáng)度為746MPa,拉伸強(qiáng)度為1003MPa,伸長(zhǎng)率為19.6%。LHAM制造的35CrMnSiA鋼的屈服強(qiáng)度為708MPa,抗拉強(qiáng)度為959MPa,延伸率為15.2%。它的強(qiáng)度大約是鍛造制品的一半。總體而言,超高強(qiáng)鋼的LHAM仍然具有挑戰(zhàn)性。不同區(qū)域發(fā)生機(jī)械失配現(xiàn)象,導(dǎo)致拉伸變形過(guò)程中應(yīng)變分布不均勻,導(dǎo)致較弱區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)變集中和后續(xù)失效。LHAM制造的35CrMnSiA鋼在機(jī)械性能方面表現(xiàn)出顯著的“木桶效應(yīng)”。


    通訊作者


    譚華,博士,西北工業(yè)大學(xué)金屬高性能增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博導(dǎo)、副主任。自2002年,一直從事激光增材制造與再制造技術(shù)(高性能金屬3D打印)基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家,主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、課題,國(guó)家自然科學(xué)基金面上、青年基金,XX共用技術(shù),XX應(yīng)用驗(yàn)證,XX集成制造等科研項(xiàng)目30余項(xiàng)(國(guó)家級(jí)項(xiàng)目13項(xiàng),空客國(guó)際合作項(xiàng)目2項(xiàng)),主持項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)超過(guò)4000萬(wàn)元;參與國(guó)家重大、重點(diǎn)科研項(xiàng)目20余項(xiàng)。在高性能精密復(fù)雜構(gòu)件激光增材制造、異種材料/多材料金屬激光增材制造方面取得了重要的理論和技術(shù)創(chuàng)新。研究成果在我國(guó)航空航天飛行器、發(fā)動(dòng)機(jī)等20余個(gè)重點(diǎn)型號(hào)獲得應(yīng)用,為我國(guó)大飛機(jī)研制提供了重要支撐。獲陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng),獲陜西高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。發(fā)表論文120篇,SCI收錄90篇,申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利40余項(xiàng),已授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利28項(xiàng)。


    論文引用


    Fan W, Wang J, Peng Y, et al. Microstructure and mechanical properties of an ultra-high strength steel fabricated by laser hybrid additive manufacturing[J]. Materials Science and Engineering: A, 2023: 145594.


    https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145594

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