合金钢激光熔丝增材制造工艺及组织性能研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:baronsong2009
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激光熔丝增材制造(Wire and Laser Additive Manufacturing,WLAM)是一种基于“离散-堆积”原理的数字化沉积技术,该技术具备了高沉积速率,高材料使用效率和高度柔性化的优点,通过层层叠加的方式来制造结构复杂的制件,并已经在大型金属构件的制造中得到了广泛的应用。与传统锻造工艺下的制件相比,该技术成形的制件力学性能较低,并且存在一定的局限性,如组织粗大、各向异性、残余应力和热变形等,以上问题很大程度上限制了激光熔丝增材制造技术在关键承载构件中的应用。因此,本文针对GHS785L低碳高合金钢材料的激光熔丝增材制造,采用不同的处理方法(热处理、电脉冲处理和超声微锻造处理)改善制件的表面质量、微观组织和力学性能。通过对不同工艺参数下成形单道单层和单道多层制件的形貌总结和分析,探索工艺参数对沉积层组织性能的影响,达到工艺优化的目的,实现薄壁墙制件的沉积;针对沉积层采用热处理、电脉冲和超声微锻造处理对成形后的合金钢薄壁件进行处理,达到改善其组织和性能的目的,并对不同处理工艺下沉积层的组织和性能影响开展研究和机理分析,研究结果表明:对于单道单层沉积层,随着激光功率的增加,沉积层熔宽增大,熔高有所减小,宽高比逐渐增大,接触角减小,稀释率逐渐增加,沉积层底部会形成粗大的柱状晶,中部和底部组织具有明显方向性,且随着激光功率的增加,沉积层马氏体含量逐渐减少,平均硬度从440HV降到410HV。随着扫描速度的增加,沉积层熔宽和熔高都有所减小,宽高比变化程度不大,接触角减小程度较大,稀释率呈现逐渐减小的趋势,总的来说扫描速度对沉积层组织和硬度影响不大。对于单道多层沉积层,成形沉积层底部时后一层会对前一层进行再次加热,使其发生高温回火,生成回火索氏体,随着层数的增加,层间多次热循环作用促使沉积层生成许多粒状贝氏体组织,激光功率越大,粒状贝氏体方向性越强,呈现出明显的方向性生长,沉积层表层会形成马氏体束,呈块状分布,功率越大马氏体含量相对较少,同时随着功率的增大单道多层沉积层平均硬度从380HV降到360HV,扫描速度的变化对显微组织和硬度影响不大。基于以上的总结和分析,得到了最优成形工艺参数,即激光功率2500W、扫描速度4.5mm/s。选取不同的回火温度,对WLAM成形的合金钢薄壁件进行调质处理,随着回火温度的升高,板条马氏体特征逐渐消失,生成回火索氏体组织,而调质处理对合金钢薄壁件相的类型和元素含量以及分布影响不大。同时随着回火温度的升高,显微硬度逐渐降低,最大降幅达到36.7HV,调质处理后沉积层硬度分布较为均匀;随着回火温度升高,薄壁件的屈服强度和抗拉强度分别降低了77.09MPa和145.8MPa,伸长率增加了5.72%。选取不同脉冲电压对薄壁件进行电脉冲处理,当脉冲电压为64V时,电脉冲处理可以细化晶粒,并使组织分布更加均匀,随着脉冲电压升高到81V时,组织明显长大,呈块状分布,并有块状珠光体生成,同时电脉冲可以促进元素的扩散,使元素向晶界方向富集。随着脉冲电压的升高,沉积层平均硬度持续增加,最多增加幅度达到69.2HV,低电压电脉冲处理后,薄壁件硬度分布更均匀。随着脉冲电压的增加,薄壁件的屈服强度升高了33.36MPa,抗拉强度升高了58.72MPa,伸长率降低了8.32%。采用超声微锻造技术对单道单层和单道多层沉积层进行微锻造处理,发现该技术可以使单道单层沉积层顶部发生明显的塑性变形,晶粒细化的同时沉积层硬度显著提升,而对单道多层沉积层组织和性能影响不大。通过对比不同处理方法对薄壁件力学性能的影响,发现电脉冲处理在性能改善方面能够取得较好的效果。
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