Mater. Sci. Eng., A：选择性激光熔覆对马氏体时效钢300的参数影响及其力学性能演化机制

【引言】

18Ni-300马氏体时效钢是一种超高强度钢，然而选择性激光熔覆（SLM）生产的马氏体时效钢的强度总是不能达到2000MPa，是因为零件内部有许多裂纹和孔隙，且与工艺参数密切相关。因此研究工艺参数对相对密度的影响机制非常重要。

众所周知，成形质量与反映部件内部裂纹和孔隙的相对密度呈正相关。为了通过SLM实现高质量马氏体时效钢300工件的制造，设计了一个正交实验来研究工艺参数（激光功率，扫描速度和扫描空间）与相对密度之间的关系，以获得最佳条件。然后对微结构、显微硬度、拉伸强度和冲击韧性进行了深入的研究；另外还分别研究了溶液处理和时效处理对微观结构和力学性能的影响。

【成果简介】

近期，华南理工大学杨永强教授（通讯作者）研究团队于2017年6月10日在期刊Materials Science and Engineering: A上在线发表了题为“Influence mechanism of parameters process and mechanical properties evolution mechanism of maraging steel 300 by selective laser melting”的文章。研究人员通过设计正交实验获得最优的工艺参数，并进行了固溶处理（ST）和固溶处理+时效处理（ST + AT）的热处理对照组。研究表明固溶处理后多孔和微观偏析消失，时效处理后新的小颗粒相析出。固溶处理后，显微硬度和拉伸强度随着伸长率的增加而下降。冲击韧性在固溶处理后增加很小，时效处理后急剧下降。

【图文导读】

图1选择性激光熔覆机器DiMetal-100示意图

该系统主要包括200W光纤激光器，高速和高精度的电流计扫描单元和f-θ透镜。

图2 18Ni-300粉末的显微组织

该粉末采用气体雾化法制备，近似球形且粒径为15-45μm。

图3正交试验结果

激光功率为13.755W，扫描空间为3.985mm，扫描速度3.365mm/s时对相对密度影响最大。

图4 SLM过程中的飞溅和空洞形成机制

(a) 飞溅形成原理图；

(b) 飞溅行为；

图5成型部件扫描空间的影响示意图

(a) 扫描空间太小；

(b) 扫描空间太大；

图6不同热处理条件下SLM加工成型的马氏体时效钢的微观结构

(a, b, c) SLM制成的原件以及相应微区放大图；

(d, e, f) 固溶处理以及相应微区放大图；

(g, h, i) 固溶处理+时效处理以及相应微区放大图；

图7不同热处理后的维氏显微硬度

不同热处理的试样上面的显微硬度几乎与侧面相同，固溶处理后硬度下降。

图8不同热处理下试样的应力—应变曲线

样品经固溶处理后抗拉强度从1177.61Mpa降至1080.17Mpa，而经时效处理后又升到2163.92Mpa，固溶处理后，断裂延伸率从7.9％提高到10.2％但时效处理后降低到2.5％。

图9不同热处理下拉伸试样的断裂形貌

(a, b, c) SLM制成的原件以及相应微区放大图；

(d, e, f) 固溶处理以及相应微区放大图；

(g, h, i) 固溶处理+时效处理以及相应微区放大图；

图10不同热处理下18Ni-300马氏体时效钢的夏比冲击试验

结果表明原件和固溶处理后样品的冲击能均非常高，但固溶处理+时效处理后样品的冲击能显着降低。

图11不同热处理下夏比冲击试样的断裂形貌

(a, b) SLM制成的原件以及相应微区放大图；

(c, d) 固溶处理以及相应微区放大图；

(e, f) 固溶处理+时效处理以及相应微区放大图；

【小结】

本文利用SLM制备18Ni-300马氏体时效钢，并研究了工艺参数对相对密度的影响机制，以及不同热处理下微观结构、显微硬度和韧性的演变机制。研究发现相对密度先增加，然后随着激光功率、扫描速度和扫描空间而减小。SLM制造的零件具有细小的晶粒组织，并且在高冷却速率下发生明显的微观偏析。 ST后，马氏体相变为奥氏体，微孔结构消失。并且由于保持时间短，破碎和球化的颗粒不会完全分解，并且仍然保持为近似球体的形式。在ST + AT之后，板条马氏体的晶界变得非常模糊，并且再次形成微小的Ni₃Mo，Fe₂Mo和Ni₃Ti颗粒。由于微孔结构的消失和微粒的形成，不同的热处理下的机械性能显著变化。室温-ST-AT下样品的抗拉强度从1177.61Mpa降至1080.17Mpa又升到2163.92Mpa，延伸率从7.9％提高到10.2％又降低到2.5％。

文献链接：Influence mechanism of parameters process and mechanical properties evolution mechanism of maraging steel 300 by selective laser melting (Mater. Sci. Eng.,A ,2017, DOI: 10.1016/ /j.msea.2017.06.033)

本文由材料人编辑部新人组李志伟编译，丁菲菲审核，点我加入材料人编辑部。

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