袁梅彦;陈勇;王森;郑岩;范树迁
【摘 要】针对高铁制动盘材料24CrNiMo合金钢进行激光选区熔化成形试验,研究了点距工艺参数和能量密度对24CrNiMo合金钢打印件密度的影响.研究结果表明,在相同能量密度条件下,打印件密度随着点距的增大呈现先增大后减小的规律.当点距在65μm时,24CrNiMo成形件密度可以达到最大值7.81g/cm3,致密度达到99.87％.当点距为65μm时,打印件密度随着能量密度的增大呈现先增大后减小的变化趋势.其它点距条件下,24CrNiMo合金钢密度随着能量密度的变化波动不大.在点距65μm、曝光时间为150μs较优的成形工艺窗口下,其显微组织由粒状贝氏体、共析铁素体与极少量马氏体组成. 儿童【期刊名称】《工程与试验》
【年(卷),期】爱过分2019(059)002
【总页数】4页(P18-21)
耦合性
【关键词】激光选区熔化;24CrNiMo;密度;能量密度;点距
【作 者】袁梅彦;陈勇;王森;郑岩;范树迁
【作者单位】长春理工大学 机电工程学院,吉林 长春 130022;中国科学院重庆绿智能技术研究院,重庆 400714;中国科学院重庆绿智能技术研究院,重庆 400714;智能增材制造技术与系统重庆市重点实验室,重庆400714;中国科学院重庆绿智能技术研究院,重庆 400714;智能增材制造技术与系统重庆市重点实验室,重庆400714;长春理工大学 机电工程学院,吉林 长春 130022;中国科学院重庆绿智能技术研究院,重庆 400714;智能增材制造技术与系统重庆市重点实验室,重庆400714
【正文语种】中 文
【中图分类】TG142.45
1 引 言
24CrNiMo钢是高强度低合金(High Strength Low Alloy(steel)，HSLA）钢之一，具有高淬透性、良好的强度和韧性，是铁路制动盘的理想材料[1-5]。然而，传统的制动盘制造由铸造、锻造、切削等多道工艺组合，工艺复杂、生产周期长[6]。
由于激光选区熔化(Selective laser melting， SLM)增材制造技术成形的零部件具有致密度高、机械性能好、尺寸精度较高，仅需简单后处理即可直接实际使用等特点，有可能解决24CrNiMo快速高精度制造制动盘的问题。陈岁元等研究了大功率SLM成形24CrNiMo的组织及力学性能演变过程[1]，没有说明不同关键工艺参数打印件的显微组织及力学的影响，也没有给出成形缺陷的原因。陈岁元还对大功率激光直接沉积(Direct laser deposition， DLD)增材制造24CrNiMo的缺陷行为进行了研究，阐述了通过优化能量密度可以减少缺陷，提高加工质量[7]。Yadroitsev等人的研究表明，低扫描速度会导致熔道变形和不规则，而高扫描速度会导致球化效应，且激光功率越大，最佳扫描速度范围越大[8]。然而，系统研究SLM关键工艺参数对24CrNiMo成形的影响规律的报道极为少见。本文针对高铁制动盘材料24CrNiMo进行系列SLM成形试验，系统地研究了点距工艺参数和能量密度对24CrNiMo合金钢打印件密度的影响。
仕途 肖仁福
2 试验设计与方案
2.1 术语
SLM的工艺参数影响最终成形质量[9]，本文主要关注与致密度密切相关的关键工艺参数。
与常见的EOS、Concept Laser公司的SLM设备激光工作的线扫描方式不同，本文试验设备为Renishaw公司的SLM设备（型号：AM250），激光工作的扫描方式为点扫（Dotted scan）。因此，工艺参数集合的术语存在差别。
图1 试验设备的工艺参数
如图1(a)所示，点距指的是两个激光点之间的距离。扫描间距指的是激光相邻熔道距离。点扫是指激光束在每个点停留一段时间后(即曝光时间)，转到下一个点继续进行选区熔化；而线扫指的是激光束以一定速度（即扫描速度）在粉末上以直线运动的方式对材料进行熔化。点扫和线扫对熔池的演化有不同的影响，对能量密度的计算方式不同。基于激光点扫的SLM成形关键工艺参数的组合可表述为单位体积下的能量密度，即：
其中，Q表示激光输入能量，D为单个熔池的包络体积，P为激光功率输入，p表示点距，h为铺粉厚度，d为扫描行距，t为曝光时间。
2.2 试验材料
试验所用24CrNiMo合金钢粉末采用气雾化法制备，粉末霍尔流速: 14.72s/50g。粉末材料
的化学成分如表1所示，微观形貌如图2所示。粉末粒径分布如图3所示，大多数粉末呈现球形，少部分为不规则粉末。本文使用的24CrNiMo合金钢球化粉末松装密度为4.096g/mm3，24CrNiMo合金钢理论密度为7.82g/mm3。
表1 24CrNiMo合金粉末的化学成分化学成分(重量分数%)24CrNiMo Fe C Si Mn Cr Ni Mo重量分数% 余量 0.24 0.35 0.94 0.73 1.02 0.54
图2 粉末的微观形貌
图3 粉末的粒径分布
2.3 工艺方案及测试方法
在激光增材制造研究中，成形件密度（致密度）的大小直接反映了成形质量的好坏。通过测量打印件密度的大小，分析工艺参数对成形效果的影响，最后得出工艺参数与致密度之间的联系。
24CrNiMo相对于钛合金而言，导热系数高，成形过程冷却速度快，因而选取设备的最大功
率200W为工艺常量参数，以在短时间内熔化成形并减少粉末不完全融化缺陷。参考316L不锈钢的标准工艺包，固定扫描间距为0.1mm。同时，由于金属粉末粒度主要分布在50μm左右，所以铺粉厚度设置为50μm。因此，通过调控激光点距和曝光时间两个关键工艺参数，进而调控能量密度来获得较优成形质量。
研究点距、能量密度与密度关系的试验中，共计打印15个尺寸为10mm×10mm×12mm的块状样品，按3×5的阵列排列。参考316L不锈钢的标准工艺包，点距变化范围为60-80μm，以10μm为间隔；曝光时间设置为140-220μs，以20μs为间隔。
根据上述试验获得较高密度的结果，设计8个10mm×10mm×4mm的打印样品按1×8的阵列排列。其中，点距为65μm（不变）；曝光时间设置为120~190μs，以10μs为间隔。
样品采用高精度密度仪BR-120N测量打印件质量并计算密度。采用200-2000CW的砂纸研磨、经UNIPOL-1200M自动压力研磨抛光机抛光后，在热场发射扫描电镜JSM-7800F下观察试样截面的微观组织。
3 试验分析
3.1 密度分析十长生
成形件密度的大小是衡量激光增材制造成形质量、力学性能、缺陷的基本方法。成形工艺窗口较好时，成形件的密度高、缺陷少、层间结合力强、力学性能高。
3.1.1 点距对材料密度影响
如图4所示，在曝光时间相同条件下，点距对24CrNiMo成形件的密度影响明显。点距为60μm与65μm时，打印件密度明显大于点距为70μm与80μm的工艺条件。其中，点距为65μm条件下打印件密度最高。在其它工艺参数相同的条件下，密度随着点距的增加而先增加、后逐渐降低。几何上的直观解释[10，11]为：点距过小时（如图5（a）所示），熔池搭接率过大，导致熔池吸收能量过多，造成熔池的剧烈震荡，对成形件的致密度产生消极影响；如果点距较大（如图5（b）所示），激光束能量呈高斯分布，导致搭接率过小，部分粉末未熔化完全而产生孔隙缺陷，造成密度下降；如果点距过大（如图5（c）所示），会导致相邻熔池不连续，出现未搭接的情况，容易产生空穴。
图4 不同曝光时间下24CrNiMo合金件的密度曲线
图5 点距变化与熔池搭接之间的关系
3.1.2 能量密度对材料密度影响
根据公式(1)，计算获得能量密度与打印件密度之间的关系，如图6所示。可以明显看出，在相同能量密度条件下，打印件密度随着点距的增大呈现先增大后减小的规律。
图6 不同能量密度下24CrNiMo合金件的密度曲线
如图4所示，在激光点距为65μm，曝光时间150μs工艺参数下，打印件可以取得密度最大值。能量密度小于85J/cm3时（如图6所示），重叠区域能量密度不足，导致低温和低的润湿效应，粉末不完全熔化，并且由于能量密度较低，熔池存在时间短，导致部分气体可能未逸出就凝固形成了孔隙缺陷。能量密度高于100J/cm3时，熔池温度较高，熔化所产生金属液体过多，导致液体金属不稳定。其原因在于激光作用在熔池上对熔体产生冲击力，熔体表面能降低，大量小尺寸液滴飞溅出来，飞溅颗粒只受重力作用，此时表面张力趋于最小，导致了球化现象，造成孔隙球化等缺陷[12]。并且能量过高时，会给熔池造成反作用力，导致轨道展开，使得保护气体更容易进入熔池中[13，14]，产生匙孔缺陷。所以，必
须保持能量密度为92J/cm3左右，保证较高的流动性同时保证熔池达不到沸点，从而减少孔隙、球化等缺陷，提高致密度。
当能量密度较低时[7]，随着熔池内热量的降低，孔隙的运动呈拖尾状，孔隙较多且面积较大。如图7(a)所示，结果表明，当能量密度较低时，液体润湿性不好，金属液体在熔池中的流动性差，粉末熔融不完全，导致孔隙拖尾现象；如图 7(b)所示，随着能量密度增加，表面成形质量明显变好。如图 7(c)所示，随着能量密度增加，出现颗粒、匙孔等现象，毛孔呈现圆滑的边缘。
图7 不同能量密度下的微观形貌
报告与请示3.2 组织分析
如图8所示，成形件显微组织主要由白板条状的前共析铁素体（PF）[7]、灰黑粒状贝氏体（GB）、少量黑板条马氏体（LM）构成。根据亚共析钢24CrNiMo连续冷却转变曲线（CCT曲线）[15]，粒状贝氏体形成过程为：熔体快速凝固开始时，析出富碳奥氏体与铁素体，随着铁素体析出的增多，富碳奥氏体以孤岛状存在于铁素体中，即粒状贝氏体。由于SLM成形冷却速度较快，某些区域会出现马氏体。
如图9(c)，9(d)所示，在圆孔附近有碳、氧元素集聚。飞溅物的碳、氧元素含量有集聚现象，说明飞溅物和圆孔附近产生了氧化物和碳化物。
图8 试样显微组织图 （标记马氏体）
图9 孔洞EDS图
在激光选区熔化中[16]，由于粉末内部可能有氧成分分布，粉末经过一系列反应产生了氧气、二氧化碳等气体，气体残留导致孔隙缺陷。如图9(a)所示，发现以孔隙为中心产生一个球化组织，并且孔隙含碳量较高，这是由于当氧化物产生时，氧化物属于杂质，容易导致材料产生孔隙缺陷。当产生孔隙缺陷时，由于与空气接触面大，导致孔隙处温度较低，此时会吸收周边能量，由于氧化物溶解导致周边温度低，这些氧化物会成为球化形核核心，并且导致周边铁水产生浓度变化。根据最小自由能原理，碳化物最后依附在形核核心上长大成为球状组织。
4 结 论
在成形试验的基础上，对激光选区熔化体成形24CrNiMo合金制件的材料缺陷行为进行了研
究，分析了激光点距、密度、能量密度之间的内在联系，得到如下结论：
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