高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼優(yōu)異的力學(xué)性能在關(guān)鍵部件制造方面引起了一定關(guān)注。這些零件在使用過程中會產(chǎn)生集中的應(yīng)力和應(yīng)變，不可避免地會造成各種損傷，設(shè)備停機(jī)所造成的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于再制造同一件零件的成本。因此，發(fā)展快速修復(fù)技術(shù)具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。隨著增材制造(AM)技術(shù)的發(fā)展，基于激光熔覆和快速成型技術(shù)的快速修復(fù)技術(shù)逐漸發(fā)展起來，如激光立體成型(LSF)和直接能量沉積(DED)技術(shù)。激光立體成型(LSF)技術(shù)可以快速制造和修復(fù)性能優(yōu)越的高強(qiáng)度鋼零件，但加工過程中的熱輸入難以量化，對零件的組織和力學(xué)性能有很大影響。精確控制熱輸入，探索熱輸入與組織和力學(xué)性能的關(guān)系，是提高低合金鋼零件成型效率和質(zhì)量的有效途徑。為了實(shí)現(xiàn)零件的完美修復(fù)和再制造，準(zhǔn)確地了解熱輸入與修復(fù)區(qū)和熱影響區(qū)組織和力學(xué)性能之間的關(guān)系非常重要。

南昌航空大學(xué)的研究人員采用LSF技術(shù)制造了34CrNiMo6高強(qiáng)鋼，用無量綱數(shù)反求出了LSF過程中所用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。觀察了LSF零件的微觀組織差異；研究了熱處理前后硬度、強(qiáng)度、伸長率等性能的變化；闡明了熱輸入對高強(qiáng)鋼LSF的綜合影響。相關(guān)論文以題為“Effect of dimensionless heat input during laser solid forming of high-strength steel”發(fā)表在Journal of Materials Science& Technology。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.038

本研究采用了粉末尺寸小于150μm的球形34CrNiMo6合金粉末。將粉末在真空干燥爐中烘干150℃×2h，使用變形后的34CrNiMo6合金板，尺寸為100mm、60mm、6mm，LSF前用碳化硅紙打磨表面，用丙酮清洗。

為消除實(shí)驗(yàn)中其他變量的干擾，引入無量綱熱輸入Q*。預(yù)先設(shè)計(jì)Q*值，用于計(jì)算進(jìn)行LSF實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。無量綱熱輸入(Q*)作為唯一變量，和系統(tǒng)的復(fù)雜的變量被集成到一個統(tǒng)一的評價指標(biāo)，它提供了一種測量單位面積上的能量沉積的方法。

式中P、r分別為激光功率和光束直徑。P0和r0分別為參考激光功率和光束直徑。在本文中，為了便于比較，將A組的SE設(shè)置為SE0。設(shè)計(jì)Q*A:Q*B:Q*C=1:2:3，實(shí)際Q*A:Q*B:Q*C=1:1.9:2.9。

研究發(fā)現(xiàn)熱輸入直接影響LSF高強(qiáng)度鋼頂部的組織。當(dāng)Q*=1時，高冷卻速率導(dǎo)致板條馬氏體的形成。增加熱輸入會減緩凝固速率并降低頂部的溫度梯度，導(dǎo)致不同Q*值下形成不同的微觀組織。熱輸入間接影響了底部的微觀結(jié)構(gòu)，雖然所有樣品均為回火馬氏體，但當(dāng)Q*=1時，晶粒細(xì)小均勻；在Q*=1.9時，鐵素體變粗；在Q*=2.9時，出現(xiàn)了許多棒狀碳化物。熱輸入改變了原始組織，經(jīng)過不同的熱循環(huán)后，碳化物的形貌有明顯的差異，隨著Q*的增加碳化物變得更粗。

圖1 不同熱輸入條件下LSF鋼塊的宏觀組織

(a) Q*=1；(b) Q*=1.9；(c) Q*=2.9；(d)單道沉積的尺寸 

圖2 34CrNiMo6鋼A組(Q*=1)截面圖像

(a)頂部；(b)中；(c)下；1為OM；2為SEM

圖3 34CrNiMo6鋼B組(Q*=1.9)截面圖像

(a)頂部；(b)中；(c)下；1為OM；2為SEM

圖4 34CrNiMo6鋼C組(Q*=2.9)截面圖像

(a)頂部；(b)中；(c)下；1為OM；2為SEM

圖5 不同熱輸入條件下LSF樣品的頂部和底部示意圖

(a)熔池和熱影響區(qū)；(b)熱循環(huán)曲線

熱輸入對機(jī)械性能也有一定影響。顯微硬度呈先降低后逐漸穩(wěn)定的趨勢。穩(wěn)定區(qū)硬度隨Q*值的增加而降低，最低硬度約為190 HV(Q*=2.9)。同樣，隨著Q*值的增加，LSF試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度大幅降低，最小值分別為735和604MPa(Q*=2.9)。熱輸入對熱處理有顯著影響。Q*=1樣品經(jīng)過調(diào)質(zhì)(QT)后的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度略有提高(約9%)，而Q*=2.9樣品的拉伸強(qiáng)度提高約29%，屈服強(qiáng)度提高約44%。本文為LSF技術(shù)在關(guān)鍵設(shè)備高強(qiáng)度鋼零件制造和維修中的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。