Mater.Sci.Eng.，A：選擇性激光熔覆對馬氏體時效鋼300的參數影響及其力學性能演化機制

【引言】

18Ni-300馬氏體時效鋼是一種超高強度鋼，然而選擇性激光熔覆（SLM）生產的馬氏體時效鋼的強度總是不能達到2000MPa，是因為零件內部有許多裂紋和孔隙，且與工藝參數密切相關。因此研究工藝參數對相對密度的影響機制非常重要。

眾所周知，成形質量與反映部件內部裂紋和孔隙的相對密度呈正相關。為了通過SLM實現高質量馬氏體時效鋼300工件的製造，設計了一個正交實驗來研究工藝參數（激光功率，掃描速度和掃描空間）與相對密度之間的關係，以獲得最佳條件。然後對微結構、顯微硬度、拉伸強度和衝擊韌性進行了深入的研究；另外還分別研究了溶液處理和時效處理對微觀結構和力學性能的影響。

【成果簡介】

近期，華南理工大學楊永強教授（通訊作者）研究團隊於2017年6月10日在期刊Materials Science and Engineering: A上在線發表了題為「Influence mechanism of parameters process and mechanical properties evolution mechanism of maraging steel 300 by selective laser melting」的文章。研究人員通過設計正交實驗獲得最優的工藝參數，並進行了固溶處理（ST）和固溶處理+時效處理（ST + AT）的熱處理對照組。研究表明固溶處理後多孔和微觀偏析消失，時效處理後新的小顆粒相析出。固溶處理後，顯微硬度和拉伸強度隨著伸長率的增加而下降。衝擊韌性在固溶處理後增加很小，時效處理後急劇下降。

【圖文導讀】

圖1選擇性激光熔覆機器DiMetal-100示意圖

該系統主要包括200W光纖激光器，高速和高精度的電流計掃描單元和f-θ透鏡。

圖2 18Ni-300粉末的顯微組織

該粉末採用氣體霧化法製備，近似球形且粒徑為15-45μm。

圖3正交試驗結果

激光功率為13.755W，掃描空間為3.985mm，掃描速度3.365mm/s時對相對密度影響最大。

圖4 SLM過程中的飛濺和空洞形成機制

(a) 飛濺形成原理圖；

(b) 飛濺行為；

圖5成型部件掃描空間的影響示意圖

(a) 掃描空間太小；

(b) 掃描空間太大；

圖6不同熱處理條件下SLM加工成型的馬氏體時效鋼的微觀結構

(a, b, c) SLM製成的原件以及相應微區放大圖；

(d, e, f) 固溶處理以及相應微區放大圖；

(g, h, i) 固溶處理+時效處理以及相應微區放大圖；

圖7不同熱處理後的維氏顯微硬度

不同熱處理的試樣上面的顯微硬度幾乎與側面相同，固溶處理後硬度下降。

圖8不同熱處理下試樣的應力—應變曲線

樣品經固溶處理後抗拉強度從1177.61Mpa降至1080.17Mpa，而經時效處理後又升到2163.92Mpa，固溶處理後，斷裂延伸率從7.9％提高到10.2％但時效處理後降低到2.5％。

圖9不同熱處理下拉伸試樣的斷裂形貌

(a, b, c) SLM製成的原件以及相應微區放大圖；

(d, e, f) 固溶處理以及相應微區放大圖；

(g, h, i) 固溶處理+時效處理以及相應微區放大圖；

圖10不同熱處理下18Ni-300馬氏體時效鋼的夏比衝擊試驗

結果表明原件和固溶處理後樣品的衝擊能均非常高，但固溶處理+時效處理後樣品的衝擊能顯著降低。

圖11不同熱處理下夏比衝擊試樣的斷裂形貌

(a, b) SLM製成的原件以及相應微區放大圖；

(c, d) 固溶處理以及相應微區放大圖；

(e, f) 固溶處理+時效處理以及相應微區放大圖；

【小結】

本文利用SLM製備18Ni-300馬氏體時效鋼，並研究了工藝參數對相對密度的影響機制，以及不同熱處理下微觀結構、顯微硬度和韌性的演變機制。研究發現相對密度先增加，然後隨著激光功率、掃描速度和掃描空間而減小。SLM製造的零件具有細小的晶粒組織，並且在高冷卻速率下發生明顯的微觀偏析。 ST後，馬氏體相變為奧氏體，微孔結構消失。並且由於保持時間短，破碎和球化的顆粒不會完全分解，並且仍然保持為近似球體的形式。在ST + AT之後，板條馬氏體的晶界變得非常模糊，並且再次形成微小的Ni3Mo，Fe2Mo和Ni3Ti顆粒。由於微孔結構的消失和微粒的形成，不同的熱處理下的機械性能顯著變化。室溫-ST-AT下樣品的抗拉強度從1177.61Mpa降至1080.17Mpa又升到2163.92Mpa，延伸率從7.9％提高到10.2％又降低到2.5％。

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