3D打印1.2709鋼材的微觀結構及性能

曾志偉，肖文利，朝格圖

東江模具（深圳）有限公司（廣東深圳 518107）

1 引言

三維打印技術，是一種異于傳統(tǒng)材料加工的方法[1]，根據所需部件的3D結構，設計數(shù)學模型文件，然后將金屬或塑料等材料粉體利用3D打印設備，通過逐層疊加的方式制造三維產品，這種技術又被稱為“增材制造”技術[2～5]。3D打印技術中目前國外使用SLM（選區(qū)激光融化，selective laser melting）工藝制造馬氏體時效鋼的技術已相對成熟，而國內對此材料SLM工藝制造產品性能的研究只有少量報道[6]。SLM工藝具有制作形狀復雜、相對致密高、節(jié)省材料等優(yōu)點[7～8]。同時，3D打印技術的應用越來越廣泛，公司也在積極探索其在塑膠模具上的應用。因此，本文對使用EOS M290設備打印1.2709粉末材料制備的工件進行了微觀結構和力學性能的分析和研究。

2 樣品制備

2.1 材料

本文使用的金屬粉末為EOS提供的德國進口粉末，牌號為1.2709（或MS1），粉末成分和物理性能如圖1所示。

圖1 1.2709金屬粉末物性

2.2 制樣設備

本文使用德國EOS M290型號的3D打印機進行樣品打印，3D打印機如圖2所示。

圖2 EOS M290金屬3D打印機

2.3 熱處理

3D打印出來的工件熱處理工藝：先退火，940℃，2h，快速空冷；然后490℃時效6h，空冷，硬度到52～54HRC。試驗樣品硬度實測值如表1所示。

表1 試驗樣品熱處理狀態(tài)和實測硬度

3 實驗結果與討論

3.1 密度

為了研究3D打印工件密度及其與傳統(tǒng)方法制備的鋼材密度差異性，對3D打印件進行了密度測試如圖3所示，密度測試儀器為美國AccuPyc II 1340系列全自動氣體置換法真密度儀。測試原理為：使用惰性氣體例如氦氣或氮氣通常被用作置換介質體，用氣體置換方法精確地測量樣品體積。樣品被密封在已知體積的儀器倉內，適當?shù)亩栊詺怏w填充到樣品倉內然后擴展到另一個精確測量體積的擴展倉內。通過氣體擴展前后的壓力就可計算出樣品的體積。用樣品質量除以體積就可得到氣體置換法的密度。

圖3 密度測試樣品

分別對未熱處理（直接3D打印出來）和熱處理后的樣品進行了密度測試，測試結果如表2所示。

從表2中可以看出，熱處理后密度要大于熱處理前的密度，這是因為熱處理過程中小孔隙會遷移聚集，有部分遷移至外表面或外表面附近形成通孔從而提高了表觀密度。

同時，密度測試結果與EOS給定的密度對比，其密度在給定的8.0～8.1g/cm3范圍內，屬于有效范疇。但其致密度分別為99.1%和99.6%，說明其內部還存在小部分孔隙，沒有完全致密。

3.2 顯微組織

為了研究3D打印工件內部組織形貌，分別對未熱處理和熱處理后的樣品進行了金相分析，金相照片如圖4和圖5所示。

從圖4可以看出，未熱處理3D打印件低倍下可以看到激光燒結后存在較多的小圓孔隙（圖5中黑色部分為小孔隙），不能做到100%致密（與密度測試結果呼應），同時可以看到明顯的熔合邊界。通過高倍金相照片可以看到，打印過程中因加熱和冷卻較快，粉末由熔融態(tài)快速冷卻奧氏體化然后從Ms點開始轉變?yōu)榘鍡l狀馬氏體，單個奧氏體晶粒內可有幾個不同取向馬氏體束，每一束馬氏體由多個板條馬氏體組成。

從圖5可以看出，熱處理后小孔隙通過擴散聚集變成了大孔隙（圖5中黑色區(qū)域），形狀不規(guī)則，熔合界線消失。熱處理過程中原來的馬氏體會先被奧氏體化，在升溫/保溫過程中會重新形成奧氏體晶粒，因熱處理時間充足，新形成的奧氏體較均勻，形狀為多邊形或類圓形。退火后為獲得需要硬度會以一定速率冷卻，獲得板條狀馬氏體，如高倍金相照片。

圖4 未熱處理試樣金相照片

圖5 熱處理后試樣金相照片

3.3 力學性能

為了研究3D打印工件的機械性能，分別對未熱處理和熱處理后的試樣進行了拉伸性能和壓縮性能測試，測試結果如表3所示。

表3 拉伸性能和壓縮性能測試結果

從表3中可以看出，未熱處理的3D打印試樣拉伸強度和伸長率分別為1,206MPa和7.4%，經過熱處理后其拉伸強度和伸長率分別為1,718MPa和2.2%；未熱處理的3D打印試樣壓縮屈服強度為1,282MPa，熱處理后屈服強度提高到2,196MPa。由此可得，熱處理可以明顯提高3D打印試樣的力學性能。

通過查閱ASSAB的Stavax ESR和8407鋼材物性表可以得知：50HRC時Stavax ESR拉伸強度為1,780MPa；52HRC時8407拉伸強度為1,820MPa。其與3D打印熱處理后的拉伸強度測試數(shù)據基本相當，3D打印試樣拉伸測試和壓縮測試曲線如圖6～圖9所示。

圖6 未熱處理試樣拉伸載荷-位移曲線

圖7 熱處理試樣拉伸載荷-位移曲線

圖8 未熱處理試樣壓縮載荷-位移曲線

圖9 熱處理試樣壓縮載荷-位移曲線

3.4 防腐蝕性能

分別選取了3種不同材料進行中性鹽霧實驗，比較其抗腐蝕性能，以衡量1.2709材料的防腐蝕能力。3種材料都是經過熱處理到52～54HRC硬度后進行的鹽霧測試，其實測硬度如表4所示。

表4 3種類材料硬度實測值

從測試照片圖10可以看出，3種鋼材24h后表面已腐蝕大半，48h后都已嚴重腐蝕；對比腐蝕照片可以看出3種鋼材腐蝕程度有差異，抗腐蝕能力：1.2709＞Stavax ESR＞1.2344。

4 結論

（1）直接3D打印出來的試樣密度為8.0278g/cm3，致密度99.1%，熱處理后密度提高到8.06915g/cm3，致密度99.6%，沒有完全致密，內部存在一部分孔隙。

（2）3D打印工件內部不可避免會存在一定數(shù)量小孔隙，熱處理后小孔隙會聚集成大的孔隙，不適合A0等高拋光要求產品。

圖10 3種鋼材腐蝕照片

（3）3D打印的試樣性能較好，未熱處理狀態(tài)下其拉伸強度和屈服強度分別為1,206MPa和1,130MPa，熱處理后其拉伸強度和屈服強度分別為1,718MPa和2,089MPa，熱處理可以顯著提高其力學性能。3D打印工件熱處理后與傳統(tǒng)方法制備的不銹鋼Stavax ESR、熱作鋼8407性能相當，具備良好的機械性能。

（4）3D打印試樣具有較好的抗腐蝕性能，中性鹽霧測試表明抗腐蝕能力：1.2709＞Stavax ESR＞1.2344。