不同熱處理制度下激光增材制造12CrNi2鋼組織研究

李福泉，孟祥旭，章碧成，馮 時

(先進焊接與連接國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱 150001)

激光增材制造技術是一種兼顧精確成形和高性能需求的一體化制造技術[1]，通常以合金粉末或絲材為原料，通過高功率的激光原位冶金熔化/快速凝固逐層堆積制造[2].鈦合金的激光增材制造研究起步較早，成熟度也相對較高.而高強合金鋼作為國民經濟領域普遍采用的工業材料，因其合金化程度高，凝固和固態相變過程復雜，其增材制造工藝成熟度還遠未達到鈦合金的制造水平.激光增材制造合金鋼可能存在由合金碳化物、殘余奧氏體和馬氏體等多相組織導致的組織應力，同時可能存在由于制造過程高溫度梯度導致的較大熱應力，這兩類應力的存在極易導致構件出現變形和開裂等現象，因而需要通過熱處理來改善組織，優化性能.

有關學者在對激光增材制造17-4PH不銹鋼[3-6]、316L不銹鋼[7-8]、HY100高強鋼[9]和1Cr12Ni2WMoVNb馬氏體不銹鋼[10]等的研究中均發現了層帶結構，沉積層層間為致密的冶金結合.激光增材制造是一個不斷熔化沉積的過程，后道激光沉積會對前道激光沉積層存在熱處理作用，從而導致激光增材制造鋼微觀結構的不均勻性[10].此外，研究還表明激光增材制造鋼的力學性能存在各向異性，而通過熱處理可以消除層帶結構，均勻組織，減小各向異性，改善性能[10-12].目前針對12CrNi2合金鋼的研究較少，中科院的董志宏[13]等人研究發現低O含量的12CrNi2合金鋼粉末成型性好，可以抑制孔洞及氧化物夾雜的形成.東北大學的陳歲元[14]等人研究發現優化掃描速度可以使12CrNi2Re合金鋼得到細小的粒狀貝氏體組織，具有良好的綜合力學性能.

目前，作為核電裝備承載動力傳輸的核心金屬構件，12CrNi2合金鋼核電應急柴油機凸輪軸采用鍛造制備.相較而言，采用激光增材制造技術制備12CrNi2合金鋼核電應急柴油機凸輪軸可以明顯降低產品研發周期，優化產品結構.本文基于12CrNi2合金鋼的激光增材制造技術，探究了激光增材制造12CrNi2合金鋼組織性能及熱處理對其組織和力學性能的影響，以期為激光增材制造12CrNi2合金鋼構件的應用提供實驗支持.

1 實 驗

實驗采用惰性氣體(氮氣)霧化制備的12CrNi2鋼粉，形貌如圖1所示，為大小不一的圓形顆粒，大粉末顆粒上粘有小粉末顆粒，粉末粒徑在58～180 μm，實測流動性為19.0～20.5 s/50 g.合金鋼粉末化學成分見表1.

實驗前用砂紙打磨基材以去除表面的氧化膜，而后用丙酮清洗表面油污.激光增材制造實驗在laserline半導體激光增材制造系統上進行，采用激光直接沉積的方式進行，整個制備過程在氬氣氛圍下進行.試樣制備過程的工藝參數為：激光功率900 W，掃描速度600 mm/min，送粉速率6.7 g/min，光斑直徑2 mm，搭接率50%.在此參數下得到的試樣塊如圖2所示.

圖1 12CrNi2合金鋼粉末SEM照片Fig.1 SEM image of the 12CrNi2 alloy steel powder

表1 12CrNi2合金鋼粉末化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical compositions of 12CrNi2 alloy steel powder (wt.%)

圖2 激光增材制造12CrNi2合金鋼Fig.2 Laser additive manufactured 12CrNi2 alloy steel

激光增材制造加工后，使用電火花切割將12CrNi2鋼試樣與基板分離，然后將試樣切割成15 mm×15 mm×4 mm的小試樣塊和拉伸試樣進行熱處理，在水平方向取拉伸試樣進行拉伸試驗，拉伸試樣尺寸如圖3所示，熱處理工藝見表2.

圖3 拉伸試樣示意圖Fig.3 Schematic of tensile sample

金相試樣經預磨拋光后采用4%HNO3酒精溶液對金相試樣進行10～20 s的腐蝕，而后采用VHX-1000E超景深光學顯微鏡、GX71倒置式光學顯微鏡和Merlin Compact掃描電子顯微鏡進行組織分析.使用達芬奇D8 ADVANCE型射線衍射儀對沉積態試樣進行測試.采用HXD-1000TM型維氏硬度計進行顯微硬度的測試，載荷200 g，加載時間10 s.利用Instron-5569電子萬能材料試驗機進行拉伸性能測試，加載速度0.5 mm/min，而后用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌.

表2 激光增材制造12CrNi2合金鋼試樣熱處理工藝Table 2 Heat treatment process of laser additive manufactured 12CrNi2 alloy steel

2 結果與分析

2.1 沉積態組織

激光增材制造12CrNi2合金鋼XRD譜如圖4所示，可以看到，沉積態鋼主要由鐵素體組成，無奧氏體和其他碳化物.由于XRD結果僅能測出組成占比5%以上的物相，因而具體的物相分析還需要進一步的實驗分析確定.

沉積態鋼中下部宏觀組織形貌(縱截面)如圖5(a)所示，沿垂直于掃描方向存在明顯的帶狀特征，層間為致密的冶金結合.各激光沉積層均呈現由底部指向中心的柱狀晶形貌，柱狀晶內部由大量的細晶鐵素體和塊狀鐵素體組成，如圖5(b)所示.由于后道激光沉積層的熱處理作用，在上下兩個沉積層間發現了鐵素體均勻化區域，無柱狀晶形貌， 由大量的細晶鐵素體組成， 見圖5(c).

圖4 激光增材制造12CrNi2合金鋼XRD譜圖Fig.4 XRD pattren of as-deposited additive manufactured 12CrNi2 alloy steel

圖5 激光增材制造12CrNi2合金鋼沉積態試樣宏觀組織Fig.5 Macrostructure of as-deposited laser additive manufactured 12CrNi2 alloy steel: (a) marostructure at the bottom and center of the sample; (b) columnar morphology at the bottom and center of the sample; (c) fine ferrite between layers of the deposit; (d) fine ferrite region at the top of the sample; (e) fine ferrite at the top of the sample; and (f) columnar morphology at the top of the sample

由圖5(d)可以發現，試樣中上部存在無明顯柱狀晶區域.高倍下觀察，發現該區域均由細晶鐵素體組成，鐵素體塊大小十分均勻，如圖5(e)所示.而在試樣頂部區域，如圖5(f)所示，同樣發現了典型的柱狀晶形貌和帶狀特征，沉積層間的回火區十分明顯.上述組織形態分布的形成是由于在激光沉積過程中，試樣的中下部與基板相連，散熱較快，溫度梯度大，形成了明顯的帶狀特征與柱狀晶形貌.而在試樣中上部，散熱較慢，受熱均勻，溫度梯度小，加上下一道激光沉積層對其的熱處理作用，沒有明顯的帶狀特征及柱狀晶形貌.在試樣的頂部，與保護氣體氬氣直接接觸，對流散熱快，且沒有下一道激光沉積層的熱處理作用，形成了典型的柱狀晶形貌.

2.2 熱處理態組織

由于馬氏體和鐵素體的X射線衍射峰十分接近，通過X射線衍射實驗很難對其加以區分，本文主要通過熱處理態的組織形貌對組織進行分辨及討論.沉積態試樣經退火處理后，仍由鐵素體組成，且鐵素體形貌變化不大，試樣依然存在帶狀特征和柱狀晶形貌.在掃描電鏡下觀察，在鐵素體邊界發現了細小顆粒狀的白色析出物，如圖6(a)所示，相關文獻研究表明其可能為(Cr、Fe)23C6[15].

淬火態、低溫回火和高溫回火態試樣帶狀特征消失，柱狀晶轉變為等軸晶，宏觀形貌如圖6(b)所示.淬火態試樣由細小致密的板條狀馬氏體和部分未溶的鐵素體組成(圖6(c))，高溫回火態試樣馬氏體發生了回復和多邊化，板條束逐漸分解，在原馬氏體邊界及內部析出了大量碳化物(圖6(e))，而低溫回火態試樣馬氏體板條束變化不明顯，僅在晶界和晶粒內部析出了少量碳化物(圖6(d)).

固溶態試樣的帶狀特征及柱狀晶形貌得到消除，柱狀晶轉變為等軸晶，但是與淬火態、低溫回火和高溫回火態試樣相比， 晶粒發生了粗化，如圖6(f)所示.

圖6 激光增材制造12CrNi2合金鋼熱處理試樣宏微觀組織Fig.6 Macrostructure and microstructure of heat treated laser additive manufactured 12CrNi2 alloy steel: (a) microstructure of annealing state sample; (b) macrostructure of quenched state sample; (c) microstructure of quenched state sample; (d) microstructure of low temperature tempering state sample; (e) microstructure of high temperature tempering state sample; and (f) OM of solution state sample

2.3 熱處理對拉伸性能的影響

激光增材制造12CrNi2合金鋼熱處理前后的拉伸性能如圖7所示.圖7結果表明，與沉積態相比，退火后試樣的拉伸強度有所下降，但延伸率提高了49.87%.在退火條件下，鐵素體邊界析出了大量碳化物，鐵素體含碳量降低，如圖6(a)所示，而晶界析出強化對強度的補償作用遠低于固溶強化作用的削弱，同時退火后殘余應力大幅度降低，兩者的綜合作用導致強度的降低和延伸率的顯著提高.淬火、低溫回火和高溫回火熱處理消除了帶狀特征，得到馬氏體及其回火組織，試樣的強度顯著提高，抗拉強度最高達到了1 221 MPa， 與沉積態相比提高了46.94%.淬火得到的板條馬氏體由于C原子的固溶強化、相轉變產生的位錯亞結構強化以及馬氏體自回火引起的時效強化導致試樣的高強度.將淬火、低溫回火和高溫回火態試樣的拉伸性能進行對比，發現回火溫度越高，強度越低.這是由于回火溫度越高，在原馬氏體邊界析出的碳化物越多，如圖6(d)、(e)所示，得到的回火類馬氏體含碳量越低，C原子的固溶強化效應越弱，同時得益于殘余應力的釋放，試樣表現出強度降低，塑性提高.雖然碳化物的析出，有一定的彌散強化效果，但其影響小于固溶強化作用的減弱.而固溶態試樣可能由于高溫下保溫時間長，導致晶粒粗化和材料嚴重氧化脫碳，強度反而有所下降.

圖7 激光增材制造12CrNi2合金鋼熱處理前后拉伸性能Fig.7 Tensile properties of as-deposited and heat treated laser additive manufactured 12CrNi2 alloy steel

圖8為沉積態拉伸試樣斷口的宏觀和微觀形貌，可以發現，斷口均由中心的纖維狀區和四周的剪切唇區組成，斷口截面與拉伸軸線呈約45°.纖維狀區無金屬光澤，凹凸不平，剪切唇表面光亮.觀察斷口的微觀形貌，發現其由兩種韌窩組成，一種是纖維狀區受正應力拉斷的等軸韌窩，另一種是剪切唇區受切應力剪斷的剪切韌窩.這說明試樣在斷裂過程中受拉應力先在中心形成韌窩，韌窩聚集成裂紋，之后裂紋匯集更多的韌窩逐步形成纖維狀區，裂紋擴展至近表面時，三向拉應力轉變為平面應力狀態，這時裂紋沿最大切應力方向擴展，最大切應力與外加載荷呈45°，于是形成沿45°方向的斜斷口，即剪切唇區.

圖9為熱處理態試樣斷口的微觀形貌，可以看到，熱處理試樣的斷口形貌與沉積態一致，均由大量的韌窩組成.在高倍下進行觀察，發現退火態試樣的等軸韌窩較沉積態深，這與拉伸性能中退火態延伸率高于沉積態一致；而其余熱處理態試樣等軸韌窩較淺，其延伸率均低于沉積態和退火態.

圖8 激光增材制造12CrNi2合金鋼沉積態試樣斷口形貌Fig.8 Fracture surface morphology of as-deposited laser additive manufactured 12CrNi2 alloy steel sample: (a) macroscopic morphology; (b) center equiaxed dimple; and (c) surrounding shear dimple

3 結 論

1)激光增材制造12CrNi2合金鋼存在帶狀特征和柱狀晶形貌，沉積態組織由大量鐵素體組成，由于散熱條件的差異和激光沉積層的熱處理作用，試樣不同位置鐵素體形貌存在差異.試樣中下部及頂部柱狀晶形貌和帶狀特征比較明顯，中上部則無明顯的帶狀特征和柱狀晶形貌.

2)在退火態試樣鐵素體邊界發現白色粒狀析出物，淬火、低溫回火和高溫回火態試樣帶狀特征和柱狀晶形貌消失，得到相應的馬氏體及其回火組織，500 ℃回火時在原馬氏體邊界析出了大量碳化物.而固溶態試樣由于在高溫下保溫時間長，晶粒發生粗化.

3)退火態試樣強度較沉積態有所下降，但延伸率提高了49.87%.淬火、低溫回火和高溫回火態試樣強度逐漸降低，但比沉積態試樣強度增加，淬火態試樣強度比沉積態提高了46.94%.熱處理前后試樣均屬于韌性斷裂，斷口形貌由中心的等軸韌窩和四周的剪切韌窩組成，不同熱處理狀態試樣韌窩深淺不一.

圖9 激光增材制造12CrNi2合金鋼熱處理前后試樣等軸韌窩形貌.Fig.9 Equiaxed dimple as-deposited and heat treated laser additive manufactured 12CrNi2 alloy steel sample: (a) as-deposited state; (b) annealing state; (c) quenched state; (d) low temperature tempering state; (e) high temperature tempering state; and (f) solution state