預(yù)熱溫度對24CrNiMoY合金鋼組織性能影響

黃 濤, 智彤彤, 陳歲元, 周 林, 張 欣, 郭 倩

(1. 沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034;2. 東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 沈陽 110004)

0 引 言

近些年來,隨著短流程制造技術(shù)的發(fā)展,其中的激光直接沉積(DLD)技術(shù)在快速制造和快速加工方面發(fā)展更為迅速[1-2]。DLD技術(shù)在快速成形技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合了激光熔覆技術(shù),發(fā)展成為無模快速制造技術(shù)。原材料為金屬粉末,利用了高密度大功率激光束,通過金屬粉末堆積,逐層熔化,從CAD數(shù)據(jù)生成三維的實(shí)體零件[3]。相比于傳統(tǒng)的鑄造技術(shù),DLD具有加工速度快、零件復(fù)雜程度高且性能優(yōu)異、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)。然而,由于DLD屬于快速熔化、冷卻凝固的過程,在凝固過程中由于基材與沉積層之間的溫度梯度過大,造成零部件的變形開裂和產(chǎn)生氣孔夾雜等缺陷[4]。

沉積過程中過高加熱及冷卻速率、殘余應(yīng)力的演變是裂紋產(chǎn)生的主要來源。沉積層和基材之間的裂紋會(huì)導(dǎo)致材料性能下降。 因此,許多研究人員嘗試不同的方法防止沉積層界面處開裂。基體預(yù)熱是降低裂紋敏感性的方法之一[5]。預(yù)熱基體通過降低冷卻速率從而降低熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力,在沉積過程中減小基材與沉積層間的溫度梯度,減緩裂紋的產(chǎn)生。然而,預(yù)熱會(huì)對沉積層的性能和組織產(chǎn)生一定的影響。因此,要合理的選擇預(yù)熱過程和溫度,從而獲得所需的性能。

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化了激光熔覆沉積成形鈦合金工藝,后續(xù)熱處理改善了成形件微觀組織和性能;蔡春波等人通過對不同預(yù)熱溫度下激光熔覆鐵基涂層過程的數(shù)值模擬,表明了預(yù)熱溫度越高,熔覆層中心峰值溫度越高,也能有效降低熔覆層的冷卻速度。預(yù)熱溫度在20～300 ℃的范圍內(nèi),隨著預(yù)熱溫度的增加,熔覆層中貝氏體的含量逐漸增多,鐵素體和馬氏體的含量逐漸減少[5]。Farahmand等人研究發(fā)現(xiàn)了激光熔覆和感應(yīng)加熱相結(jié)合,提高了熔覆層的均勻性和表面質(zhì)量,同時(shí),細(xì)化晶粒改善組織[6]。

基于上述前人研究,可知沒有研究過利用預(yù)熱設(shè)備輔助DLD技術(shù)沉積低碳合金鋼。預(yù)熱可以減緩裂紋的產(chǎn)生,還可以對微觀組織與性能產(chǎn)生明顯影響。本研究以高速列車剎車盤的材料----24CrNiMoY合金鋼為研究對象,研究其在不同預(yù)熱溫度對沉積層在DLD工藝下組織與性能的影響。目前,在前期的研究工作中[7-9],除了主要完成對24CrNiMoY合金鋼的基本組織和性能的研究,還進(jìn)行了關(guān)于SiC增強(qiáng)Fe60合金高耐磨涂層的預(yù)熱研究[10],但關(guān)于24CrNiMoY合金鋼在不同預(yù)熱溫度下的沉積特性并未深入研究。因此,本研究通過預(yù)熱基材施加外物理場減緩基材與沉積層間的溫度梯度,從而改變合金鋼在凝固過程中的冷卻速率。最后建立預(yù)熱溫度與組織、性能之間的變化機(jī)制。而且,發(fā)現(xiàn)了24CrNiMoY合金鋼在DLD工藝下的最優(yōu)預(yù)熱溫度,一定程度上有助于改善合金鋼性能,為高性能的耐磨大型零部件的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

為了更好地在不同預(yù)熱溫度下進(jìn)行DLD的實(shí)驗(yàn)研究,選擇真空感應(yīng)熔煉氣體霧化法(VIGA)制備的粒徑在80～180 μm的24CrNiMoY合金鋼粉末,利用激光熱源將其熔化,并沉積在Q235基板上,如表1所示為24CrNiMoY合金鋼粉末的化學(xué)成分。

表1 24CrNiMoY合金鋼粉末化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 24CrNiMoY powder (mass fraction) %

1.2 實(shí)驗(yàn)工藝

如圖1所示為對基材進(jìn)行預(yù)熱打印的DLD工藝設(shè)計(jì)圖,采用了FL-Dlight 02-3000W半導(dǎo)體激光器(最大功率為3 000 W,光斑尺寸為4 mm×4 mm)和基板預(yù)熱裝置(最高預(yù)熱溫度為400 ℃)來獲得成形樣品。對基材進(jìn)行不同溫度的基板預(yù)熱,其詳細(xì)工藝參數(shù)如表2所示。利用半導(dǎo)體激光器對其進(jìn)行加工,接著在打印完成的樣品上切割所需尺寸的樣品,對其進(jìn)行組織表征和性能檢測。

圖1 DLD 24CrNiMoY工藝圖
Fig.1 Process map of DLD 24CrNiMoY

表2 24CrNiMoY合金鋼樣品工藝參數(shù)Table 2 Process of DLD 24CrNiMoY alloy steel

1.3 組織表征與性能檢測

在DLD之后,對樣品進(jìn)行垂直于激光掃描方向(表征YOZ平面)切割,進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的觀察。金相樣品的制備包括采用砂紙對樣品進(jìn)行處理、用金剛石進(jìn)行拋光并用4%的硝酸酒精(4 mL硝酸和96 mL乙醇溶液)對其進(jìn)行腐蝕10～15 s,最后采用光學(xué)顯微鏡對微觀組織進(jìn)行觀察。采用OLYMPUS-GX71光學(xué)顯微鏡(OM)、JSM-7001F場發(fā)射掃描電鏡(SEM)對樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征。

圖2 拉伸樣品尺寸Fig.2 Sketch map of tensile sample size

采用MicroMet-510顯微硬度計(jì),在200 g的載荷和10 s的載荷停留時(shí)間下,測量了各樣品的沉積層表面到基體的維氏顯微硬度。如圖2為拉伸樣品的尺寸圖,拉伸試驗(yàn)在室溫下使用AG-X100KN以0.5 mm/min進(jìn)行測量。為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行3次重復(fù)的試驗(yàn),得到了典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同預(yù)熱溫度下組織表征

圖3為DLD 24CrNiMoY合金鋼樣品不同預(yù)熱溫度下的金相組織圖,由圖可以看出,5組參數(shù)下的樣品組織主要為貝氏體。由于預(yù)熱溫度不同,樣品呈現(xiàn)出不同的組織形貌,未預(yù)熱時(shí)組織主要為板條貝氏體,此外,還含有少量粒狀貝氏體和鐵素體。預(yù)熱溫度100 ℃時(shí),組織依然以板條貝氏體居多,但粒狀貝氏體和鐵素體含量有所增加。預(yù)熱溫度150 ℃時(shí),粒狀貝氏體的含量明顯增加,當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到250 ℃時(shí),粒狀貝氏體含量為最多,超過板條貝氏體。呈現(xiàn)上述變化是由于粒狀貝氏體相變溫度較高于板條貝氏體相變溫度,隨著預(yù)熱溫度的升高,使得粒狀貝氏體的含量逐漸增加。

如圖4為不同預(yù)熱溫度樣品的掃描圖片,由此可以看出預(yù)熱溫度對沉積層組織形態(tài)有一定的影響。隨著預(yù)熱溫度的升高,沉積層組織由板條貝氏體(LB)向粒狀貝氏體(GB)轉(zhuǎn)變。如圖5所示為不同預(yù)熱溫度下沉積層組織中貝氏體含量變化統(tǒng)計(jì)圖。LB含量逐漸減少,GB含量逐漸升高。未預(yù)熱時(shí)LB含量為75.98%,GB含量為5.22%;預(yù)熱到250 ℃時(shí),LB含量減少到20.87%,GB增加到69.78%。這是歸因于預(yù)熱影響了沉積過程中組織轉(zhuǎn)變溫度,從而導(dǎo)致了貝氏體形態(tài)的變化。未預(yù)熱時(shí)樣品的沉積層組織如圖4(a)所示,該組織主要為LB。LB的板條鐵素體寬度較窄,鐵素體板條中存在大量的高密度位錯(cuò)并且強(qiáng)度較大。然而,LB中平行排列的鐵素體板條和高的位錯(cuò)密度限制了位錯(cuò)滑移,增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力,使LB鋼的塑性降低。此外,由于LB鋼板中的M-A島顆粒的排列趨于直線,容易變成裂紋擴(kuò)展路徑從而導(dǎo)致鋼的脆性降低。所以,LB的塑性、脆性較GB差[11-12]。

(a) 25 ℃; (b) 100 ℃; (c) 150 ℃; (d) 200 ℃; (e) 250 ℃圖3 不同預(yù)熱溫度金相顯微圖Fig.3 Metallographic micrograph of different preheating temperature

如圖4(e)是預(yù)熱溫度為250 ℃的顯微組織,由于預(yù)熱溫度相對較高,在凝固過程中過冷奧氏體大多變?yōu)镚B組織。GB板條特征不如LB明顯,這是由于與LB相比,GB的形成溫度較高,其中的鐵素體能夠在較高溫度下回復(fù)。由于GB中鐵素體位錯(cuò)密度低尺寸大,所以GB的強(qiáng)度明顯低于LB,但是,鐵素體近等軸狀,位錯(cuò)密度低并具有良好的塑性,而且GB中的M-A島呈無序排列,可以延緩裂紋擴(kuò)展。所以GB的塑性、低溫韌性最好[13-14]。

(a) 25 ℃; (b) 100 ℃; (c) 150 ℃; (d) 200 ℃; (e) 250 ℃圖4 不同預(yù)熱溫度掃描形貌圖Fig.4 Scanning topography of different preheating temperature

圖5 不同預(yù)熱溫度下24CrNiMoY合金鋼的組織含量統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Statistical chart of tissue content of 24CrNiMoY alloy steel under different preheating temperature

預(yù)熱溫度為150 ℃時(shí),其顯微組織為34.73%粒狀貝氏體+49.34%板條貝氏體+15.93%鐵素體的混合組織(圖4c),表明在冷卻過程中過冷奧氏體同時(shí)經(jīng)過了GB和LB兩個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū)域。由于材料組織決定著材料性能,因此,預(yù)熱150 ℃的樣品以LB和GB的最佳比例混合,既具有LB的高強(qiáng)度硬度性能,又具有GB良好的塑性韌性[15]。

如圖6所示為不同預(yù)熱溫度下沉積層各組織隨預(yù)熱溫度變化的函數(shù)擬合曲線,板條貝氏體、粒狀貝氏體、及鐵素體分別與預(yù)熱溫度的函數(shù)關(guān)系如下:

式中,f1(x)代表板條貝氏體與預(yù)熱溫度(x)之間的關(guān)系式,f2(x)是粒狀貝氏體的函數(shù),f3(x)指的是鐵素體的函數(shù)。可以看到,板條貝氏體、粒狀貝氏體和鐵素體含量和預(yù)熱溫度均是二次函數(shù)關(guān)系,其中,板條貝氏體和鐵素體隨著預(yù)熱溫度升高呈下降趨勢,粒狀貝氏體隨預(yù)熱溫度升高呈上升趨勢。板條貝氏體擬合優(yōu)度為0.984 95,粒狀貝氏體擬合優(yōu)度為0.983 85,鐵素體擬合優(yōu)度為0.965 68。

(a) GB; (b) LB; (c) PF圖6 不同預(yù)熱溫度試樣各組織擬合函數(shù)曲線圖Fig.6 Curve of fitting function for samples under different preheating temperature

2.2 顯微硬度

圖7(a)為不同預(yù)熱溫度下24CrNiMoY合金鋼沉積層自上而下的硬度分布圖,可以看出在預(yù)熱150 ℃時(shí)沉積層組織硬度分布最均勻。如圖7(b)所示為不同預(yù)熱溫度下樣品的平均硬度,可得出預(yù)熱溫度明顯影響著樣品的顯微硬度。隨著預(yù)熱溫度從25 ℃到150 ℃,沉積層的平均硬度由409.1 HV0.2升高至442.4 HV0.2,當(dāng)預(yù)熱溫度進(jìn)一步升高至250 ℃時(shí),硬度明顯降低了1 19.9 HV0.2,這是歸因于沉積層的組織形態(tài)[16]。如圖4(a)所示,在較低預(yù)熱溫度下,沉積層組織主要為板條貝氏體,具有較高的顯微硬度,而當(dāng)預(yù)熱溫度升高至250 ℃時(shí), 沉積層組織轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w,而粒狀貝氏體預(yù)示著較低的顯微硬度。由此說明,合適的預(yù)熱溫度可以明顯調(diào)控合金鋼樣品的硬度分布,進(jìn)而改善其力學(xué)性能。

(a) 硬度分布圖; (b) 平均值圖7 不同預(yù)熱溫度樣品硬度曲線圖Fig.7 The hardness curve graphs of different preheating temperatures

2.3 拉伸性能

不同預(yù)熱溫度下試樣拉伸性能測試曲線如圖8(a)所示,圖8(b)是五組樣品抗拉強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度與預(yù)熱溫度的關(guān)系圖。由圖8(b)可以看出,試樣的屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小再增加后減小的變化趨勢;試樣的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢,總體變化幅度較小。預(yù)熱150 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度最高,為1 138.11 MPa,屈服強(qiáng)度為816.46 MPa,達(dá)到拉伸性能匹配最優(yōu)化。此時(shí),樣品組織含量為GB(34.73)、LB(49.34)和PF(15.93)。LB具有高硬度、低塑性低韌性的特點(diǎn),GB具有低硬度、高塑性高韌性的特點(diǎn)。當(dāng)二者按照一定比例結(jié)合時(shí),則會(huì)呈現(xiàn)硬度、塑性和韌性的最優(yōu)組合。當(dāng)預(yù)熱溫度高于150 ℃時(shí),其樣品的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度并沒有明顯降低,預(yù)熱200 ℃時(shí)樣品的屈服強(qiáng)度甚至高于150 ℃樣品的屈服強(qiáng)度。這是由于GB有2種形態(tài),分別為GB1和GB2,其中GB2是由LB分割形成的短條狀鐵素體和富碳奧氏體組成。在一定程度上,與LB具有相似的性能,即具有較高的顯微硬度和拉伸強(qiáng)度[17]。

(a) 拉伸曲線圖; (b) 抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)圖圖8 不同預(yù)熱溫度24CrNiMoY樣品拉伸測試結(jié)果Fig.8 Tensile test results of 24CrNiMoY samples with different preheating temperature

3 結(jié) 論

使用半導(dǎo)體激光器通過送粉的方法在掃描速率為7 mm/s,激光功率為2 000 W的工藝參數(shù)下制備了未預(yù)熱、預(yù)熱100 ℃、150 ℃、200 ℃和250 ℃的不同預(yù)熱溫度的樣品,對其組織演化規(guī)律和性能進(jìn)行了研究和分析,得到了組織含量隨預(yù)熱溫度的變化規(guī)律,以及不同預(yù)熱溫度樣品力學(xué)性能變化規(guī)律。研究結(jié)論如下:

1) 預(yù)熱溫度對DLD 24CrNiMoY合金鋼樣品的顯微組織影響較大。隨著預(yù)熱溫度增加,樣品中板條貝氏體含量逐漸減少,粒狀貝氏體含量逐漸增加;在未預(yù)熱時(shí)樣品主要組織為板條貝氏體、鐵素體和少量粒狀貝氏體,到預(yù)熱溫度為250 ℃時(shí)則變?yōu)樯倭堪鍡l貝氏體、鐵素體和粒狀貝氏體。

2) DLD 24CrNiMoY合金鋼樣品中不同組織隨預(yù)熱溫度的含量變化滿足二次函數(shù)關(guān)系,并且其擬合度與實(shí)驗(yàn)符合對應(yīng)關(guān)系。

板條貝氏體與預(yù)熱溫度關(guān)系式為

f1=-5.252 74×10(-4)x2-0.096 15x+78.294 07,R2=0.984 95;

粒狀貝氏體與預(yù)熱溫度關(guān)系式為

f2=7.370 44×10(-4)x2+0.078 16x+3.281 78,R2=0.983 85;

鐵素體與預(yù)熱溫度關(guān)系式為

f3=-2.117 7×10(-4)x2+0.017 99x+18.424 15,R2=0.965 68。

擬合方程可為實(shí)驗(yàn)提供一定的理論指導(dǎo)。

3) 適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度可明顯改善DLD 24CrNiMoY合金鋼的力學(xué)性能。隨著預(yù)熱溫度的增加,樣品的硬度平均值呈先增加后減小的趨勢。預(yù)熱溫度為150 ℃時(shí)硬度值最大,平均硬度為442.4 HV0.2。根據(jù)試樣的拉伸測試可知,屈服強(qiáng)度先減小再增加后減小,試樣的抗拉強(qiáng)度先增加后減小再增加,總體變化幅度較小。其中預(yù)熱150 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度最高,為1 138.11 MPa。