3D打印受電弓導向軸桿及其應用研究

馬明明，李軍，張彥林，黃學君，彭凱，王思維，張弛

1.中車株洲電力機車有限公司 湖南株洲 412001

2.國家先進軌道交通裝備創新中心 湖南株洲 412001

3.株洲國創軌道科技有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

受電弓作為軌道交通車輛受流裝置，承擔著接觸網與車載電氣設備之間的導電作用。在列車運行時，受電弓及其關鍵零部件還應具備良好的力學性能，以保證受電弓在各種復雜工況下仍能獲取持續穩定的電能。

某型號受電弓是我國復興號標準動車組及城軌車輛主力型受電弓，導向軸桿安裝于該型號受電弓彈簧盒內，與空心軸套組合，在升弓、降弓或弓頭上下起伏時引導弓頭組件上下運動，確保受電弓碳滑板與接觸網之間始終保持良好的接觸效果。在受電弓服役過程中，導向軸桿不僅與軸套之間存在滑動摩擦，還可能存在各種拉力、壓力等動載荷。目前，導向軸桿采用弧焊與機械加工的方法制造，為了達到良好的焊接性能，選用材料為奧氏體不銹鋼，屈服強度為350～400MPa，硬度為25～30HRC。但是，軸套內滾珠的材料為馬氏體耐磨材料，硬度約為55HRC，在受電弓服役過程中，導向軸桿表面極易出現磨損失效現象。同時，在復雜工況下，導向軸桿還易出現變形彎曲甚至焊縫開裂等各種失效現象，嚴重影響了受電弓的穩定性。如果將奧氏體不銹鋼改為力學性能較好的模具鋼材料，則在焊接過程中，模具鋼較差的焊接性又限制了導向軸桿的成形制造[1，2]。因此，尋求新材料與新工藝，提升導向軸桿整體性能是解決上述零件失效的根本方法。

激光選區熔化（Selective Laser Melting， SLM）是一種高性能金屬零部件成形技術，是目前應用面最廣、成形結構最復雜、適應材料較廣泛的一種3D打印技術[3，4]。首先，能成形的材料有奧氏體不銹鋼、模具鋼、鈦合金、鋁合金及鎳基高溫合金等，材料適應性較廣泛。其次，成形零部件尺寸精度可達±（0.1～0.2）mm。對于成形性能而言，由于合金在微熔池形態下的快速凝固過程，所以成形零部件一般具有均勻的組織結構以及較少的偏析或其他冶金缺陷，其力學性能可超過鑄件水平，部分材料成形后可超過鍛件水平。因此，采用SLM技術一體化成形導向軸桿，并選取耐磨性較好的馬氏體不銹鋼，不僅可避免出現焊縫開裂失效現象，還能提升導向軸桿的耐磨性能與機械強度，這是因為：①SLM技術一體化成形原理從根本上避免了焊縫和螺栓聯接部位的出現。②SLM技術特殊的熱加工工藝能一體成形馬氏體不銹鋼，可顯著提升導向軸桿表面硬度。③SLM成形過程屬于合金在微熔池形態下的快速凝固過程，成形組織晶粒細小，晶界偏析較小。由于晶界對裂紋尖端塑性區域大小的限制和對位錯運動的阻礙作用，所以晶粒細化還可從根本上抑制裂紋的產生，提升了零件的靜強度和疲勞強度[5-7]。

綜上所述，采用SLM技術成形馬氏體不銹鋼導向軸桿是避免其服役失效的最佳方法。

2 試驗準備

2.1 試驗設備與材料

本試驗采用EOS M290增材制造系統成形檢測試樣和導向軸桿樣件，成形材料為4Cr13馬氏體不銹鋼粉末，粉末粒徑為20～45μm，化學成分見表1。

表1 4Cr13不銹鋼粉末化學成分（質量分數）（%）

2.2 試驗方法

SLM成形過程中，每層熔覆層的激光掃描路徑按照光柵掃描方式進行，而相鄰兩層熔覆層的掃描方向變換67°（見圖1），這種掃描方式已普遍應用于SLM成形過程中，試驗用SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼工藝參數見表2。

圖1 SLM成形掃描相位變化示意

表2 試驗用SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼工藝參數

對SLM成形后的樣品進行組織結構與主要力學性能測試分析。首先按照ASTM E3—2011《金相試樣制備標準指南（中文版）》制取金相試樣，并用王水進行腐蝕，腐蝕后的試樣采用金相顯微鏡觀察成形件橫截面與縱截面微觀組織結構。

根據GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，使用洛氏硬度計對拋光后的試樣進行硬度測試。對于每個參數所成形樣品，在同一截面沿同一方向測試10個點，每個點的間距為10mm，求取平均值作為該樣品的最終顯微硬度值。根據ISO 6892-1：2009《金屬材料 抗拉試驗 第1部分：室溫下的試驗方法》設計拉伸試樣尺寸，并采用與導向軸桿相同工藝參數成形拉伸性能測試。拉伸試樣成形后，用砂紙對試樣標距部分進行適當打磨，以減少測試誤差。使用萬能材料試驗機進行拉伸性能測試，測量相同工藝參數下3件拉伸試樣并取平均值作為最終拉伸性能值。

3 試驗結果與討論

3.1 導向軸桿結構優化與仿真

針對導向軸桿結構進行了重新優化設計，優化后的導向軸桿為一體式結構，如圖2a所示，即將原有的焊接結構合并為一體結構，并將導桿部分掏空，導桿壁厚為3mm，如圖2b所示。

圖2 導向軸桿結構優化模型

為了驗證中空結構導向軸桿性能的可靠性，在試驗之前，采用模擬仿真的方法對優化后的結構進行應力仿真，并在一定載荷下得出變形量大小。以某受電弓四滑板弓頭為分析對象，弓頭組裝質量21kg，每個彈簧筒承受的弓頭重力約為53N，導桿拉出位移為300mm，最大接觸力300N。假定弓頭的一根滑板承受接觸力，且接觸力引起的彈簧筒的最大支撐力約為192N。接觸網與滑板摩擦系數為0.15，摩擦力約為30N。弓頭出現縱向3g沖擊載荷時，縱向沖擊力為630N，每個彈簧筒承受的縱向沖擊力為158N。

在上述邊界條件下，圖3給出了一體式中空結構導向軸桿仿真結果，包含最大應力值和橫向變形量。

圖3 一體式中空結構導向軸桿應力與變形仿真結果

由圖3可看出，一體式中空結構導向軸桿最大應力為41.4MPa，最大橫向變形量為0.14mm，二者均達到了設計要求值。作為對比，在相同邊界條件下，對傳統分體式焊接結構導向軸桿進行了應力與橫向變形量仿真，其結果如圖4所示。由圖4可看出，在相同條件下，導向軸桿的最大應力達到了233.3MPa，最大橫向變形量達到了1.64mm。

圖4 分體式焊接結構導向軸桿應力與變形仿真結果

從以上仿真結果看出，在同等工況下，一體式中空結構導向軸桿應力和橫向變形均比分體式焊接結構導向軸桿的應力和橫向變形小。尤其是一體式中空結構導向軸桿的質量比分體式焊接結構導向軸桿（帶套筒）的質量輕25%。從計算結果可知，采用一體式中空結構的導向軸桿，不僅性能可達到設計要求，質量還能減輕25%，因此該結構可以采用3D打印技術一體化成形制造。

3.2 3D打印導向軸桿及后處理

3D打印4Cr13馬氏體不銹鋼導向軸桿如圖5所示。在將零件從打印設備取出后，需對打印零件進行去應力退火處理和去支撐處理。在去掉支撐后，再對零件進行后續表面拋光處理與外螺紋加工。在非裝配面，無需進行機加工，保持打印后的表面狀態即可。

圖5 3D打印4Cr13馬氏體不銹鋼導向軸桿

3.3 組織結構分析

SLM成形零件之所以性能優異，尤其是在成形態與熱處理態下的主要力學性能達到鍛件水平，這主要是由成形過程中的高冷卻速率（104～106K/s）下形成的組織結構均勻、晶粒尺寸細小所致。為此，對SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼的微觀組織進行分析，其樣品縱截面放大500倍后光學顯微組織形貌如圖6所示。

圖6 SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼光學顯微組織形貌（500×）

由圖6可看出，微觀組織無明顯氣孔、未熔合等缺陷，這表明在SLM成形過程中的工藝參數選擇適當，激光束能量可將粉末完全充分熔化，并使其發生相變。同時，組織結構呈現分層現象，這是由不同熔覆層之間的重熔現象導致的。

圖7進一步給出了放大1000倍的SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼光學顯微組織形貌。由圖7可看出明顯的晶粒，且晶粒生長方向沒有出現明顯的定向性，也就是說沒有出現明顯的織構現象，這對于材料力學性能的各向同性有益。同時，由圖7中可以大致判斷出，SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼的晶粒尺寸為20～50μm，且沒有明顯的突變，晶粒尺寸大小均勻。晶粒尺寸細小的主要原因仍然是在SLM成形過程中，由較高的冷卻速率所致。

圖7 SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼光學顯微組織形貌（1000×）

馬氏體不銹鋼力學性能的顯著特點是高強度與高硬度，主要原因包括固溶強化與相變強化。在馬氏體的晶體結構中，碳原子處于晶格的扁八面體間隙中，造成晶格畸變并形成一個應力場。該應力場與位錯發生強烈的交互作用，從而提高馬氏體的強度，即固溶強化。另外，馬氏體的形態在發生轉變時，晶體內能造成密度很高的晶格缺陷，這種高密度的位錯能阻礙位錯運動，從而使馬氏體強化，即相變強化機制。除了上述兩種固有的強化機制外，在SLM成形過程中，熔池在熔化凝固過程中，冷卻速率高達104～106K/s數量級，較高的冷卻速率形成了細小的馬氏體結構，細小的馬氏體相的界面有阻礙位錯運動的作用，從而提高了馬氏體的強度，即晶粒細化強化機制[5-7]。

SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼電子顯微組織結構如圖8所示。由圖8可看出，馬氏體的形態主要表現為板條狀，而板條狀馬氏體不僅具有較高的強度，同時還具有較好的韌性。

圖8 SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼電子顯微組織結構

3.4 主要性能分析

根據上述組織結構分析，在SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼過程中，合金的強化機制包括固溶強化、相變強化與晶粒細化強化，由此可大幅提升4Cr13馬氏體不銹鋼的力學性能。SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼拉伸性能測試結果見表3。

表3 SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼拉伸性能測試結果

由表3可看出，無論是水平拉伸還是垂直拉伸，抗拉強度值均高于鍛件標準值。尤其是水平拉伸方向的抗拉強度，最高值要比鍛件標準值高約1000MPa。這說明三種機制的強化效應，使SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼的力學性能大幅提升。

然而，對于軸桿類零件使用4Cr13馬氏體不銹鋼，其耐磨性能是重要的力學性能指標。SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼表面硬度測試值見表4。

SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼鹽霧試驗結果見表5。鹽霧試驗方法采用的是中性鹽霧試驗，拋光面pH值為6.5～7.0。

表5 SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼鹽霧試驗結果

由表5的測試結果可看出，在鹽霧試驗測試時間分別為24h和72h后，試樣表面沒有出現任何腐蝕現象，腐蝕評級為最高的10級。在經過鹽霧試驗144h后，出現四點點狀紅銹，并在168h時未見擴展，因此上述試驗結果滿足材料的裝車使用要求。

3.5 裝車考核

SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼導向軸桿在車輛段試裝如圖9所示。通過現場組裝測試，SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼導向軸桿的尺寸精度完全滿足該型號受電弓裝備需求。受電弓組裝完成后在某地鐵車輛段列車進行運行裝車考核，考核時間為6個月。

圖9 SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼導向軸桿在車輛段試裝

在列車運行6個月后，進行受電弓導向軸桿的拆裝檢測。SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼導向軸桿裝車3萬km后拆卸狀態檢測形貌如圖10所示。通過目測可知，采用SLM技術制造4Cr13馬氏體空心導向軸桿表面沒有出現任何磨痕、彎曲、修飾等失效現象，考核結果證明采用該工藝成形導向軸桿，可有效解決導向軸桿表面不耐磨、彎曲等慣性失效難題，有效提升了導向軸桿使用壽命和受電弓的性能穩定性。

圖10 SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼軸桿裝車3萬km后拆卸狀態檢測形貌

4 結束語

針對某型號受電弓導向軸桿容易出現磨痕及變形等慣性失效難題，采用SLM技術一體化成形4Cr13馬氏體不銹鋼導向軸桿及性能測試樣件。結果顯示，采用SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼導向軸桿微觀組織形貌表現為板條狀馬氏體，通過固溶強化、相變強化及晶粒細化強化，提升了SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼導向軸桿的力學性能和表面硬度。尤其是通過SLM技術的工藝精準調控特性，可使導向軸桿表面洛氏硬度分布在45～46HRC之間。導向軸桿的裝車考核結果證明，采用SLM成形的4Cr13馬氏體導向軸桿在裝車運行6個月后，沒有出現任何磨痕、彎曲變形、修飾等失效現象，導向軸桿的使用壽命大大提升，受電弓的穩定性也大幅提升。