激光成形車用CrNiMo 合金鋼的組織及成形性能分析★

姚瑞央，張保生

（許昌職業技術學院機電與汽車工程學院，河南 許昌 461000）

0 引言

車輕量化研究是目前的一個熱門課題，對其材料性能的開發是研究的關鍵。當前，針對多主元合金開展的研究工作基本都是關于三元或更多組元的高熵合金材料[1-3]。同時考慮到三元合金的各組分調節較為簡單，能夠結合實際應用需求設計合適的合金組成，這是諸多學者重點關注的問題。

3D 打印方法在增材制造領域獲得應用推廣，促進了金屬制造技術的快速進步，為實現車輕量化用材料批量化高效制造提供了技術支持，同時也可以滿足隨形水冷的效果[4-6]。因此增材制造技術能否用于車輕量化用零件是目前研究的科學問題之一。直接激光沉積方法（DLD）與選區激光熔融方法（SLM）可以獲得理想的金屬增材加工效果，對于Inconel625 超合金、AlSi10Mg 等常規方法難以加工的合金材料加工發揮了重要的作用[7]。針對多主元合金進行增材制造時，現階段基本都是選擇面心立方結構的FeNiCrCo合金材料作為研究對象[8-11]，而很少對體心立方的多主元合金開展研究。

本文重點分析了車輕量化用合金鋼內的Cr、Mo含量，同時加入原子質量小且半徑尺寸較大的Ni，從而開發得到CrNiMo 合金，最后對此合金開展了機械力學特性表征研究。根據以上分析，采用DLD 激光增材加工方法可實現CrNiMo 試樣的原位合金化。

1 實驗方法

本實驗采用純度99.9%（質量分數）以上的Cr粉、Mo 粉、Ni 粉作為原料進行電弧熔煉處理。在WK-II 真空電弧爐內熔煉制得合金鑄錠，總共重熔6 次后使合金內各元素達到均勻分布狀態。針對粗粉和細粉依次選擇DLD 與SLM 兩種工藝進行增材加工。按照相同摩爾比將上述元素粉進行配制，再通過Turbula 混合機按照轉速為50 r/min 的條件持續混合1 h 得到混合均勻的粉末。

以SLMSoluNion125HL 打印機作為本次SLM 加工設備，同時為該設備配備了光斑直徑為65 μm 的激光器。對腔體進行打印前，先充入Ar 氣進行表面清洗，并檢測O2濃度，控制φ（O2）在0.1%以下。控制激光功率在240～320 W，保持掃描速率在500～700 mm/s，相鄰光斑的搭接間距為0.08～0.1 mm，層厚0.04 mm。

利用DiondoD2CT 系統表征了打印試樣表面微觀結構。以SmartLab9kWX 射線衍射儀表征試樣物相成分。利用電鏡附帶能譜儀對試樣元素含量進行面掃描。通過ArchimedesHTV-PHS30 硬度計測試了拋光表面處于25～600 ℃溫度區間內的硬度。

2 實驗結果

2.1 混合元素粉體的表征

圖1 給出了DLD 實驗期間的各項元素粉末的SEM形貌。從微觀形貌上分析可以發現，粉末表現為球形結構的衛星粉形態，可以確保其在加工階段保持高流動性。通過對各區域的元素含量測試發現，經混粉處理后，各元素粉都達到了均勻分布狀態。混合粉末的XRD 譜如圖2 所示，進一步展現了三種金屬的混合狀態。

圖1 混合元素粉末的SEM 像

圖2 混合粉末的XRD 譜

2.2 CrNiMo 合金的增材制造

2.2.1 打印態樣品致密度及成形適性

兩種增材制造合金試樣并未產生明顯的元素粉末峰，打印試樣屬于單相BCC 結構，因此進行DLD和SLM激光增材處理時，獲得了接近等原子比的原位合金試樣，幾乎沒有剩余單相元素粉末。

利用掃描電鏡表征SLM打印試樣的截面微觀形貌，得到如圖3 所示的圖像，可以看到此時形成了大量毫米級裂紋。還有一些裂紋從表面擴展到了基體內。對合金粉體進行SLM原位合金化處理時缺乏良好的加工適性，無法獲得致密的塊體結構。

圖3 DLD 和SLM 成形CrNiMo 合金截面形貌的SEM 像

圖4 是通過DLD 方法加工得到的CrNiMo 合金密度及其功率變化曲線。由圖4 可知，當持續提高激光功率，具體從850 W 增大至1 150 W 的過程中，試樣密度由6.8 g/cm3增大到7.5 g/cm3，到達1 340 W 時獲得7.48 g/cm3的最大密度值，并進入穩定階段。以DLD 1350W 表示密度最大試樣。圖5 是對SLM打印件密度和體能量密度測試所得的結果。由圖5 可知，在體能量密度增大的過程中，試樣密度也呈現持續上升的變化趨勢。最大密度為7.25 g/cm3，體能量密度達到166.67 J/mm3，將試樣標記成SLM167J。對圖4 進行分析還可以發現，在1 140 W 以上的激光功率下進行處理時，以DLD 工藝制備的CrNiMo 試樣密度已超過電弧熔煉試樣密度。

圖4 DLD 成形CrNiMo 合金的密度-激光功率曲線

圖5 SLM 成形CrNiMo 合金的密度-體能量密度曲線

2.2.2 打印態樣品的微觀組織

以兩種方法進行增材加工得到的CrNiMo 試樣都是屬于單相形態的BCC 固溶體。對DLD1350W 與SLM167J 試樣進行電鏡掃描與能譜測試，得到的結果如圖6 所示。從圖6 中可以看出，兩種工藝條件下都出現了元素富集的情況。圖6-1 顯示在DLD 試樣內存在殘留的Ni，圖6-2 的SLM試樣內則形成了亮度較高的半球形區域，經EDS 測試可以發現該區域存在部分Mo 富集的現象，主要是由熔融Mo 顆粒組成。同時在SLM試樣內還存在未完全熔融的Mo 粉。表1給出了CrNiMo 名義組成與通過EDS 測試得到的元素含量。其中，電弧熔煉試樣中各元素呈現非常接近的等原子比的特征。DLD 試樣內Cr 含量比名義比例更小。SLM試樣內因為Mo 粉缺乏良好的固溶性能，因此通過EDS 測試的Mo 含量偏低。

表1 成形CrNiMo 合金的主元素含量

圖6 DLD1350W 和SLM167J 樣品的SEM 像和EDS

采用DLD 和SLM 等能量束增材方法進行原位合金加工時，應將合金元素設置在熔沸點范圍內。對熔沸點差異很大的不同元素進行熔融時，受過高能量的影響將會造成低沸點元素的大量揮發。而能量過低時則會引起高熔點元素處于不能充分熔融的狀態。考慮到增材加工方式存在明顯熱應力積累現象，不同成型工藝條件也會對能量輸入造成明顯制約。相比較而言，采用DLD 方法可以實現原位合金化成分的多樣性控制。

3 結論

1）進行DLD 和SLM 激光增材時，獲得了接近等原子比的原位合金。提高DLD 激光功率，密度增大，DLD 激光功率到達1 340 W 時獲得7.48 g/cm3最大密度值。DLD 激光功率在1 140 W 以上時，制備CrNiMo試樣達到電弧熔煉程度。

2）兩種工藝條件下都出現了元素富集。在DLD試樣內存在殘留的Ni，SLM試樣內則存在部分Mo 富集現象。