高強度調質鋼優(you) 異的力學性能在關(guan) 鍵部件製造方麵引起了一定關(guan) 注。這些零件在使用過程中會(hui) 產(chan) 生集中的應力和應變，不可避免地會(hui) 造成各種損傷(shang) ，設備停機所造成的經濟損失遠遠大於(yu) 再製造同一件零件的成本。因此，發展快速修複技術具有重要的經濟意義(yi) 。隨著增材製造(AM)技術的發展，基於(yu) 激光熔覆和快速成型技術的快速修複技術逐漸發展起來，如激光立體(ti) 成型(LSF)和直接能量沉積(DED)技術。激光立體(ti) 成型(LSF)技術可以快速製造和修複性能優(you) 越的高強度鋼零件，但加工過程中的熱輸入難以量化，對零件的組織和力學性能有很大影響。精確控製熱輸入，探索熱輸入與(yu) 組織和力學性能的關(guan) 係，是提高低合金鋼零件成型效率和質量的有效途徑。為(wei) 了實現零件的完美修複和再製造，準確地了解熱輸入與(yu) 修複區和熱影響區組織和力學性能之間的關(guan) 係非常重要。

南昌航空大學的研究人員采用LSF技術製造了34CrNiMo6高強鋼，用無量綱數反求出了LSF過程中所用的實驗參數。觀察了LSF零件的微觀組織差異；研究了熱處理前後硬度、強度、伸長率等性能的變化；闡明了熱輸入對高強鋼LSF的綜合影響。相關(guan) 論文以題為(wei) “Effect of dimensionless heat input during laser solid forming of high-strength steel”發表在Journal of Materials Science& Technology。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.038

本研究采用了粉末尺寸小於(yu) 150μm的球形34CrNiMo6合金粉末。將粉末在真空幹燥爐中烘幹150℃×2h，使用變形後的34CrNiMo6合金板，尺寸為(wei) 100mm、60mm、6mm，LSF前用碳化矽紙打磨表麵，用丙酮清洗。

為(wei) 消除實驗中其他變量的幹擾，引入無量綱熱輸入Q*。預先設計Q*值，用於(yu) 計算進行LSF實驗的實驗參數。無量綱熱輸入(Q*)作為(wei) 唯一變量，和係統的複雜的變量被集成到一個(ge) 統一的評價(jia) 指標，它提供了一種測量單位麵積上的能量沉積的方法。

式中P、r分別為(wei) 激光功率和光束直徑。P0和r0分別為(wei) 參考激光功率和光束直徑。在本文中，為(wei) 了便於(yu) 比較，將A組的SE設置為(wei) SE0。設計Q*A:Q*B:Q*C=1:2:3，實際Q*A:Q*B:Q*C=1:1.9:2.9。

研究發現熱輸入直接影響LSF高強度鋼頂部的組織。當Q*=1時，高冷卻速率導致板條馬氏體(ti) 的形成。增加熱輸入會(hui) 減緩凝固速率並降低頂部的溫度梯度，導致不同Q*值下形成不同的微觀組織。熱輸入間接影響了底部的微觀結構，雖然所有樣品均為(wei) 回火馬氏體(ti) ，但當Q*=1時，晶粒細小均勻；在Q*=1.9時，鐵素體(ti) 變粗；在Q*=2.9時，出現了許多棒狀碳化物。熱輸入改變了原始組織，經過不同的熱循環後，碳化物的形貌有明顯的差異，隨著Q*的增加碳化物變得更粗。

圖1 不同熱輸入條件下LSF鋼塊的宏觀組織

(a) Q*=1；(b) Q*=1.9；(c) Q*=2.9；(d)單道沉積的尺寸

圖2 34CrNiMo6鋼A組(Q*=1)截麵圖像

(a)頂部；(b)中；(c)下；1為(wei) OM；2為(wei) SEM

圖3 34CrNiMo6鋼B組(Q*=1.9)截麵圖像

(a)頂部；(b)中；(c)下；1為(wei) OM；2為(wei) SEM

圖4 34CrNiMo6鋼C組(Q*=2.9)截麵圖像

(a)頂部；(b)中；(c)下；1為(wei) OM；2為(wei) SEM

圖5 不同熱輸入條件下LSF樣品的頂部和底部示意圖

(a)熔池和熱影響區；(b)熱循環曲線

熱輸入對機械性能也有一定影響。顯微硬度呈先降低後逐漸穩定的趨勢。穩定區硬度隨Q*值的增加而降低，最低硬度約為(wei) 190 HV(Q*=2.9)。同樣，隨著Q*值的增加，LSF試樣的抗拉強度和屈服強度大幅降低，最小值分別為(wei) 735和604MPa(Q*=2.9)。熱輸入對熱處理有顯著影響。Q*=1樣品經過調質(QT)後的拉伸強度和屈服強度略有提高(約9%)，而Q*=2.9樣品的拉伸強度提高約29%，屈服強度提高約44%。本文為(wei) LSF技術在關(guan) 鍵設備高強度鋼零件製造和維修中的應用提供了科學依據。