1 引言

激光增材制造(LAM)是以激光为热源,逐层熔化材料粉末或丝材直接制备出复杂形状零件的快速成形技术^[1-6]。目前,Ti合金^[7-8]、Al合金^[9-10]、Ni基合金^[11-12]、不锈钢^[13-14]等材料的LAM成形已广泛报道,其成形构件在航空航天、医疗器械等领域具有巨大的应用潜力。

由于LAM成形为快速加热和冷却的非平衡冶金过程,伴随复杂的对流、传热和热辐射现象,易使成形合金出现组织不均匀特征,对其力学性能产生不利影响。因此,很多研究者开展了LAM成形合金显微组织的后处理调控研究。例如,Liu等^[15]对LAM成形AISI431钢进行固溶处理,消除了熔覆层间不均匀组织,明显改善了成形钢件的抗拉强度。Wang等^[16]通过对LAM成形1Cr12Ni2WMoVNb合金进行固溶处理,消除了熔覆层间热影响区组织和枝晶间碳化物,使得成形合金的强度和延伸率进一步提高。Vrancken等^[17]通过对LAM成形 Ti6Al4V进行均匀化退火使其延伸率提高74%。可见,通过合理的、有针对性的后处理可有效改善LAM成形构件的力学性能。

本文主要针对LAM成形12CrNi2合金钢进行热处理研究。12CrNi2合金钢锻件常用于制造发动机凸轮轴。该轴心部主要由贝氏体组织组成,具有理想的综合力学性能。但由于结构较复杂,凸轮轴的制造周期长,良品率较低。众所周知,LAM技术在成形复杂零件方面拥有传统制造技术不具备的优势,用此技术制备复杂合金钢构件具有巨大潜力。我们前期研究工作采用同步送粉式LAM技术成形了12CrNi2合金钢^[18-19],但成形组织主要为铁素体和少量奥氏体,虽然塑性较好,但强度较低。为了改善其力学性能,需进行适当热处理。作为锻件凸轮轴的服役组织,贝氏体的良好综合力学性能与其具有的片状贝氏体铁素体和薄膜状奥氏体构成的多界面结构有关,使其在低、中碳合金钢中较为常见^[20-23]。同时,这种片层状组织对处理温度和时间极为敏感。为此,本文对LAM成形12CrNi2合金钢进行不同工艺等温淬火处理,获得不同形态贝氏体组织,通过研究贝氏体组织形貌特征随等温淬火工艺的演化规律及其对LAM成形合金钢力学性能的影响,以期为高性能LAM合金钢材料的制备提供实验和理论依据。

2 实验方法

采用气体雾化法制备12CrNi2合金钢粉末,其化学成分(质量分数,%)为C 0.12,Cr 0.85,Ni 1.83,O 0.035,Mn 0.46,Si 0.24,其余为Fe。粉末表面形貌见图1。大多数颗粒呈球形,平均颗粒尺寸为96 μm。采用Laserline LDF 3000-60型LAM系统(包括半导体激光器、数控工作台、送粉系统等)在304不锈钢基板上进行12CrNi2合金钢的增材制造成形,相关激光成形参数如下:功率为900 W,扫描速度为600 mm/min,同步送粉速率为6.7 g/min,光斑直径为2 mm,搭接率为50%,沉积层厚度为0.5 mm,保护气体流量为12 L/min,采用延长边S型往复式扫描路径。合金钢最终成形是长×宽×高为100 mm×30 mm×20 mm的长方体。利用线切割方式将成形12CrNi2合金钢件切割成尺寸为5 mm×5 mm×8 mm的试验试样,用于后续组织表征和后处理。

图 1. 12CrNi2合金钢粉末颗粒的表面形貌

Fig. 1. Surface morphology of 12CrNi2 alloy steel powder

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根据铁-碳相图,等温淬火前,需将合金钢先加热至奥氏体单相区。利用STA 449C型差示扫描量热仪测试成形件差示扫描量热法(DSC)曲线,测试温度范围为室温-1000 ℃,升温速率为15 ℃/min。通过分析相变潜热变化确定LAM成形12CrNi2合金钢的Ac₃温度在826 ℃附近。为确保成形合金钢完全奥氏体化,等温淬火选择860 ℃保温,具体工艺如图2所示。合金钢先以50 ℃/min的速率升温至860 ℃,保温0.5 h后,取出空冷5 s以降低到中温转变区,再分别淬入200~400 ℃的熔盐中保温5~20 s,而后取出空冷至室温。

图 2. LAM 12CrNi2合金钢热处理工艺示意图

Fig. 2. Heat treatment procedure for the LAM 12CrNi2 alloy steel

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从切取的试样中选择垂直于激光扫描方向的截面进行研磨、抛光,然后先用4%的硝酸乙醇溶液预腐蚀10 s,再用Lepera试剂(10 g/L偏重亚硫酸钠水溶液与40 g/L苦味酸乙醇溶液按1∶1比例混合)室温腐蚀显示沉积态组织。等温淬火后的合金钢组织用4%硝酸乙醇室温刻蚀。用光学显微镜(OM)、Philips XL-30FEG型扫描电子显微镜(SEM)对刻蚀的显微组织和形貌特征进行观测。采用电火花线切割技术将热处理后试样切成0.5 mm厚的薄片,再机械磨至50 μm以下,用装有10%高氯酸乙醇溶液的Tenupol-5双喷电解装置制备TEM样品,温度为-25 ℃,电压设为20 V。最后用JEOL 2100F型透射电子显微镜(TEM)对其进行微观分析。

沿激光扫描方向从成形合金钢件切取拉伸试样,形状与尺寸如图3所示,沉积态及热处理后合金钢的拉伸实验在INSTRON 5982型电子万能试验机上进行,应变速率设定为10^-3 s^-1,所有测试试样取自沉积试样块材中心部,每种热处理方法下选取3个平行试样进行测试,断口形貌经SEM分析。

图 3. 拉伸试样示意图

Fig. 3. Schematic of tensile sample

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3 实验结果与讨论

3.1 LAM 12CrNi2合金钢显微组织

激光增材制造12CrNi2合金钢显微组织不均匀,沉积层边界清晰可见,如图4(a)所示。图4(b)为沉积层边界及附近组织的高倍像,可以发现,沉积层内组织较细小,且白亮组织生长方向趋向于垂直于熔池边界[图4(b)中白色箭头],而边界区域的组织相对较粗大,这主要与后续沉积的热影响^[24]导致组织进一步长大有关。根据先前的工作^[18],LAM 12CrNi2合金钢经Lepera刻蚀获得的彩色金相照片中,铁素体呈淡黄色,呈一定方向排列的奥氏体呈白亮块状[图4(b)],后者在SEM放大图[图4(b)插图]中以白色块状呈现。

图 4. LAM 12CrNi2合金钢件沉积层显微组织。(a)低倍显微组织OM照片;(b)插有高倍SEM像的显微组织放大OM照片

Fig. 4. Microstructure of the as-deposited LAM 12CrNi2 alloy steel. (a) Low magnification of OM image; (b) magnified OM image inserted with high-magnification SEM image

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3.2 等温淬火对LAM 12CrNi2合金钢显微组织的影响

对LAM 12CrNi2合金钢进行不同工艺等温淬火处理,发现沉积态合金钢组织不均匀性得到消除,同时组织由沉积态的铁素体和奥氏体转变为不同形态的贝氏体组织。图5给出了LAM 12CrNi2合金钢的等温淬火组织随等温温度与时间的演化。其演化规律可描述如下。

图 5. 200~400 ℃等温淬火保温不同时间后LAM 12CrNi2合金钢显微组织

Fig. 5. Microstructure of LAM 12CrNi2 alloy steel after isothermal quenching at 200-400 ℃ for different time

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沉积态合金钢在860 ℃奥氏体化后的空冷过程中,在奥氏体晶界处首先生成先共析铁素体(PF)。在随后的等温淬火及其空冷过程中,贝氏体铁素体(BF)呈板条状垂直于原奥氏体晶界或PF/奥氏体界面处析出,析出的BF板条与其间的残余奥氏体(RA)构成板条贝氏体(LB)组织,之后空冷,铁素体在未完全转变的原奥氏体晶粒内不规则析出,它进而包裹未转化为铁素体的RA,形成粒状贝氏体(GB)。图5中200 ℃等温淬火5 s后OM相中分别标注了PF、LB与GB所在区域,可见此条件下合金钢的金相组织由白色区域的PF和GB占主导。从放大的SEM像[图6(a)]可清楚看到,LB区域由BF板条与其间的RA组成,而GB由包裹粒状RA的铁素体组成。随着等温淬火时间的延长,GB体积分数降低而LB体积分数明显增加。从200 ℃等温淬火20 s后的合金钢放大SEM像[图6(b)]可以发现,与等温淬火5 s相比,LB组织中BF因转变时间增加而纵向长度增加,RA却因BF板条宽化而变薄。后者进一步被TEM观测所验证,如图7所示。图7(a)为等温淬火20 s后LB组织的TEM明场像,其由浅色的宽板条(区域1,平均宽度为534 nm)与深色薄板条(区域2,平均宽度69 nm)组成,图7(b)、(c)的选区电子衍射图表明它们分别为体心立方结构(bcc)的BF与面心立方结构(fcc)的RA。

图 6. LAM 12CrNi2合金钢经200 ℃等温淬火的SEM图像。(a) 5 s;(b) 20 s

Fig. 6. SEM images of LAM 12CrNi2 alloy steel after isothermal quenching at 200 ℃. (a) 5 s; (b) 20 s

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图 7. LAM合金钢经200 ℃等温淬火20 s后的TEM照片。(a)明场像;(b)区域1处选区电子衍射斑;(c)区域2处选区电子衍射斑

Fig. 7. TEM images of LAM alloy steel isothermal quenching at temperature 200 ℃ for 20 s. (a) Bright-field image; (b) selected-area electron diffraction patterns of area 1; (c) selected-area electron diffraction patterns of area 2

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与200 ℃等温淬火5 s相比,300 ℃等温淬火5 s 合金钢组织也由PF、GB与LB组成,相应组织体积分数发生变化如下:PF几乎不变、GB有所增加但LB有所降低。这是因为合金钢由860 ℃奥氏体化温度降至300 ℃等温淬火,导致奥氏体过冷度相对较低,这使得BF宽度因形核几率降低而较宽,而已经析出的BF板条在较高温度下发生较明显宽化,故产生的LB组织分数减少,相应GB组织产生较多。随着等温淬火时间延长,同样,BF板条显著宽化、LB分数明显增加,同时GB分数逐渐降低。

400 ℃等温淬火5 s后,奥氏体过冷度进一步降低,使得较少析出的BF发生快速宽化,这导致难以形成LB组织,因此,此条件下合金钢几乎只由PF和GB组成。随着等温淬火时间延长,虽然BF形核几率增加,但其宽化程度高,使得LB分数增加较少,当淬火时间增至20 s时,因BF显著宽化,LB分数又开始降低。

由此可见,在200 ℃等温淬火20 s条件下,等温淬火可获得主要由板条贝氏体组织组成的合金钢。等温时间短,BF不能充分生长,使得板条贝氏体组织分数不够高。而温度过高,BF板条因宽化加剧而合并,RA薄板消失,从而导致板条贝氏体分数降低。

3.3 等温淬火对LAM成形12CrNi2合金钢力学性能的影响

图8和表1分别给出了沉积态及不同条件下等温淬火后成形12CrNi2合金钢的拉伸应力-应变曲线变化和相应的拉伸力学性能。沉积态合金钢的抗拉强度和屈服强度分别为683.6 MPa和631.4 MPa,而延伸率为22.7%,拉伸初期出现不连续屈服平台,这可能与合金钢在LAM过程中形成位错钉扎的柯氏气团有关^[25-26]。对比不同等温淬火处理的合金钢拉伸性能,发现两个主要规律性结果:1)相同等温淬火温度下,淬火时间延长,合金钢强度变化不大,但延伸率明显增大;2)相同等温时间下,增加淬火温度,合金钢抗拉强度和屈服强度逐渐降低,延伸率增加。200 ℃等温淬火20 s后的合金钢不仅具有最高的抗拉强度(1067.2 MPa)和屈服强度(762.2 MPa),还具有较高的延伸率(17.3%),说明此处理条件的LAM合金钢具有最理想的综合力学性能。

图 8. 等温淬火处理前后试样的工程应力-应变曲线

Fig. 8. Stress-strain curves of samples before and after isothermal quenching

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200 ℃等温淬火20 s后的成形合金钢显示理想的综合力学性能,根本原因在于此条件下得到的板条贝氏体组织体积分数最高,而贝氏体组织中BF板条/RA/BF板条的多层结构可有效阻碍拉伸过程中位错的移动,促使合金钢具有较高强度。同时,由于此条件下的BF板条宽化引起LB强度降低,使其与软相PF的强度差降低,提高了LB组织与PF组织之间塑性变形协调性^[27],合金钢内部不易产生应力集中,推迟裂纹的萌生与扩展,从而具有较高延伸率。200 ℃淬火时间较短时,虽然产生较低的LB组织体积分数有降低合金钢强度的趋势,但较窄的BF板条又使合金钢强度有增加的趋势,两者综合作用导致合金钢强度变化不大,但是BF板条窄化以及LB体积分数降低,导致LB组织与PF组织的强度差增加,使得它们之间的变形协调性降低,同时位错运动受到较窄的贝氏体多层结构的强烈阻碍,以上共同作用导致合金钢延伸率较低。在较高温度下淬火,BF板条明显宽化,LB组织体积分数降低,这虽然使合金钢具有较好的延伸率,但其抗拉强度和屈服强度均不理想。

图9为沉积态12CrNi2及其等温淬火后的拉伸断口的典型宏观和微观形貌。所有拉伸试样均出现明显颈缩,且断口均由纤维区、放射区和剪切唇区组成。图9(a)显示了沉积态合金钢三个区域的相应位置。从图9(b)的纤维区高倍像可以看到,断口形成大量等轴韧窝和少量的撕裂韧窝,即合金钢为典型的韧性断裂。图9(c)为断口附近的侧面形貌,发现微裂纹大多在铁素体/奥氏体小岛界面处萌生,随着拉伸进行,断口部位的微裂纹会首先发展成微孔,微孔进而不断聚集长大并相互连接形成韧窝。韧窝大小不一,既与沿一定方向排布的奥氏体岛的不均匀分布有关,也与熔覆层内及层间铁素体晶粒大小不同[图4(b)]有关。等温淬火消除了合金钢沉积层间出现的组织不均性,因而断口韧窝尺寸差异不大;同时,因LB组织出现,淬火合金钢塑性降低,颈缩程度降低。图9(d)为200 ℃等温淬火10 s后的宏观断口形貌,与沉积态合金钢相比,纤维区、剪切唇区所占比例减少,放射区所占比例增加。从图9(e)的纤维区高倍像可见,断口韧窝尺寸与深度均减少。相比之下,200 ℃等温淬火20 s后,合金钢宏观断口的剪切唇区所占比例明显增加而放射区明显减小[图9(f)]。由图9(g)给出的纤维区的高倍像可发现,韧窝数量和深度明显增加,但尺寸变化不明显,说明此合金钢不仅具有高强度还具有较高塑性,一是与合金钢中贝氏体多层结构分数增加有关,二是与LB和PF变形协调性因LB分数增加而提高有关。在等温淬火20 s条件下增加淬火温度,合金钢因LB组织体积分数降低而强度降低,因此宏观断口中纤维区、剪切唇区所占比例明显增加,放射区占比逐渐减少。图9(h)为400 ℃等温淬火20 s后的宏观断口形貌,可见剪切唇区显著扩大,纤维区明显延长。从图9(i)的微观形貌看,纤维区韧窝深度和尺寸明显增加,且部分韧窝被撕裂,此结果与LB体积分数及其多层结构特征随温度升高的变化对合金钢力学性能的影响规律一致。

图 9. 等温淬火前后LAM试样的室温拉伸断口。(a)~(c)沉积态;(d)(e) 860 ℃/30 min+200 ℃/10 s; (f)(g) 860 ℃/30 min+200 ℃/20 s;(h)(i) 860 ℃/30 min+400 ℃/20 s

Fig. 9. Tensile fracture morphologies of LAM steel before and after heat treatment. (a)-(c) As-deposited state; (d)(e) 860 ℃/30 min+200 ℃/10 s; (f)(g) 860 ℃/30 min+200 ℃/20 s; (h)(i) 860 ℃/30 min+400 ℃/20 s

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4 结论

激光增材制造技术结合适当热处理在制备高性能、复杂合金钢构件方面具有巨大的优势和潜力。本文采用激光增材制造技术成形12CrNi2合金钢,并通过不同等温淬火制度调控其显微组织和性能。等温淬火后,合金钢组织演化为由板条状贝氏体铁素体和板条间富碳奥氏体组成的板条状贝氏体。通过调控等温淬火温度和等温淬火时间可有效调控板条贝氏体的形态进而获得不同性能。200 ℃等温淬火20 s条件下,合金钢具有最优综合力学性能,与沉积态合金钢相比,抗拉强度提高56%,屈服强度提高21%,并且延伸率降幅不大(达到原来的76%)。其中的高体积分数的板条状贝氏体铁素体/残余奥氏体/板条状贝氏体铁素体多层结构是其具有高强度的主要原因;稍微宽化的贝氏体板条具有与先共析铁素体更高的变形协调性而利于延伸率提高。