大连理工大学:超过锻件水平!一种新的高性能316L不锈钢增材制造 

3D打印技术 /[科研]
发布时间: 2022-07-13 06:54
导读:塑性变形辅助方法对调节增材制造(AM) 金属样品的微观结构和力学性能具有积极作用。然而,当通过激光定向能量沉积制造金属样品时(LDED),常用的轧制变形辅助方法的适用性和工艺灵活性有很大的局限性,需要进一步改进。

本研究开发了一种同步锤锻辅助激光定向能量沉积 (SHLDED) 方法,研究了同步锤锻对 LDED 处理的 316L 不锈钢样品的显微组织和力学性能的影响。结果表明,使用55 N的小锤击力可以实现高达21%的沉积材料的大塑性变形。

与LDED样品相比,SHLDED样品的微观结构显示出明显的等轴晶粒和细化效果。极图最大强度降低50%,平均晶粒度减少 69%。由于晶粒细化和加工硬化的综合作用,SHLDED样品的屈服强度(YS)、极限抗拉强度(UTS)和显微硬度分别达到494±19 MPa、677±7 MPa和243±11 HV0.2,分别比 LDED 样品高 41%、10% 和 22%。该研究为LDED金属样品的微观结构和力学性能调控提供了一种新方法。

激光定向能量沉积(LDED)是一种重要的金属增材制造(AM)技术,它以高能量密度的激光为热源,熔化并沉积同步输送的金属粉末或线材,实现金属3D样品的近净制造。通过层层积累。

由于原位沉积和逐层积累的工艺特点,LDED在材料和结构调控方面具有很高的工艺灵活性,在制备高性能复杂定制样品方面显示出广阔的应用前景。随着 LDED 的进步,越来越多的研究人员倾向于实现各种材料的定向制造,例如 Ti-6Al-4V ( Carroll et al., 2015 )、Inconel718 ( Li et al., 2022 )、高熵合金 ( Dobbelstein et al., 2021 )、不锈钢 ( Arrizubieta et al., 2018 )、钛基基体材料( Attar et al., 2018 )、异质结构材料(Tan et al., 2022)、梯度材料(Wu et al., 2022)等。正如Tan 等人报道的那样。

(2021),LDED制造的零件广泛应用于航空航天、能源、医疗等领域。不幸的是,正如Debroy 等人报道的那样。(2018) , 用于 LDED 工艺中的近一维散热和典型的外延生长由于凝固组织的特点,目前制备的金属试样往往具有晶粒粗大、组织不均匀等特点。这些特性容易引起金属样品的各向异性问题,影响最终的力学性能,极大地限制了LDED技术在主要承重关键金属样品中的应用。如何实现金属样品的晶粒细化和等轴化已成为包括 LDED 技术在内的所有金属增材制造领域的关键问题之一( Colegrove et al., 2013 )。

为了实现塑性变形控制方法在LDED金属样品中的有效应用,大连理工大学提出了一种SHLDED 增材制造方法,并设计和构建了一种 SHLDED 系统,用于制备 316L 不锈钢金属样品。结果表明,同步锤锻对组织调节有积极作用,如晶粒等轴化和细化,显著提高了制造样品的力学性能。沉积层的原位塑性变形是通过在 LDED 316L 样品的混合 AM 工艺中同时应用50 Hz 高频锤锻实现的。

值得注意的是,与Duarte 等人相比。这项工作的重点是通过同步锤锻工艺调节 LDED 金属样品的微观结构和机械性能,以验证对弱刚性部件的适用性。YS 强化机制通过 Hall-Patch 公式和泰勒公式。改进和丰富同步锤锻工艺在LDED AM领域的应用,对调节金属的显微组织和力学性能具有很大的前景。

相关研究成果以题“Synchronous-hammer-forging-assisted laser directed energy deposition additive manufacturing of high-performance 316L samples”发表在增材制造顶刊Journal of Materials Processing Technology上。
论文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013622002072
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(1)该同步锤锻装置可在高温区以55 N的小锤击力实现21%的沉积层的大塑性变形,并且可以制作出高精度的样品。制造的 316L 薄壁样品的顶层表面质量显着提高,表面 3D 粗糙度 Sa 小于 1 µm。此外,SHLDED 工艺对 316L 金属粉末的利用率有积极影响。

(2)与LDED样品相比,SHLDED制造的316L样品没有产生新的相。在同步锤锻的帮助下,SHLDED样品表现出显着的晶粒细化和等轴效应。与 LDED 316L 样品中的 55 µm 相比,晶粒尺寸减小到 17 µm,减小了 69%。同步锤锻辅助有效降低了LDED 316L样品的各向异性,极图的最大强度从24.54降低到12.71,与LDED 316L样品相比降低了50%。

(3)SHLDED制备的316L试样的力学性能明显提高,整体水平已达到并超过锻件。SHLDED样品的显微硬度增加到243±11 HV 0.2 ,而LDED样品的显微硬度为199±6 HV 0.2 ,增加了22%。由于晶粒细化和位错强化,SHLDED 样品的 YS 增加到 494±19 MPa,而 LDED 样品的 YS 为 351±7 MPa,增加了近 40%。此外,与 LDED 样品的 617 ± 6 MPa 相比, UTS增加到 677 ± 7 MPa,增加了近 10%,同时保持了可塑性,伸长率大于 45%。
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图 1。316L粉末:(a)SEM图和(b)粒径分布。
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图 2。同步锤锻辅助激光定向能量沉积系统。
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图 3。实验参数测量装置:(a)锤击力测量装置和(b)锤击温度测量装置。
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图 4。试样制备:(a)试样位置和(b)拉伸试样尺寸(单位:mm)。
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图 5。同步锤锻参数测量结果:(a)温度曲线和(b)锤击力曲线。
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图 6。不同输入电压的单通道单层截面尺寸:(a) 0 V、(b) 80 V、(c) 90 V、(d) 100 V、(e) 110 V 和 (f) 120 V。
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图 7。不同输入电压下上表面的 3D 粗糙度测量结果。
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图 8。通过两种工艺制造的金属样品:(a)LDED薄壁样品,(b)LDED样品横截面,(c)SHLDED薄壁样品和(d)SHLDED样品横截面,以及(e)宏观统计结果形态变化。
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图 9。XRD相分析:(a)BD-SD 截面和(b)BD-TD 截面。
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图 10。相组成和元素检测:(a) LDED样品中的 SEM 图像,(b) SHLDED 样品中的 SEM 图像,(c) 元素线扫描,和 (d) 元素表面扫描。
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图 11。BD-TD 横截面的金相组织图:(a) LDED样品的金相全局视图,(b) SHLDED 样品的金相全局视图,(c) LDED 样品的骨架结构晶粒,(d) LDED 样品的枝晶晶粒,( e) LDED 样品的取向晶粒,(f) SHLDED 样品的原纤化骨架结构晶粒,(g) SHLDED 样品的等轴树枝晶,(h) SHLDED 样品的短柱状晶粒和树枝状晶粒。
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图 12。制造样品的极图:(a)LDED样品极图和(b)SHLDED样品极图。
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图 13。BD-SD横截面的粒度统计:(a)LDED样品的EBSD图和粒度分布;(b)SHLDED样品的EBSD图和粒度分布。
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图 14。结构演化的EBSD图:(a) LDED样品顶部两层的IPF着色图和(b)SHLDED样品顶部两层的IPF着色图。
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图 15。LDED和SHLDED的显微硬度测试结果。
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图 16。LDED和 SHLDED的拉伸特性:(a) 统计数据和 (b) 工程拉伸应力-应变曲线。
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图 17。机械性能统计:(a) 极限抗拉强度(UTS) 和 (b) 屈服强度 (YS)。
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图 18。GND位错密度分布:(a)LDED样品和(b)SHLDED 样品。
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图 19。SHLDED样品的TEM图像:(a) 显示高密度位错纠缠在一起的明场图像,(b) 位错处的高分辨率 TEM,和 (c) 对应的逆快速傅里叶图像。
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图 20。断面的 SEM 图像:(a) LDED拉伸断口和 (b) SHLDED 拉伸断口。
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图 21。SHLDED复杂结构和弱刚性结构的制造:(a)叶片结构和(b)倾斜结构。
来源:材料学网
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