H13钢的选择性激光熔化制备及残余应力分析

摘要

选择性激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）是最具发展潜力的增材制造（Additive Manufacturing,AM）技术之一。其原理基于成形过程的离散与堆积，在高能激光束的作用下，逐点、逐线、逐面完成三维实体的成形。它具有生产周期短、材料利用率高、成本低，成形件致密度高、晶粒细小、组织均匀，成形不受零件形状限制等优点。但在其成形过程中，由于粉体的熔化、凝固和随后的冷却都是在非常短的时间内完成的，冷却速率较大，并且在熔池附近产生较大的温度梯度，会导致在最终的成形件中存在较大残余应力，而残余应力的存在对制件的使用有着很大的危害。
　　基于此，本文首先研究了SLM成形H13钢的工艺，确立了其最优成形工艺，并对致密度较高的试样进行了表征分析，同时与传统方法成形的试样进行了比较。然后利用X射线衍射法测量SLM成形H13钢中的残余应力，并从微观组织入手进行解释。最后进行退火去应力试验，分析SLM成形H13钢在不同退火工艺下的残余应力及力学性能变化情况，确定最优的退火去应力工艺。
　　研究结果表明：
　　通过SLM制备出了接近全致密的H13钢。当激光功率为225W、扫描速度320mm/s、铺粉层厚50μm，扫描间距100μm时，致密度最高，为98.2％。当激光能量密度较小时，会产生颗粒未熔、大尺寸球化等缺陷；若激光能量密度过大，则会产生小尺寸球化、变形等缺陷。SLM成形H13钢的微观组织中主要是铁素体、马氏体和残余奥氏体，组织均匀致密，等向性良好，晶粒尺寸约为1~2μm，碳化物细小且分布均匀。H13钢的硬度较高（约为57.4HRC），弹性模量为219.6Gpa，屈服强度为1180MPa，拉伸强度为1581Mpa，延伸率为6.8%。屈服强度和拉伸强度基本与锻态相当，延伸率低于锻态，但硬度和弹性模量明显高于锻态。
　　SLM成形H13钢中存在较大的残余应力（约为864MPa），产生原因从宏观来说是由于是由于成形过程中熔池附近存在较大的温度梯度及冷却速率过大，从微观上来说是由于试样中存在马氏体和残余奥氏体等亚稳相。此外，H13钢中α基体富含Mo和V而致使晶格结构发生畸变也是产生残余应力的重要原因。
　　通过退火工艺可以在一定程度上消除或减少残余应力。当退火温度为650℃，退火保温时间为4h时，残余应力能够消除92%左右，此时硬度仍可高达50.7HRC，抗拉强度为1742MPa，屈服强度为1463MPa，延伸率为11.2%，弹性模量为215.8MPa。SLM成形H13钢的红硬性较传统加工方法提升约50℃，力学性能高是由于退火组织中析出的Mo和V的碳化物，颗粒细小且分布均匀，提高了回火稳定性。