激光直接与半固态间接增材制造17-4PH不锈钢的基础研究

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航空航天、军工领域应用较为广泛的17-4PH不锈钢具有高硬度、耐磨的特点,传统方法制备复杂零件的难度较高。本文分别采用直接的激光选区熔化(Selective Laser Melting,简称SLM)和间接的半固态增材制造(Semi-Solid Additive Manufacturing,简称SSAM)技术对17-4PH不锈钢进行了成形的基础研究,包括单道及块体的激光选区熔化试样成形工艺与性能研究、半固态增材制造17-4PH金属浆料配方开发和后处理工艺优化,主要研究内容和成果如下:(1)研究了工艺参数对激光选区熔化成形单道和块体试样形貌、致密度的影响,分析了样品相组成和力学性能。增大激光功率、减小扫描速度和铺粉厚度有利于成形均匀连续的17-4PH不锈钢单道试样。激光体能量密度在69.44~187.5 J/mm~3之间时,可成形致密度大于99.9%的17-4PH不锈钢试样,且成形试样具有优异的综合力学性能,屈服强度为633±19 MPa,抗拉强度为1073±20 MPa,延伸率为17±0.74%。(2)研究了浆料配方和脱脂工艺对SSAM试样性能的影响。浆料中粉末的最佳装载量为60 vol%,粘结剂中石蜡、聚丙烯、硬脂酸三者的最佳比例为50 wt%、49wt%和1 wt%。最佳配方下,正己烷是较优的脱脂溶剂,最优脱脂温度为50℃。提高样品中石蜡、降低粉末装载量或增大金属粒径均可加速脱脂速率。与直接热脱脂相比,溶剂+热脱脂的两步法脱脂后样品表面质量和致密度更好。(3)研究了升温速率、气流量以及保温时间等热脱脂工艺参数对SSAM样品质量的影响。随着升温速率降低,样品烧结后表面质量变好。升温速率过快,样品内外受热不均,近表面粘结剂快速分解,而内部粘结剂分解缓慢,易形成鼓泡、开裂等缺陷。热脱脂最佳工艺参数为升温速率0.8℃/min、阶段温度320℃、500℃,分别保温60 min,惰性气体流量600 ml/min。(4)研究了烧结温度、升温速率和保温时间等烧结工艺参数对SSAM样品质量的影响。升高烧结温度、降低升温速率、延长保温时间有利于降低样品孔隙度。最优的烧结参数为:烧结温度1360℃,升温速率2.5℃/min,保温时间3 h。SSAM试样烧结后的孔隙度和抗拉强度分别为1.29%、878 MPa。拉伸样品的断口形貌表明试样为典型的韧性断裂,但样品内部仍存在部分孔洞缺陷。(5)两种增材制造方法所涉及的工艺存在明显差异,SLM样品质量取决于工艺参数,而SSAM样品质量更多受后处理工艺影响。相较于半固态增材制造,激光选区熔化成形的17-4PH不锈钢样品致密度更高,力学性能更优,两种成形方式制备的拉伸样品均为韧性断裂特征,抗拉强度均达到锻件退火态水平。
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