稀土氧化物对激光立体成形34CrNiMo6钢组织和性能的影响

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34CrNiMo6钢具有高强度、良好的延展性和出色的耐腐蚀性,广泛应用于大型构件的核心部件。其零件在服役过程中通常会承受动态和随机载荷作用而失效,将会导致重大的灾难及经济损失。利用传统加工方法制备大型复杂的34CrNiMo6钢零件,存在材料利用率低、制造周期长、成本较高等缺点,这在很大程度上制约了34CrNiMo6钢的进一步发展和应用。激光立体成形技术的出现缩短了零件的制造周期,节约了制造成本,使得成形效率大幅度提高。此外,由于其制造过程为近净成形,因此只需要进行简单的后续加工,极大降低了制造成本,使得高性能复杂结构零件在许多行业得到应用。与常见的激光加工一样,激光立体成形过程中温度梯度和凝固速度的变化构成独特的过冷度,导致材料内部晶粒粗大和不同位置组织转变过程各不相同,影响零件的服役性能。稀土氧化物可以有效的细化晶粒,减少零件内部的缺陷,但单一的稀土氧化物对零件的作用往往突出在某一特定的方面,混合稀土氧化物则有望在协同作用下整体提高零件的力学性能。基于此,本文通过单独添加和混合添加的方式将不同含量的稀土氧化物CeO2和Y2O3加入到34CrNiMo6钢粉末中,研究了不同稀土氧化物含量激光立体成形34CrNiMo6钢的微观组织特征及力学性能规律,并对力学性能最好的沉积态试样进行了调质处理,明晰了单独添加稀土氧化物和混合添加稀土氧化物在激光立体成形34CrNiMo6钢中的存在形态及作用机制。取得的研究成果如下:(1)对激光立体成形34CrNiMo6钢工艺参数进行正交试验,通过极差分析确定了最佳的工艺参数:激光功率1000 W,扫描速度600 mm/min,送粉率10 g/min。最佳工艺参数的影响因素主次依次为:激光功率>扫描速度>送粉率。激光立体成形34CrNiMo6钢的微观组织沿沉积方向发生了明显的变化,沉积试样顶部以马氏体和下贝氏体组织为主,中部组织为回火马氏体,底部的组织为块状铁素体和粒状碳化物。(2)激光立体成形不同CeO2含量34CrNiMo6钢试样顶部位置的微观组织为板条马氏体、贝氏体及少量的残余奥氏体,而沉积试样中部位置在经历了多次热循环微观组织依旧为板条马氏体、贝氏体。随着CeO2含量的增加,贝氏体组织更为细小,奥氏体晶粒尺寸呈现先减小后增大的趋势。当稀土氧化物CeO2的添加量达2wt.%时,奥氏体晶粒尺寸具有最小值。稀土粒子CeO2呈规则球形,尺寸约为250nm,主要聚集在板条马氏体晶界及其附近区域。(3)未添加稀土氧化物的沉积态试样奥氏体晶粒平均尺寸为20-30μm;添加2wt.%CeO2的沉积态试样奥氏体晶粒平均尺寸为8-15μm;添加1 wt.%CeO2+1 wt.%Y2O3的沉积试样奥氏体晶粒平均尺寸最小(5-10μm),且晶粒组织均匀性较好。经调质处理后的1 wt.%CeO2+1 wt.%Y2O3试样,碳化物数量略有增多,尺寸差异较大。微观组织的尺寸随着混合稀土氧化物加入呈现先减小后增大的趋势,添加2wt.%CeO2+2 wt.%Y2O3后奥氏体晶粒和马氏体、贝氏体尺寸明显增大,但仍优于未添加稀土氧化物的沉积试样。(4)揭示了稀土氧化物对激光立体成形34CrNiMo6钢的作用机制。部分CeO2分解为Ce原子作为成形过程的活性剂,通过吸附作用在相界与晶粒之间的运动起到了钉扎效应,从而细化晶粒;此外,部分未熔化的CeO2作为异质形核核心形成新的第二相颗粒,作为杂质相保持部分熔化,进一步细化晶粒。而加入两种稀土氧化物后,Ce4+与Y3+协同作用于微观组织,从而对周边物质有较强的吸附特性,又因两种稀土离子半径相差很小,吸附作用强弱性大体一致,因而不会对周边晶界产生大的撕扯力,避免了晶格的移位和晶界面积的变形。(5)探究了不同稀土氧化物含量激光立体成形34CrNiMo6钢的力学性能规律。添加稀土氧化物后各沉积态试样不同位置的显微硬度相对于未添加稀土试样均有增大。添加2 wt.%CeO2的沉积态试样平均硬度为422 HV,添加1 wt.%CeO2+1wt.%Y2O3沉积态试样平均硬度值最大,为557 HV,且较为均匀,经调质处理后试样平均硬度值为339 HV。未添加稀土的沉积态试样抗拉强度为950 MPa,断后伸长率为15.5%,断面收缩率为16.2%,断裂机制为脆性断裂;随着CeO2添加量的增加,试样的抗拉强度呈增大趋势。抗拉强度最大为3 wt.%CeO2沉积态试样,达到了1480 MPa;添加1 wt.%CeO2+1 wt.%Y2O3沉积态试样抗拉强度达到了1692MPa,相比于未添加稀土氧化物试样提高了742 MPa,增幅约75.1%,断裂机制为韧性断裂。经过调质处理后,试样抗拉强度相比于未添加稀土氧化物试样上升了241 MPa,增幅约25.4%,断后伸长率与断面收缩率均高于其余沉积态试样。调质态试样断裂机制为韧性断裂。
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