激光选区熔化成形TiB2增强S136模具钢工艺、组织及性能研究

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激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是目前最具竞争力的激光增材制造技术之一。SLM通过高能激光束逐层熔化微细金属粉末,可直接制造近致密的且结构复杂的金属零件。本研究以微米级的S136粉末和纳米级的TiB2粉末为原始材料,采用机械球磨法制备不同TiB2含量的混合粉末,并利用SLM技术成功成形了TiB2/S136复合材料试样(TiB2=0,0.5,1.5,2.5 wt.%)。系统研究了工艺参数和TiB2含量对SLM成形试样物相组成、致密度、微观组织、显微硬度、摩擦磨损性能、拉伸性能及耐腐蚀性能的的影响,为SLM技术应用于高品质注塑模具制造行业奠定理论与工艺基础,主要工作包括:(1)采用不同SLM工艺参数成形了TiB2/S136复合材料试样,当激光体能量密度过低时,粉末熔化不完全,形成了大量残余孔隙;当激光体能量密度过高时,受热应力影响,成形试样存在微裂纹。优化后的成形工艺参数为:激光功率280 W,扫描速度700 mm/s,层厚0.05 mm,扫描间距0.12 mm。在最佳工艺参数下,成形的试样表面缺陷少,致密度高达97.3%,表现为细化的分布均匀的等轴晶。其显微硬度高达742.4±5.2 HV0.1,耐磨性能优异,摩擦系数和磨损率分别为0.6593和0.272×10-4 mm3/Nm,抗拉强度达到1051.3±20 MPa,延伸率为5.84%。(2)基于优化后的SLM成形工艺参数,分别成形了不同含量的TiB2/S136复合材料试样。相比于SLM成形纯S136试样,当TiB2含量为0.5wt.%时,试样具有更细小且均匀的晶粒,同时TiB2以连续环状结构形式均匀分布于S136基体晶界上,使得试样显微硬度增至761.5±4.8 HV0.1,摩擦系数和磨损率分别为0.6489和0.152×10-4mm3/Nm,抗拉强度为982.8±30 MPa。这主要受益于纳米TiB2颗粒的晶粒细化及晶界强化作用;随着TiB2含量的增加,试样表面缺陷孔洞及裂纹增加,致密度明显下降,同时TiB2环状结构粗大且不连续,进而导致试样的机械性能急剧下降。(3)通过电化学腐蚀及浸泡腐蚀实验,发现SLM成形的0.5wt.%TiB2/S136复合材料试样具有最优异的耐腐蚀性能,其腐蚀电位及腐蚀电流分别为-0.29V,0.42±0.05μA cm-2。TiB2的加入使得S136基体表面在腐蚀液中形成一种新的钝化膜TiO2,它阻止了腐蚀液对基体的进一步溶解。随着TiB2含量的不断增加,TiB2与基体形成的界面越多,进而在晶界处出现更多的电偶腐蚀,加速基体的溶解,从而导致耐腐蚀性变弱。上述研究成果表明,优化的SLM成形工艺参数结合最优的TiB2含量,可成形具有优异机械性能及耐腐蚀性能的TiB2/S136模具钢,可进一步满足高性能、复杂结构模具的使用需求。
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