韓國海洋大學(xué)頂刊丨定向能量沉積增材制造高錳鋼的沉積特性及其耐磨損行為

來源： 先進(jìn)焊接技術(shù)

高錳鋼(HMS)具有高加工硬化性和沖擊韌性以及出色的耐磨性。韓國海洋大學(xué)的研究人員采用定向能量沉積(DED)將HMS沉積到Inconel718表面并分析了沉積特性。結(jié)果表明，當(dāng)激光功率為1050W且送粉速度為4g/min時(shí)，觀察到的氣孔和熔合不良最少。該研究證明了使用HMS作為粉末進(jìn)行表面涂層以最大限度地提高耐磨性的工業(yè)適用性。

關(guān)于高錳鋼增材制造的最新研究文章 “Deposition characterization of high-manganese (13Mn) steel built via directed energy deposition and its wear behavior” 發(fā)表在國際頂級(jí)材料期刊《Journal of Materials Research and Technology》上。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用！

高錳鋼(HMS)是指含有10-30wt%Mn的鋼。HMS具有高加工硬化和沖擊韌性以及出色的耐磨性。由于這些特性，HMS已廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，包括巖石破碎機(jī)、磨粉機(jī)、挖泥斗、鐵路和耐磨板。然而，由于加工困難，HMS的工業(yè)使用受到限制。特別是，對(duì)于在磨損環(huán)境中使用的零件，表面的淺層（0.5-1毫米）會(huì)暴露在惡劣的條件下。在這種情況下，在零件表面涂覆HMS以提高耐磨性可能會(huì)有效。近年來，增材制造(AM)技術(shù)越來越多地用于提高性能，其中異質(zhì)材料被涂在金屬零件的表面上。

圖1. (a) 多層沉積的定向能量沉積 (DED) 工藝和掃描程序示意圖；(b) 實(shí)驗(yàn)裝置和打打印過程圖

圖2. 在 STS316L 基板上沉積的 HMS 和 Inconel 718

在AM中，通過根據(jù)數(shù)字模型逐漸添加材料薄層來創(chuàng)建三維形狀。基于該原理可以直接制造形狀復(fù)雜的定制零件。AM已被廣泛接受為設(shè)計(jì)和制造航空航天、醫(yī)療、能源和汽車應(yīng)用中高性能部件的新范例。金屬增材制造主要分為定向能量沉積（DED）和粉末床熔融（PBF）。具體而言，DED是一種將激光或電子束照射到金屬表面上，使表面熔化，并供給金屬粉末使其熔化、凝固進(jìn)行沉積的方法。DED可以比激光束粉末床熔合(PBF-LB)更快地沉積材料，并且可以制造大型零件，因?yàn)樗�不受�?gòu)建室的限制。此外，由于在制造過程中可以很容易地改變?cè)�料材料，因此可以制造功能梯度材料、多材料和增�?qiáng)高溫復(fù)合材料或合金。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用！

Inconel718具有出色的耐熱性。特別是，Inconel718因其出色的可焊性而非常適合應(yīng)用DED工藝。但是，如果專門使用Inconel718，則在各種環(huán)境中都容易發(fā)生損壞。特別是，由于硬度和耐磨性低，經(jīng)常發(fā)生表面損壞。如果表面涂有具有高耐磨性的HMS，則可以延長產(chǎn)品壽命。因此，在該研究中，韓國學(xué)者將具有良好耐熱性的Inconel718粉末沉積在STS316L頂部，然后沉積HMS粉末以提高耐磨性。

在不同激光功率和粉末進(jìn)給速率下3D打印樣品橫截面的光學(xué)顯微鏡圖像

3D打印制備的試樣橫截面

成形件的微觀缺陷

不同磨損條件下磨損試驗(yàn)后磨損表面的SEM圖像

在這項(xiàng)研究中，Inconel718粉末沉積在不銹鋼基板的頂部，然后通過DED工藝沉積HMS粉末。HMS在不同的激光功率和送粉率下沉積，在評(píng)估沉積特性后設(shè)置適當(dāng)?shù)臈l件。根據(jù)選定的DED參數(shù)制作磨損試樣，并測(cè)試HMS的磨損特性。得出以下結(jié)論：

(1) 在低激光功率沉積的樣品中觀察到部分孔隙，但在異質(zhì)材料之間的邊界處未觀察到裂紋或分層等缺陷。在高粉末進(jìn)料速率下也觀察到未熔化�？紫逗臀慈酆蠒�(huì)對(duì)成品材料的機(jī)械性能產(chǎn)生負(fù)面影響，并可能在極端情況下導(dǎo)致?lián)p壞。因此，在本研究中，選擇1050W的激光功率和4g/min的送粉速度作為沉積HMS的合適DED條件，這會(huì)導(dǎo)致孔隙最少和未熔合。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用！

(2) Laves相是打印Inconel718的特征，由于與Inconel718熔合而在打印HMS第一層中形成，因?yàn)殡y以溶解的Nb在快速冷卻過程中集中在枝晶間區(qū)域。此外，由于低硬度的Fe-Ni相的影響，硬度迅速下降至250HV。

(3) 根據(jù)負(fù)載進(jìn)行的磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著負(fù)載的增加，試件的失重減少。在所有條件下，磨損軌跡表面附近的硬度都增加，因?yàn)楸砻嬉蚯驂毫Χ�硬化。近表面晶粒�?xì)化，位錯(cuò)密度隨載荷增加而增加。同時(shí)，在100和400N下未形成馬氏體，但在250N下有少量馬氏體形成，對(duì)硬度影響不明顯。

(4) 根據(jù)RPM進(jìn)行的磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣的重量損失在100RPM時(shí)最大。磨損軌跡表面附近的硬度在所有條件下均有所增加，但在100RPM時(shí)增加最多。由于在50RPM和100RPM的磨損表面上沒有形成氧化層，因此基體在很大程度上被球磨損了。因此，磨損在100RPM時(shí)最為嚴(yán)重。除了最大量的馬氏體外，位錯(cuò)密度最高，因此，磨損軌跡表面附近的硬度增加最多。這些結(jié)果表明，在根據(jù)RPM進(jìn)行的磨損測(cè)試中，HMS由于TRIP效應(yīng)而硬化。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.12.104