趙忠超， 寧 靜， 蘇 杰， 姜慶偉

(1. 昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 云南 昆明 650093；2. 鋼鐵研究總院有限公司 特殊鋼研究院， 北京 100081)

Ferrium M54鋼是一種二次硬化型高合金超高強(qiáng)度鋼，具有優(yōu)異的強(qiáng)韌匹配性和顯著的抗應(yīng)力腐蝕能力，且成本低，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架等航空航天領(lǐng)域[1-3]。Ferrium M54鋼部件的傳統(tǒng)制造工藝需要許多熱加工步驟，后續(xù)需要大量的機(jī)加工，導(dǎo)致生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高[1,4-5]。激光增材制造是一種快速成形的增材制造技術(shù)，其與傳統(tǒng)制造工藝相比具有許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)模具、材料利用率高、生產(chǎn)成本低、自由度高等[6-8]。激光增材制造(Laser additive manufacturing，LAM)特別適合生產(chǎn)難加工的高性能大型金屬部件[8]。目前在超高強(qiáng)度鋼領(lǐng)域，已開展了大量增材制造工藝參數(shù)及工藝參數(shù)對(duì)其性能的研究[9-10]。

目前關(guān)于激光增材制造超高強(qiáng)度鋼的報(bào)道，主要是集中在沉積態(tài)組織表征，熱處理工藝及力學(xué)性能方面的研究。如劉正武等[11]研究發(fā)現(xiàn)激光熔化沉積15-5PH 鋼的沉積態(tài)組織是由馬氏體+鐵素體組成，同時(shí)析出大量細(xì)小的NbC。王俊等[12]研究了時(shí)效處理對(duì)激光增材制造17-4PH沉淀硬化不銹鋼的微觀組織及力學(xué)性能的影響。王志會(huì)等[13]分析了激光增材制造AF1410鋼沉積態(tài)和熱處理后的微觀組織、硬度、室溫拉伸性能變化。

本文采用激光增材制造技術(shù)(LAM)制備了Ferrium M54二次硬化超高強(qiáng)度鋼，研究了沉積態(tài)及傳統(tǒng)熱處理后M54鋼微觀組織及力學(xué)性能的變化規(guī)律，探索了改善激光增材制造M54二次硬化超高強(qiáng)度鋼性能的熱處理工藝，以期為其工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)使用的Ferrium M54鋼的球形粉末(見圖1)是通過(guò)等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備，粉末的粒度為50～150 μm，粉末及成品的化學(xué)成分見表1。

圖1 激光增材制造用Ferrium M54鋼的粉末形貌Fig.1 Morphology of the Ferrium M54 steel powder used for LAM

表1 Ferrium M54鋼粉末以及沉積成品的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

LAM系統(tǒng)中配備了TruDiode 4006激光器、D70同軸送粉熔覆頭、ABB六軸機(jī)器手等，基板采用30CrMnSiA鋼，經(jīng)打磨、酒精擦拭處理。取沉積方向(DD)為縱向，掃描方向(SD)為橫向，激光增材制造工藝參數(shù)：激光束功率為1800 W，光斑直徑為φ3 mm，掃描速度為2.6 mm/s，單層沉積厚度為0.8 mm，送粉速度為16.21 g/min。在高純氬氣下逐層沉積，最終成形出尺寸為40 mm×50 mm×80 mm的沉積塊，沉積過(guò)程如圖2(a)所示，成品件如圖2(b)所示。

圖2 激光增材制造示意圖(a)及成品件(b)Fig.2 Laser additive manufacturing diagram(a) and finished product(b)

熱處理制度參考傳統(tǒng)Ferrium M54鋼的熱處理工藝，首先對(duì)試樣進(jìn)行固溶處理，在1075 ℃保溫75 min后空冷(AC)，然后在1060 ℃保溫1 h，油淬(OQ)，隨后在-73 ℃ 深冷處理 2 h，最后分別在495、510和525 ℃ 下進(jìn)行時(shí)效處理，保溫5 h后空冷。

熱處理后的試樣經(jīng)磨制、機(jī)械拋光后用4%硝酸酒精腐蝕，使用OLYMPUS GX53光學(xué)顯微鏡和Quanta 650型掃描電鏡(SEM)對(duì)沉積態(tài)及熱處理后的微觀組織進(jìn)行分析，同時(shí)還利用X射線衍射(XRD)技術(shù)對(duì)物相進(jìn)行分析。拉伸性能檢測(cè)依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》在WDW-300E力學(xué)拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試，使用Quanta 650型掃描電鏡觀察了斷口形貌。依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，利用TH300數(shù)顯維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，加載載荷砝碼1 kg，保荷時(shí)間10 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 沉積態(tài)微觀組織

激光增材制造Ferrium M54二次硬化超高強(qiáng)度鋼組織受工藝參數(shù)、沉積塊形狀、尺寸的影響[14]。根據(jù)激光增材制造微熔池、冷速快的特點(diǎn)[15]，當(dāng)熔池溫度降到Tm以下時(shí)先凝固為鐵素體，隨著溫度下降，鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，高溫鐵素體受到冷速制約轉(zhuǎn)變不完全保留下來(lái)小部分，當(dāng)溫度下降到Ms點(diǎn)以下時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體成為主要相。

Ferrium M54鋼沉積塊橫截面和縱截面的微觀組織如圖3所示，從圖3(a)可以看出，橫截面為密集的胞狀結(jié)構(gòu)，縱截面的胞狀微觀組織出現(xiàn)了溶解，表明激光增材制造Ferrium M54鋼的沉積態(tài)組織為沿沉積方向生長(zhǎng)的柱狀晶。

圖3 沉積態(tài)Ferrium M54鋼的顯微組織(a)橫截面; (b)縱截面Fig.3 Microstructure of the deposited Ferrium M54 steel(a) cross section; (b) longitudinal section

2.2 熱處理后微觀組織

激光增材制造Ferrium M54鋼的熱處理態(tài)微觀組織如圖4所示。采用傳統(tǒng)的熱處理制度主要是考慮通過(guò)高溫固溶破壞激光增材制造中典型的胞狀結(jié)構(gòu)，嘗試用傳統(tǒng)熱處理消除掉LAM M54鋼的各向異性，結(jié)果如圖4所示。3種熱處理方式基本上消除了胞狀結(jié)構(gòu)，組織各向異性消除。

圖4 不同熱處理態(tài)激光增材制造Ferrium M54鋼的微觀組織Fig.4 Microstructure of the laser additive manufactured Ferrium M54 steel with different heat treatment states(a) 1075 ℃×75 min, AC; (b) 1060 ℃×1 h, OQ; (c) 1075 ℃×75 min, AC+1060 ℃×1 h, OQ

經(jīng)固溶、淬火、冷處理和時(shí)效處理后激光增材制造Ferrium M54鋼的組織如圖5所示，經(jīng)495、510和525 ℃時(shí)效處理后，F(xiàn)errium M54鋼的組織主要為馬氏體+殘留奧氏體。由于時(shí)效溫度差異不大，且激光增材制造擁有高的溫度梯度和冷卻速度，導(dǎo)致Ferrium M54超高強(qiáng)度鋼的組織細(xì)小，二級(jí)組織混雜，在低倍觀察中難

圖5 固溶+淬火+深冷+不同溫度時(shí)效處理后激光增材制造Ferrium M54鋼的顯微組織Fig.5 Microstructure of the laser additive manufactured Ferrium M54 steel after solution treatment+quenching+cryogenic treatment+aging at different temperatures(a) 495 ℃; (b) 510 ℃; (c) 525 ℃

以發(fā)現(xiàn)3個(gè)不同時(shí)效溫度下的差異。

為了探索時(shí)效溫度對(duì)激光增材制造Ferrium M54鋼微觀組織的細(xì)微影響，以期尋找適合增材制造工藝的時(shí)效溫度。采用掃描電鏡觀察了3種不同時(shí)效溫度下Ferrium M54鋼的組織，如圖6所示。從圖6可以看出，激光增材制造Ferrium M54鋼熱處理后組織主要為板條馬氏體，板條形態(tài)清晰，多個(gè)平行排列的馬氏體板條形成馬氏體板條束，并且在馬氏體板條周圍分布著細(xì)小白色球形相。

圖6 不同時(shí)效溫度下激光增材制造Ferrium M54鋼的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of the laser additive manufactured Ferrium M54 steel aged at different temperatures(a,b) 495 ℃; (c,d) 510 ℃; (e,f) 525 ℃

圖7是激光增材制造Ferrium M54鋼經(jīng)不同溫度時(shí)效后的XRD圖譜。由圖7可知，不同時(shí)效溫度下Ferrium M54鋼中的主要相為馬氏體，只檢測(cè)到了馬氏體的衍射峰，F(xiàn)errium M54鋼在時(shí)效過(guò)程中可能產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)變奧氏體和細(xì)小分散的合金碳化物，但是并沒(méi)有其衍射峰，可能是因?yàn)槠浜刻?，未被檢測(cè)到。

圖7 不同時(shí)效溫度下激光增材制造Ferrium M54鋼的XRD圖譜Fig.7 XRD patterns of the laser additive manufactured Ferrium M54 steel aged at different temperatures

2.3 力學(xué)性能

經(jīng)不同溫度時(shí)效處理及沉積態(tài)的Ferrium M54鋼室溫力學(xué)性能見表2。經(jīng)最終時(shí)效處理后Ferrium M54鋼表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度和塑性，510 ℃時(shí)效處理后綜合性能最優(yōu)。510 ℃時(shí)效的抗拉強(qiáng)度為1863 MPa，屈服強(qiáng)度為1594 MPa，與鍛態(tài)相比，抗拉強(qiáng)度較低，屈服強(qiáng)度相近，伸長(zhǎng)率一致，斷面收縮率較低。不同溫度時(shí)效試樣的拉伸斷口形貌如圖8所示。拉伸斷口為典型的準(zhǔn)解理斷裂，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇3個(gè)區(qū)域組成。510 ℃時(shí)效后試樣的微觀斷口形貌如圖8(d)所示，存在大量小而淺的韌窩。

圖8 不同溫度時(shí)效后Ferrium M54鋼的拉伸斷口形貌(a,c,e)宏觀;(b,d,f)微觀;(a,b)495 ℃;(c,d)510 ℃;(e,f)525 ℃Fig.8 Tensile fracture morphologies of the Ferrium M54 steel aged at different temperatures(a,c,e) macroscopic; (b,d,f) microscopic; (a,b) 495 ℃; (c,d) 510 ℃; (e,f) 525 ℃

表2 不同狀態(tài)激光增材制造Ferrium M54鋼的室溫拉伸性能

不同熱處理態(tài)Ferrium M54鋼硬度測(cè)試結(jié)果如圖9所示，可以看出沒(méi)有經(jīng)過(guò)時(shí)效處理的試驗(yàn)鋼硬度偏低，1075 ℃固溶+1060 ℃油淬后硬度最低，僅為382 HV，而后續(xù)的深冷+時(shí)效處理提高了試樣的硬度，可能是因?yàn)樯罾涮幚泶龠M(jìn)了殘留奧氏體發(fā)生馬氏體相變，使硬度進(jìn)一步提高。經(jīng)不同溫度時(shí)效處理后，510 ℃時(shí)效處理后的硬度最大，約為603 HV，其二次硬化現(xiàn)象更明顯。

圖9 不同熱處理態(tài)激光增材制造Ferrium M54鋼的硬度Fig.9 Hardness of the laser additive manufactured Ferrium M54 steel with different heat treatment states

3 結(jié)論

1) 激光增材制造(LAM)制備的沉積態(tài)Ferrium M54鋼組織具有定向凝固特征，表現(xiàn)為沿沉積方向生長(zhǎng)的柱狀晶，橫截面為密集的胞狀結(jié)構(gòu)。

2) 經(jīng)高溫固溶處理后，定向生長(zhǎng)的柱狀晶形貌基本消失，直接經(jīng)1060 ℃油淬后馬氏體板條變得粗大。經(jīng)后續(xù)深冷+時(shí)效處理后，獲得較細(xì)小的馬氏體組織。

3) 1075 ℃固溶+1060 ℃油淬+-73 ℃深冷+510 ℃時(shí)效處理后激光增材制造Ferrium M54鋼的性能最好，抗拉強(qiáng)度為1863 MPa，屈服強(qiáng)度為1594 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為15%，斷面收縮率為59%，硬度為603 HV。