姚瑞央，張保生

（許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，河南 許昌 461000）

0 引言

車輕量化研究是目前的一個(gè)熱門課題，對(duì)其材料性能的開(kāi)發(fā)是研究的關(guān)鍵。當(dāng)前，針對(duì)多主元合金開(kāi)展的研究工作基本都是關(guān)于三元或更多組元的高熵合金材料[1-3]。同時(shí)考慮到三元合金的各組分調(diào)節(jié)較為簡(jiǎn)單，能夠結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)計(jì)合適的合金組成，這是諸多學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

3D 打印方法在增材制造領(lǐng)域獲得應(yīng)用推廣，促進(jìn)了金屬制造技術(shù)的快速進(jìn)步，為實(shí)現(xiàn)車輕量化用材料批量化高效制造提供了技術(shù)支持，同時(shí)也可以滿足隨形水冷的效果[4-6]。因此增材制造技術(shù)能否用于車輕量化用零件是目前研究的科學(xué)問(wèn)題之一。直接激光沉積方法（DLD）與選區(qū)激光熔融方法（SLM）可以獲得理想的金屬增材加工效果，對(duì)于Inconel625 超合金、AlSi10Mg 等常規(guī)方法難以加工的合金材料加工發(fā)揮了重要的作用[7]。針對(duì)多主元合金進(jìn)行增材制造時(shí)，現(xiàn)階段基本都是選擇面心立方結(jié)構(gòu)的FeNiCrCo合金材料作為研究對(duì)象[8-11]，而很少對(duì)體心立方的多主元合金開(kāi)展研究。

本文重點(diǎn)分析了車輕量化用合金鋼內(nèi)的Cr、Mo含量，同時(shí)加入原子質(zhì)量小且半徑尺寸較大的Ni，從而開(kāi)發(fā)得到CrNiMo 合金，最后對(duì)此合金開(kāi)展了機(jī)械力學(xué)特性表征研究。根據(jù)以上分析，采用DLD 激光增材加工方法可實(shí)現(xiàn)CrNiMo 試樣的原位合金化。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用純度99.9%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以上的Cr粉、Mo 粉、Ni 粉作為原料進(jìn)行電弧熔煉處理。在WK-II 真空電弧爐內(nèi)熔煉制得合金鑄錠，總共重熔6 次后使合金內(nèi)各元素達(dá)到均勻分布狀態(tài)。針對(duì)粗粉和細(xì)粉依次選擇DLD 與SLM 兩種工藝進(jìn)行增材加工。按照相同摩爾比將上述元素粉進(jìn)行配制，再通過(guò)Turbula 混合機(jī)按照轉(zhuǎn)速為50 r/min 的條件持續(xù)混合1 h 得到混合均勻的粉末。

以SLMSoluNion125HL 打印機(jī)作為本次SLM 加工設(shè)備，同時(shí)為該設(shè)備配備了光斑直徑為65 μm 的激光器。對(duì)腔體進(jìn)行打印前，先充入Ar 氣進(jìn)行表面清洗，并檢測(cè)O2濃度，控制φ（O2）在0.1%以下?？刂萍す夤β试?40～320 W，保持掃描速率在500～700 mm/s，相鄰光斑的搭接間距為0.08～0.1 mm，層厚0.04 mm。

利用DiondoD2CT 系統(tǒng)表征了打印試樣表面微觀結(jié)構(gòu)。以SmartLab9kWX 射線衍射儀表征試樣物相成分。利用電鏡附帶能譜儀對(duì)試樣元素含量進(jìn)行面掃描。通過(guò)ArchimedesHTV-PHS30 硬度計(jì)測(cè)試了拋光表面處于25～600 ℃溫度區(qū)間內(nèi)的硬度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 混合元素粉體的表征

圖1 給出了DLD 實(shí)驗(yàn)期間的各項(xiàng)元素粉末的SEM形貌。從微觀形貌上分析可以發(fā)現(xiàn)，粉末表現(xiàn)為球形結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星粉形態(tài)，可以確保其在加工階段保持高流動(dòng)性。通過(guò)對(duì)各區(qū)域的元素含量測(cè)試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)混粉處理后，各元素粉都達(dá)到了均勻分布狀態(tài)?；旌戏勰┑腦RD 譜如圖2 所示，進(jìn)一步展現(xiàn)了三種金屬的混合狀態(tài)。

圖1 混合元素粉末的SEM 像

圖2 混合粉末的XRD 譜

2.2 CrNiMo 合金的增材制造

2.2.1 打印態(tài)樣品致密度及成形適性

兩種增材制造合金試樣并未產(chǎn)生明顯的元素粉末峰，打印試樣屬于單相BCC 結(jié)構(gòu)，因此進(jìn)行DLD和SLM激光增材處理時(shí)，獲得了接近等原子比的原位合金試樣，幾乎沒(méi)有剩余單相元素粉末。

利用掃描電鏡表征SLM打印試樣的截面微觀形貌，得到如圖3 所示的圖像，可以看到此時(shí)形成了大量毫米級(jí)裂紋。還有一些裂紋從表面擴(kuò)展到了基體內(nèi)。對(duì)合金粉體進(jìn)行SLM原位合金化處理時(shí)缺乏良好的加工適性，無(wú)法獲得致密的塊體結(jié)構(gòu)。

圖3 DLD 和SLM 成形CrNiMo 合金截面形貌的SEM 像

圖4 是通過(guò)DLD 方法加工得到的CrNiMo 合金密度及其功率變化曲線。由圖4 可知，當(dāng)持續(xù)提高激光功率，具體從850 W 增大至1 150 W 的過(guò)程中，試樣密度由6.8 g/cm3增大到7.5 g/cm3，到達(dá)1 340 W 時(shí)獲得7.48 g/cm3的最大密度值，并進(jìn)入穩(wěn)定階段。以DLD 1350W 表示密度最大試樣。圖5 是對(duì)SLM打印件密度和體能量密度測(cè)試所得的結(jié)果。由圖5 可知，在體能量密度增大的過(guò)程中，試樣密度也呈現(xiàn)持續(xù)上升的變化趨勢(shì)。最大密度為7.25 g/cm3，體能量密度達(dá)到166.67 J/mm3，將試樣標(biāo)記成SLM167J。對(duì)圖4 進(jìn)行分析還可以發(fā)現(xiàn)，在1 140 W 以上的激光功率下進(jìn)行處理時(shí)，以DLD 工藝制備的CrNiMo 試樣密度已超過(guò)電弧熔煉試樣密度。

圖4 DLD 成形CrNiMo 合金的密度-激光功率曲線

圖5 SLM 成形CrNiMo 合金的密度-體能量密度曲線

2.2.2 打印態(tài)樣品的微觀組織

以兩種方法進(jìn)行增材加工得到的CrNiMo 試樣都是屬于單相形態(tài)的BCC 固溶體。對(duì)DLD1350W 與SLM167J 試樣進(jìn)行電鏡掃描與能譜測(cè)試，得到的結(jié)果如圖6 所示。從圖6 中可以看出，兩種工藝條件下都出現(xiàn)了元素富集的情況。圖6-1 顯示在DLD 試樣內(nèi)存在殘留的Ni，圖6-2 的SLM試樣內(nèi)則形成了亮度較高的半球形區(qū)域，經(jīng)EDS 測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在部分Mo 富集的現(xiàn)象，主要是由熔融Mo 顆粒組成。同時(shí)在SLM試樣內(nèi)還存在未完全熔融的Mo 粉。表1給出了CrNiMo 名義組成與通過(guò)EDS 測(cè)試得到的元素含量。其中，電弧熔煉試樣中各元素呈現(xiàn)非常接近的等原子比的特征。DLD 試樣內(nèi)Cr 含量比名義比例更小。SLM試樣內(nèi)因?yàn)镸o 粉缺乏良好的固溶性能，因此通過(guò)EDS 測(cè)試的Mo 含量偏低。

表1 成形CrNiMo 合金的主元素含量

圖6 DLD1350W 和SLM167J 樣品的SEM 像和EDS

采用DLD 和SLM 等能量束增材方法進(jìn)行原位合金加工時(shí)，應(yīng)將合金元素設(shè)置在熔沸點(diǎn)范圍內(nèi)。對(duì)熔沸點(diǎn)差異很大的不同元素進(jìn)行熔融時(shí)，受過(guò)高能量的影響將會(huì)造成低沸點(diǎn)元素的大量揮發(fā)。而能量過(guò)低時(shí)則會(huì)引起高熔點(diǎn)元素處于不能充分熔融的狀態(tài)?？紤]到增材加工方式存在明顯熱應(yīng)力積累現(xiàn)象，不同成型工藝條件也會(huì)對(duì)能量輸入造成明顯制約。相比較而言，采用DLD 方法可以實(shí)現(xiàn)原位合金化成分的多樣性控制。

3 結(jié)論

1）進(jìn)行DLD 和SLM 激光增材時(shí)，獲得了接近等原子比的原位合金。提高DLD 激光功率，密度增大，DLD 激光功率到達(dá)1 340 W 時(shí)獲得7.48 g/cm3最大密度值。DLD 激光功率在1 140 W 以上時(shí)，制備CrNiMo試樣達(dá)到電弧熔煉程度。

2）兩種工藝條件下都出現(xiàn)了元素富集。在DLD試樣內(nèi)存在殘留的Ni，SLM試樣內(nèi)則存在部分Mo 富集現(xiàn)象。