韩国海洋大学顶刊：定向能量沉积增材制造高锰钢的沉积特性及其耐磨损行为

时间：2023-12-01 09:04 来源：先进焊接技术作者：admin 阅读：次

高锰钢(HMS)具有高加工硬化性和冲击韧性以及出色的耐磨性。韩国海洋大学的研究人员采用定向能量沉积(DED)将HMS沉积到Inconel718表面并分析了沉积特性。结果表明，当激光功率为1050W且送粉速度为4g/min时，观察到的气孔和熔合不良最少。该研究证明了使用HMS作为粉末进行表面涂层以最大限度地提高耐磨性的工业适用性。

关于高锰钢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” 发表在国际顶级材料期刊《Journal of Materials Research and Technology》上。关注公众号: 增材制造硕博联盟，聚焦增材制造科研与工程应用！

高锰钢(HMS)是指含有10-30wt%Mn的钢。HMS具有高加工硬化和冲击韧性以及出色的耐磨性。由于这些特性，HMS已广泛应用于各种行业，包括岩石破碎机、磨粉机、挖泥斗、铁路和耐磨板。然而，由于加工困难，HMS的工业使用受到限制。特别是，对于在磨损环境中使用的零件，表面的浅层（0.5-1毫米）会暴露在恶劣的条件下。在这种情况下，在零件表面涂覆HMS以提高耐磨性可能会有效。近年来，增材制造(AM)技术越来越多地用于提高性能，其中异质材料被涂在金属零件的表面上。

图1. (a) 多层沉积的定向能量沉积 (DED) 工艺和扫描程序示意图；(b) 实验装置和打打印过程图

图2. 在 STS316L 基板上沉积的 HMS 和 Inconel 718

在AM中，通过根据数字模型逐渐添加材料薄层来创建三维形状。基于该原理可以直接制造形状复杂的定制零件。AM已被广泛接受为设计和制造航空航天、医疗、能源和汽车应用中高性能部件的新范例。金属增材制造主要分为定向能量沉积（DED）和粉末床熔融（PBF）。具体而言，DED是一种将激光或电子束照射到金属表面上，使表面熔化，并供给金属粉末使其熔化、凝固进行沉积的方法。DED可以比激光束粉末床熔合(PBF-LB)更快地沉积材料，并且可以制造大型零件，因为它不受构建室的限制。此外，由于在制造过程中可以很容易地改变原料材料，因此可以制造功能梯度材料、多材料和增强高温复合材料或合金。关注公众号: 增材制造硕博联盟，聚焦增材制造科研与工程应用！

Inconel718具有出色的耐热性。特别是，Inconel718因其出色的可焊性而非常适合应用DED工艺。但是，如果专门使用Inconel718，则在各种环境中都容易发生损坏。特别是，由于硬度和耐磨性低，经常发生表面损坏。如果表面涂有具有高耐磨性的HMS，则可以延长产品寿命。因此，在该研究中，韩国学者将具有良好耐热性的Inconel718粉末沉积在STS316L顶部，然后沉积HMS粉末以提高耐磨性。

在不同激光功率和粉末进给速率下3D打印样品横截面的光学显微镜图像

3D打印制备的试样横截面

成形件的微观缺陷

不同磨损条件下磨损试验后磨损表面的SEM图像

在这项研究中，Inconel718粉末沉积在不锈钢基板的顶部，然后通过DED工艺沉积HMS粉末。HMS在不同的激光功率和送粉率下沉积，在评估沉积特性后设置适当的条件。根据选定的DED参数制作磨损试样，并测试HMS的磨损特性。得出以下结论：

(1) 在低激光功率沉积的样品中观察到部分孔隙，但在异质材料之间的边界处未观察到裂纹或分层等缺陷。在高粉末进料速率下也观察到未熔化。孔隙和未熔合会对成品材料的机械性能产生负面影响，并可能在极端情况下导致损坏。因此，在本研究中，选择1050W的激光功率和4g/min的送粉速度作为沉积HMS的合适DED条件，这会导致孔隙最少和未熔合。关注公众号: 增材制造硕博联盟，聚焦增材制造科研与工程应用！

(2) Laves相是打印Inconel718的特征，由于与Inconel718熔合而在打印HMS第一层中形成，因为难以溶解的Nb在快速冷却过程中集中在枝晶间区域。此外，由于低硬度的Fe-Ni相的影响，硬度迅速下降至250HV。

(3) 根据负载进行的磨损试验结果表明，随着负载的增加，试件的失重减少。在所有条件下，磨损轨迹表面附近的硬度都增加，因为表面因球压力而硬化。近表面晶粒细化，位错密度随载荷增加而增加。同时，在100和400N下未形成马氏体，但在250N下有少量马氏体形成，对硬度影响不明显。

(4) 根据RPM进行的磨损试验结果表明，试样的重量损失在100RPM时最大。磨损轨迹表面附近的硬度在所有条件下均有所增加，但在100RPM时增加最多。由于在50RPM和100RPM的磨损表面上没有形成氧化层，因此基体在很大程度上被球磨损了。因此，磨损在100RPM时最为严重。除了最大量的马氏体外，位错密度最高，因此，磨损轨迹表面附近的硬度增加最多。这些结果表明，在根据RPM进行的磨损测试中，HMS由于TRIP效应而硬化。

论文链接:

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

(责任编辑：admin)

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