顶刊《AM》：增材制造Cu-H13工具钢（一）
时间：2022-06-16 15:50 来源：江苏激光联盟 作者：admin 阅读：次
当选择用于模具的材料时，需要在高温下具有一定的强度以保持部件的形状，同时具有高导热性以减少部件的凝固固化时间。这种需求导致了对Cu与H13工具钢双金属结构的研究和应用。利用定向能量沉积实验装置，使用了两种制造方法:在H13上直接沉积Cu和利用Deloro 22 (D22，> 95 wt .% Ni含量)。制造了三种结构:Cu-H13直接接头(DJ)、Cu-D22-H13多金属结构(MMS)和D22-H13 DJ。为了表征该结构，进行了以下操作:微观结构表征、元素分布、拉伸测试、硬度和热导率测量。将铜直接连接到H13上会导致界面开裂。通过引入D22缓冲层，在H13上成功沉积了无缺陷的铜。由于非常有限的层扩散，在D22-H13界面经历了元素含量的急剧转变。在D22-Cu界面上，检测到Cu和Ni的逐渐过渡，表明连续的元素扩散。拉伸试验表明，Cu-D22-H13 MMS试样在Cu区断裂，其形貌表明为韧性断裂。D22-H13 DJ在D22区域失效，尽管延伸主要发生在H13区域。Cu-D22-H13 MMS和D22-H13 DJ的界面都经受住了拉伸测试，表明了强的结合强度。显微硬度测量观察到H13表面的硬度由于激光硬化而增加。材料硬度在Cu-H13 DJ中迅速下降，但在Cu-D22-H13 mm中逐渐下降，因为D22中的Ni扩散到多层Cu中。热导率测试表明，与纯H13相比，Cu-D22-H13多晶材料的总热导率提高了约100 %。Cu的体积分数可以显著影响Cu-D22-H13多晶材料的整体热导率。
1.背景介绍
与传统制造的单一材料结构相比，多金属结构(MMS)可以提供更广泛的特性，包括化学(腐蚀、氧化等)。)、热物理(密度、导热率等。)和机械(抗拉强度、延展性、硬度等)。增加这些特性的范围可以促进更好的应用，包括在极端环境中的应用。已经进行了许多研究来证明结合不同材料用于特定应用的可行性。例如，钛合金已经成功地与奥氏体不锈钢结合，将钛合金的高强度重量比和超耐热性能与不锈钢的良好可焊性和成本效益结合起来。这种组合已经用于航空航天和核应用。还研究了Inconel (IN718和IN625)与不锈钢(316 L和304 L)的连接，以将Inconel的高强度、耐腐蚀性、抗蠕变性和疲劳强度与不锈钢在核裂变和汽车工业中的成本效益结合起来。此外，已经进行了制造由钛/铝制成的双金属结构的研究，钛/铟718 、铜/铝、以及铜/铟718 。
增材制造(AM)已经证明了通过直接粘合不同的材料来制造多晶材料的能力，通过中间层或成分渐变层组合不同的材料。直接连接不同的材料会导致多种失效模式，包括开裂、脆性和高水平的残余应力。这些通常会发生由于缺乏溶解性、原子结构不匹配或被连接材料的热膨胀系数(cte)不匹配，在材料之间的尖锐界面处。因此，开发了在不同金属之间插入中间层以产生功能梯度材料(FGM)的技术来缓解这些问题。定向能沉积(DED)的AM工艺特别适合构建多材料组件。DED过程可以是粉末供给过程，其导致在运行中改变进入的粉末流的化学成分的能力。这种能力允许DED直接产生连接的结构以提供独特的功能。
H13工具钢(H13)是热加工和冷加工工具应用中最常用的材料之一，因为它具有高淬透性、突出的耐磨性以及优异的韧性和抗疲劳性。模具的常规制造包括从固体退火H13块中机械加工这些部件，随后热处理这些部件以获得所需的高硬度和强度。AM可以为具有非常复杂的几何形状和可比质量的自由成形模具提供快速的替代方法。模具/铸模中需要冷却通道，因此在使用过程中冷却剂可以通过通道循环以冷却模具/铸模。组件的效率和充分冷却至关重要，因为不充分的冷却会导致长周期服役时间并引入热致缺陷，如疲劳和翘曲。在传统的制造模式中，冷却通道是通过钻孔形成的，因此是直的，导致不均匀的热传递、不均匀的冷却和热致应力。基于AM的技术，例如DED和选择性激光熔化(SLM )，已经被研究来改变范例，并且已经导致具有保形冷却通道(CCC)的模具的制造，CCC是遵循模具形状的通道，以保证快速和均匀的冷却。例如，通过SLM创建多个冷却通道布局，并研究制造的模具的表面粗糙度和冷却均匀性。激光金属沉积(LMD)被用来生产CCC，并与传统的钻孔直通道进行比较。有CCC的零件经历了更均匀的温度分布和整体更低的温度。与仅具有线性冷却通道的模具相比，通过AM和机械加工的混合制造的注射模具大大减少了循环时间并提高了产品质量。此外，与具有直通道的传统模具相比，具有CCC的附加制造工具有助于减少零件变形，这是因为温度变化减小了。
实现增强冷却的另一种方法是将具有高导热系数的材料与H13耦合。这种双材料结构可以导致更快的热传递，从而减少生产时间。众所周知，铜及其合金具有异常高的热导率，因此已经进行了一些研究来将铜和H13结合起来。铜和H13的直接连接会遇到问题，因为铜和铁是不混溶的。例如，Imran等人报道了在钡铜上沉积H13导致H13层中的铜颗粒和气孔，这显著降低了双材料结构的机械性能。因此，可与Cu和Fe形成合金的中间材料可用作结合剂来结合Cu和H13。因为Ni可以与Cu形成固溶体，所以含有高含量Ni的材料通常被用作这种中间层。例如，41０C不锈钢被用作H13沉积物和铜合金基材之间的缓冲层.然而，结构的拉伸测试显示界面处的低结合强度。Onuike等人成功沉积了GRCop-84(铜基合金6.5wt。%铬和5.8wt%。%Nb)／718。由于镍基高温合金通常包覆在H13上以提高高温下的耐腐蚀性和强度，IN718可以提供将Cu与H13键合的解决方案。
本研究的目的是研究采用镍基合金Deloro 22 (D22)作为中间层连接纯铜的可行性和H13。为此目的，使用DED技术进行了两种类型的实验。首先，将纯铜直接沉积在H13基板上，并进行检查以揭示相关问题。之后，通过插入D22缓冲层来研究Cu-D22-H13 MMS的制造。对制备的MMS的微观结构、力学性能和热性能进行了评价。这项研究的结果提供了一个替代的解决方案，以解决与使用AM连接纯Cu和H13相关的挑战。
2.实验程序
2.1.材料
本研究中使用的材料包括Royal Metal Powders Inc 提供的铜粉(纯度99.9 %)和Kennametal提供的镍基D22粉末。选择纯铜是因为在铜中添加其他元素会显著降低其热导率。使用扫描电子显微镜对Cu和D22粉末进行表征，每种材料的代表性图像见图1。使用ImageJ分析两种粉末的粒度和分布。分析表明，铜和D22的平均粒径分别为110微米和62微米。在退火条件下，基底是AISI H13。
2.2.多金属结构的设计
直接在H13上沉积Cu是最费时和能量的有效方法。然而，根据铜-铁相图 (图. 2a)中，将Cu和H13直接结合是具有挑战性的，因为只有非常少量的Cu(小于2.5ｗｔ%)可以在形成之前与Fe形成合金，在室温下还原α-Fe。直接连接Cu和H13将最有可能以富铜和富铁材料的交替层结束，因为铜基本上不能溶解在铁中。此外，根据Cu和H13的热性质(表2)，H13位置-与铜(17×10ｅｘｐ（6）/°C)相比，具有低得多的CTE(10.4×10 ｅｘｐ（6）/°C)。这一事实将在双材料界面处产生显著的残余应力，这将很可能导致开裂。
连接Cu和H13的另一种解决方案是使用直接层，其作为可溶于Fe和Cu的过渡材料。在当前的研究中，采用镍作为直接材料。根据铁镍相图 (图2b)存在混合的fcc(面心立方)和bcc(体心立方)相。当铁镍合金中的铁含量范围为40wt%至95wt%。当镍含量大于60wt%时，铁镍合金是由FeNi3相形成。在另一个极端，当Ni含量小于5wt %时，观察到α-Fe。%。此外，镍能与铜形成稳定的固溶体(图2c)。此外，镍的CTE为13.3×10ｅｘｐ（6）/°C，介于铜和H13之间。因此，在铜和镍之间插入镍由于CTE值的差异，H13可以减轻残余应力的发展。此外，Ni具有高热导率，因此不会阻碍Cu-Ni-H13 中的大部分热传递。考虑到上述事实，镍是结合铜和H13的良好候选者。D22被选作中间层，因为它主要由Ni (> 95 wt。%)。硼和硅的存在有助于形成硬质硼化物和硅化物相，即使在高温下也有利于其耐磨性。此外，D22易于加工主要用于修理模具，这与本研究的应用是一致的。
在本研究中，设计了三个薄壁MMS试件，如图图 3所示。首先执行Cu和H13 (Cu-H13 DJ)的直接连接，以强调之前在直接连接过程中发现的问题。之后，D22被引入作为缓冲层以制造Cu-D22-H13 MMS。D22首先沉积在H13衬底上。随后，在D22的顶表面上沉积Cu以制造Cu-D22-H13 MMS(图 3b)。此外，为了测试D22-H13的结合强度，还生产了直接接头(D22-H13DJ(图.3c)
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