顶刊《AM》：增材制造Cu-H13工具钢（一）(2)

时间：2022-06-16 15:50 来源：江苏激光联盟作者：admin 阅读：次

2.3.激光辅助定向能量沉积
图4显示了定制DED系统的原理图和设置，以生产本研究中的样品。该系统由激光器、气体供给组件、粉末供给器、运动控制系统和外壳组成。激光系统是IPG YLR-1000-WC掺镱连续波(CW)光纤激光器，其峰值功率为1 kW，波长为1064 nm，光束直径为3 mm。使用粉末进料系统(Powder Motion Labs)将粉末离轴输送到熔池中，该粉末进料系统具有陶瓷喷嘴(图 4b)。粉末进料喷嘴的内径为1.5毫米，在基底上方的间隔距离为15毫米。氩气用作粉末运载介质，将颗粒从粉末容器输送到熔池。计算机数字控制(CNC)平台被设计成在激光器部件静止的同时根据刀具路径在XYZ空间中移动衬底。刀具路径是单轨多层，Cu和D22沿其从左至右沉积，随后从右至左沉积。材料沉积是在氩气环境中进行以防止沉积物氧化。制造的Cu-D22-H13 mm和D22-H13 DJ如图 5所示，分别是a和b。

图1.(a) Cu和(c) D22粉末的SEM图像；(b) Cu和(d) D22的粒度分布

图2.(a)铁-铜，(b)铁-镍，和(c)铜-镍的二元合金相图

图3.(a) Cu-H13 DJ，(b) Cu-D22-H13 MMS和(c) D22-H13 DJ的示意图

图4　(ａ）DED过程的示意图和(b)实验装置。

图5.DED制造(a) Cu-D22-H13 MMS和(b) D22-H13 DJ

图6.(a)Cu-D22-H13 MMS上的分段拉伸试样；(b)D22-H13 DJ上的分段拉伸试样；(c)拉伸样品的尺寸。

图7.(a)Cu-H13 DJ的纵剖面概述图；显示(b)1区、(c)2区和(d)3区结构的显微图像。

3.1.微观结构表征

3.1.1.Cu-H13 DJ的显微组织
图 7a显示了制造的Cu-H13 DJ的纵剖面图。在包括Cu-H13界面区域(图 7b)、中间层(图 7c)和顶层(图 7d)沉积态铜。

图 7b在靠近双材料界面的Cu中呈现柱状晶粒，向上层生长。这种柱状晶粒的形成是DED工艺中快速定向凝固的结果。在沉积过程中，激光扫描基底的顶面以产生熔池。当填充材料被输送到熔池中时，它迅速凝固。当在室温下的衬底上沉积材料时，初始的冷却速率。例如，陈等人报道了在衬底上沉积第一层IN718的冷却速率为1400 K/s。Hejripour等人报告冷却速率为800 K/s将双相不锈钢放置在基底上。高冷却速率导致形成与热量相反生长的柱状晶粒流向。这种现象通常在许多材料的AM中观察到，例如镍基和钴基合金。区域1中铜的平均晶粒尺寸为宽度为200微米，最大为长度为1000微米。在打印后续层时，激光-由于铜的高导热率，产生的热量被快速转移到先前沉积的下层。此外，由于H13具有比Cu低得多的导热率，所以热量不会迅速消散。因此，二次加热容易提高Cu再结晶点以上的温度，引起晶粒长大。

图 7c显示了区域2中的微观结构。该区域呈现柱状枝晶。Reichardt等人声称柱状枝晶是由先前固化层的激光重熔引起的，其中已经沉积的材料充当后续层固化的成核位置。铜的顶层(图 7d)也主要表现为柱状枝晶。结果还表明，尽管铜吸收2-3%的红外激光能量(1.06微米波长度)，本研究中选择的DED工艺参数可以成功沉积铜。

图8　(a-b)Cu-H13 DJ在双材料界面区的SEM图像；(c)区域A1和(d)区域A2中材料的EDS定量分析

图 8a展示了界面区域未蚀刻的Cu-H13 DJ的显微照片。观察到Cu能够粘附到H13基底上，但是出现了微裂纹。这些裂纹位于界面处，并扩展到H13部分。进一步的分析证实了类似的裂纹分布在整个粘接线上。这些裂纹起始于双材料界面，并扩展到基体中垂直于界面的区域。对这些裂缝的测量表明，它们的长度从40微米到70微米不等。这种裂纹是由于凝固裂纹和高残余应力的综合作用形成的，高残余应力是由于铜(17×10ｅｘｐ（6）/°C)和H13(10.4×10ｅｘｐ（6）/°C)。将Cu直接沉积到H13上可以由于凝固开裂而失效。凝固开裂是与凝固范围和终点液体的体积有关，两者都受标称成分和固化条件的控制。铁-铜相图(图2a)在较宽的温度范围内显示出较大的固化温度范围(450°C)铜在铁中的浓度和有限固溶度。因此，Cu-H13 DJ具有较高的凝固开裂敏感性。据报道，对于Cu-AISI 1013钢系统，当Cu浓度在5wt %范围内时，从沉积物中发现凝固裂纹。残余应力还会导致Cu-H13界面开裂。在激光加热和随后的冷却循环中，Cu和H13的温度经历周期性变化。在加热阶段，Cu的表面温度远高于下衬底的表面温度。同样，在冷却阶段，铜的冷却速度更快。在加热阶段，由于铜的温度较高，铜的膨胀受到较冷衬底的限制，导致衬底承受拉伸应力，铜产生压缩应力。相反，在随后的凝固冷却过程中，Cu的冷却速度要快得多。因此，Cu经历收缩，并且其收缩受到基板的限制，导致基板中的压缩应力和Cu中的拉伸应力。因此，基底和铜经历了循环拉伸和压缩应力。当应力超过任一材料的屈服强度时，塑性变形开始发生，材料开始开裂。这项研究表明H13对热应力诱发的裂纹更敏感，因为裂纹主要分布在基底区域。在Cu-H13圆柱形芯的热疲劳试验中也观察到了这种类型的裂纹，其中裂纹是在当H13涂覆在铜基底上时沉积H13。
在铜层中观察到富铁颗粒，在H13截面中观察到富铜颗粒，如图8b–9d 中所示的定量分析证明了铜向H13部分和H13向铜层的扩散。图 8中还报告了铜扩散到钢基体中的情况。出现这些问题是因为只有非常少量的Cu可以与H13形成合金(图 2a)。在打印第一层Cu时，一定量的H13被激光熔化以形成熔池。同时，注入的铜被输送到熔池中并与现有材料混合。在凝固过程中，由于铜几乎不能与H13混合，铜从铜-H13溶液中分离出来，产生富铜和富H13材料。在文献中也观察到了铜镀层中的富铁颗粒现象。例如，在靠近Cu-H13界面的Cu层中发现了H13颗粒。在靠近铜合金镀层的界面上观察到SS316 L小球。

未完待续！

文章来源：Additive Manufacturing 36 (2020) 101474,Additive manufacturing of copper–H13 tool steel bi-metallic structures via Ni-based multi-interlayer,https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101474
参考资料：Laser aided additive manufacturing of spatially heterostructured steels，International Journal of Machine Tools and Manufacture，Volume 172, January 2022, 103817，https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2021.103817

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