激光粉末床熔融(SLM)加工新型高合金工具钢的加工性能和开裂行为（2）

时间：2022-07-20 13:11 来源：长三角G60激光联盟作者：admin 阅读：次

导读：本文为大家分享采用激光选区熔化（SLM）技术制备新颖的合金工具钢的过程中可加工性和开裂行为机理，本文为第二部分。

图9.a)CD数据的主要影响图；b)CD数据的交互图。

        因此，在方差分析(ANOVA)中，评估了所有因素的主要效应以及f、N和E之间的相互作用。该模型包括材料、f、N和E以及f、N和E之间的三阶相互作用。该模型的R2调整值为59.94 %，这可能表明模型中存在无法解释的可变性。这可归因于与阻塞因素材料的可能相互作用，这在统计分析中无法评估。由于所有的统计假设都得到了验证，进一步解释这些参数的显著性是可行的。每种材料的独立方差分析模型可能导致更高的R2调整值，而合金类型之间的整体比较是不可能的。结果表明，材料、E、N和f*N交互作用显著。材料似乎是最有影响的参数，F值最高，这也在主效果图中观察到。从图4所示样品的宏观视图中可以预测材料的影响。各钢种的开裂程度不同，随着碳含量的增加，开裂程度明显增加。第二强的参数是E，如F值所示。
       总的来说，较高的体积能量密度似乎有利于降低裂纹密度。关于相互作用f*N，聚焦光束和单道次的组合似乎有利于降低裂纹密度。然而，这种相互作用以及N的影响比材料和e的影响低一个数量级。可以得出结论，为缓解开裂而采用的处理策略效果不佳。总的来说，统计分析证实了加工参数对裂纹形成的影响，而材料的化学成分仍然是最重要的因素。
4.3.ΔT、CEN和MS的影响
        固化间隔的热计算模拟如图10所示。通过比较平衡(EQ)模型与沙伊尔-格利佛模拟(SGS)和具有反向扩散的SGS(SGS-BF)曲线，可以观察到快速凝固对合金元素偏析的影响。为了完整起见，提供了所有不同的解决方案，而具有反向扩散模式的沙伊尔·格利佛模型(SGSBF)是估计凝固间隔的最佳模型，被发现是最适合模拟LPBF中存在的条件的模型。仅在凝固开始时，所用模型没有差异，但一旦凝固开始，SGS和SGS-BF开始发散，扩大了间隔。此外，从SGS和SGS-BF曲线可以观察到碳反向扩散的影响。事实上，作为快速扩散元素的碳的部分再分布减少了凝固间隔，推动凝固更接近平衡曲线。在LPBF中，由于非常高的冷却速率，凝固期间的平衡条件不能维持。因此，期望更宽的凝固间隔、朝向构建方向的外延晶粒生长和树枝状微观结构。
       在图11中，描绘了根据平衡模型(EQ)和具有反向扩散的沙伊尔·格利佛模型(SGS-BF)用Thermocalc软件数据库，即tcfe 9-钢/铁合金v9.1和mob Fe 4-钢/铁合金迁移率v4.0估计的凝固区间的箱线图。最重要的结果是，不考虑模型中所考虑的碳反扩散，宽的固化间隔增加了热裂的危险。对于合金A，观察到的振幅增加主要归因于LPBF快速凝固(高铬)。此外，这些曲线意味着从平衡条件向更快速的凝固过程移动，凝固的ΔT可以进一步延长。因此，所测试的合金对于较慢的冷却过程(例如重力铸造)来说问题较小，而对于涉及非常快速的冷却循环的过程来说，它们可能更容易开裂。为了进一步分析，考虑了通过具有反向扩散的沙伊尔·格利佛模型计算的ΔT值。在图12中，所有实验条件的裂纹密度数据显示为CEN、Ms和ΔT的函数，试图用这些单一参数验证整体加工性能。不同合金类型的不同数据分散与变化的工艺参数的影响有关。在图12a和b中，合金A没有出现，因为它不含任何碳。

图10.对于所有六种研究的合金，凝固模拟以T(K)对固体图的摩尔分数表示。虚线、红色线和蓝色线表示根据平衡模型(EQ)、沙伊尔·格列佛模型(SG)和具有碳反向扩散的沙伊尔·格列佛模型(SGS-BF)的固化模拟。

图11.根据平衡凝固模型(EQ)和带反向扩散的沙伊尔·格利佛模型(SGS-BF)对凝固区间的热计算估计。

图12.a)碳当量含量的函数的裂纹密度；b)马氏体开始温度；c)固化间隔。

如图12a所示，每种含碳工具钢的CEN都高于良好焊接的阈值，该阈值约为0.45质量百分比。根据Ouden和Hermans的研究这意味着焊接性差、冷裂风险高。此外，CD数据离差随着CEN增加，或者等同地随着工具钢的碳含量增加。这表明，至少从技术角度来看，在组合物中存在碳含量临界阈值，高于该阈值，LPBF加工性能急剧恶化。事实上，合金F的特征是在加工过的合金中具有最高的碳含量和最低的加工性能。

可以注意到，较高的碳含量产生较低的Ms，其范围在合金B的330 K和其它合金的250 K之间。这也适用于没有CD数据的合金F。图12b中所示的马氏体起始温度是使用Ms2公式计算的，因为根据Platl等人(2020b)的工作，它应该更适合于在碳化物可能溶解的高奥氏体化温度下估计HSS的Ms。使用其他公式Ms0和Ms1可以获得接近的结果。传统钢加工中马氏体形成的计算值非常低，表明除了合金B之外，微观结构中的马氏体抑制应该发生，合金B的马氏体形成预计在大约330 K。尽管有数值指标，但Ms值越低，裂纹密度值似乎越大，表明该指标不足以描述裂纹敏感性。事实上，Ms估计值是基于特定钢成分热处理设计中常用的经验公式。也没有工具钢的化学成分，LPBF热力学也不像Ms估计所需的假设，这限制了指标的适用性。

在图12c中，CD数据显示为ΔT的函数，该ΔT通过Thermocalc软件使用具有反向扩散的沙伊尔·格利佛模拟(SGS-BF)来估计。首先，可以注意到，由于沙伊尔·格利佛模型的假设，合金元素(尤其是碳)的偏析，以及LPBF冷却速率，凝固区间很宽。其次，合金B在含碳工具钢中显示出最高的ΔT，尽管它具有最低的碳含量和CEN。由于化学成分的复杂性和凝固过程中发生的相变，不容易理解造成这种行为的机制，然而B是最不容易开裂的合金。总的来说，ΔT似乎不足以描述开裂现象。较高ΔT可归因于形成热裂纹的可能性较高。另一方面，所有估计值都很大(126-258K)。作为比较，AISI 316作为一种具有众所周知的可加工性的材料，其ΔT按照与79 K相同的方法进行计算。可以看出，所研究的合金的特点是具有高得多的区间，增加了它们对热裂纹的敏感性，同时可以预期，其他因素可以影响其程度，并在组合时有助于抑制热裂纹。因此，冷却条件和断裂图像与这些指标一起进行了分析。

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