胡新廣，褚清坤，鄧朝陽，閆星辰，楊保健

（1.五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門 529020；2.廣東省科學(xué)院新材料研究所，廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點實驗室，現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國家工程實驗室，廣東 廣州 510650；3.廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

增材制造（Additive Manufacturing，AM）是當(dāng)今一種迅猛發(fā)展的先進(jìn)材料加工技術(shù)[1-2].作為這一加工技術(shù)的主要代表，激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)可以使用計算單元驅(qū)動激光束完成多類材料、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度要求較高零件的自由成形[3].與常規(guī)工藝方法相比（例如鑄造、鍛造和常規(guī)粉末冶金），該技術(shù)具有極高的加工柔性及較高的材料利用率[4]，很好地解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形問題.高能量SLM激光束引入的超高冷速（105～107K/s[5]）使得激光輻照區(qū)的熔融材料經(jīng)歷快速非平衡凝固過程導(dǎo)致精細(xì)微結(jié)構(gòu)及合金元素在SLM零件中呈均勻分散[6].正是由于上述原因，SLM成為了制備具有高性能金屬材料的最佳選擇之一[7].

注塑模具通常在高溫環(huán)境下工作，不僅需要高質(zhì)量的工作表面，還需要內(nèi)部精密的冷卻通道以提高使用壽命.但受到常規(guī)制造工藝（例如鉆孔處理的線性特性）的限制，其冷卻水路無法與模具型腔輪廓很好地相符[8]，這極大地降低了注塑模具的冷卻效率和冷卻均勻性.由于SLM帶來的材料設(shè)計和制造自由度可以直接創(chuàng)建具有隨形冷卻通道和良好機(jī)械性能的注塑模具，因此，人們對SLM常用的注塑模具材料進(jìn)行了相應(yīng)的探索.Zhao等[9]成功制造了具有較高相對密度（超過99%）和硬度值（約510 HV）的SLM AISI 420不銹鋼零件，可以滿足注塑應(yīng)用的要求.Mazur等[10]成功制造了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的SLM H13鋼注塑模具，但機(jī)械測試結(jié)果表明，SLM H13鋼零件的機(jī)械性能比傳統(tǒng)鍛造的H13鋼試樣差，可能的原因是沒有進(jìn)行后續(xù)熱處理.同時，值得注意的是，包括AISI 420鋼(ω(C)=0.2%～0.45%)和H13鋼(ω(C)=0.32%～0.45%)在內(nèi)的高碳工具鋼由于碳含量較高、焊接性差，在SLM過程中極易形成裂紋和孔洞，限制了其在SLM技術(shù)中的進(jìn)一步應(yīng)用.

沉淀硬化不銹鋼（Precipitation hardening stainless steels，PHSS）是一種具有良好韌性的高強(qiáng)度鋼，通過約500°C進(jìn)行的時效處理可以在超低碳基材中析出均勻分布的金屬間納米沉淀物而使得其強(qiáng)硬度得到改善[11].Etter等[12]建議通過熱處理方式以減小SLM零件固有微觀結(jié)構(gòu)對機(jī)械性能的影響.對于 PHSS材料，根據(jù)具體的化學(xué)成分與應(yīng)用場景，可以通過一系列熱處理獲得各向異性較弱的良好機(jī)械性能.LeBrun等[13]報道了熱處理對 SLM 17-4 PHSS鋼微觀結(jié)構(gòu)的影響，這些試樣在CA-H900條件下可以獲得具有良好極限拉伸強(qiáng)度（約1 444 MPa）和硬度（約42.5 HRC）的SLM 17-4 PHSS鋼試樣.然而，即使使用了不同的熱處理方法，SLM 17-4 PHSS鋼所表現(xiàn)出的機(jī)械性能仍然不能很好地滿足注塑模具的要求.Yin等[14]認(rèn)為時效處理對SLM 18Ni-300鋼強(qiáng)度和耐磨性有著重要影響.在最佳時效條件下（490°C持續(xù)3 h），可以獲得具有優(yōu)異機(jī)械性能和低摩擦系數(shù)（0.586±0.071）的SLM 18Ni-300鋼樣品.盡管SLM 18Ni-300鋼是注塑模具的合適候選材料，但該材料中Co含量相當(dāng)高（約8.5%～9.5%），相對較高的制造成本限制了其在注塑模具中的進(jìn)一步應(yīng)用.

Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金是一種新開發(fā)的馬氏體PHSS鋼，其碳含量極低(ω＜0.05%)、鉻含量相對較高(11%～13%)，是一款具有良好可加工性、耐腐蝕且適用于注塑模具的極佳候選材料[15-16].為了滿足特殊注塑模具的需求，本研究旨在探討時效處理對 Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金零件微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響.

1 材料與方法

1.1 試樣制備

本研究所用Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金粉末為球形粉末（EOS GmbH，德國），其化學(xué)成分列于表1.圖1-a為研究用Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo粉末的微觀形貌，圖1-b為通過Mastersizer 2000型激光衍射粉末粒度儀測得該粉末的粒度分布 (DV(10)＝20.2 μm，DV(50)＝31.4 μm，DV(90)＝46.8 μm).如圖1-c所示，本研究所采用的激光掃描策略為在相鄰成形層之間旋轉(zhuǎn)67°.本研究使用EOS M290增材制造系統(tǒng)在316 L不銹鋼基板上進(jìn)行Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金樣品的制備，采用的激光優(yōu)化參數(shù)設(shè)定為：激光光斑100 μm，激光功率260 W，層厚30 μm，掃描間距100 μm，掃描速度1060 mm/s，對樣品進(jìn)行成形.為避免在SLM制備過程中樣品氧化，向成形倉中通入高純氬氣(φ=99.999%）)，并將氧體積含量保持在 0.13%以下.使用 SLM 所制備的10 mm×10 mm×10 mm金相試樣和拉伸試樣如圖 1-d所示.采用線切割技術(shù)將其從基板上取下后，對部分金相試樣和拉伸試樣進(jìn)行時效處理（在530°C①該時效溫度的選取參考了文獻(xiàn)[17-19]中與之成分相近的PH 13-8Mo鋼熱處理的數(shù)據(jù).下保溫3 h后空冷）.

圖1 Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金微觀形貌及其制備

表1 Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金粉末的化學(xué)組成

1.2 材料表征

1.3 機(jī)械性能測試

將熱處理前后的SLM樣品測試面拋光到表面粗糙度低于0.15 μm，以減少表面劃痕及氧化皮等較差表面質(zhì)量對硬度測試時的影響.使用MH-5D型顯微硬度計測量SLM樣品表面不同位置的維氏顯微硬度，所用載荷為200 g，加載時間為25 s，相鄰硬度點設(shè)定為0.1 mm，測10次取平均值并記錄.為了探索SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金的拉伸性能，對熱處理前后的SLM試樣分別進(jìn)行3次測試.拉伸試驗根據(jù) ASTM E8M 標(biāo)準(zhǔn)以1 mm/min的應(yīng)變速率進(jìn)行測試.屈服強(qiáng)度值（yield strength，YS）和最大拉伸強(qiáng)度值(ultimate tensile strength，UTS)等數(shù)據(jù)可以由INSTRON拉伸測試設(shè)備直接得到.量程為10 mm的引伸計被安裝在拉伸試樣的標(biāo)距段以記錄拉伸斷裂過程中的應(yīng)變.總延伸率（total elongation，TE）根據(jù)ASTM E111標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定，之后對斷口形貌使用SEM進(jìn)行觀測和評估.

2 結(jié)果與討論

2.1 物相分布

對時效熱處理前后的 SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金試樣進(jìn)行 XRD物相測試，所得結(jié)果如圖 2所示.由 XRD衍射圖2-a可知，打印態(tài)SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金試樣中的物相僅有α′-Fe相（即馬氏體），而經(jīng)過時效熱處理后則有少量γ-Fe相（即逆轉(zhuǎn)變奧氏體）形成.這是因為SLM過程中熔池的加熱/冷卻速度極快，材料凝固后形成了單一的超低碳馬氏體組織，且?guī)缀鯔z測不到殘余奧氏體.但在530°C下保溫3 h過程中，快速熔凝得到的不穩(wěn)定馬氏體組織較易發(fā)生逆轉(zhuǎn)變奧氏體的反應(yīng)，因此經(jīng)過時效處理后會有少量γ-Fe相（即逆轉(zhuǎn)變奧氏體）出現(xiàn)，圖2-b放大XRD圖譜中的γ-Fe(111)峰位也證明了這一現(xiàn)象.

圖2 熱處理前后SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金試樣的XRD圖譜

此外，由圖 2-b可以明顯觀察到，與時效態(tài)的峰位相比，打印態(tài)的α′-Fe(110)峰位向低角度偏移了.這是因為SLM過程極高的冷卻速度導(dǎo)致打印態(tài)合金試樣表面產(chǎn)生了較高的拉伸殘余應(yīng)力，使得其峰位向低角度移動；而時效熱處理中馬氏體組織產(chǎn)生的動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶過程對打印態(tài)材料的殘余應(yīng)力起到了很好的釋放作用，因此時效態(tài)的α′-Fe(110)峰位要比打印態(tài)的峰位高.

2.2 微觀組織

圖3為時效處理前后SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金試樣在XY面的EBSD觀測結(jié)果.如圖3-a所示，不同于其他SLM材料的微觀組織，打印態(tài)的Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo微觀組織以大量細(xì)小的等軸晶為主且沒有觀測到明顯的晶粒取向.對晶粒尺寸進(jìn)一步分析后的結(jié)果如圖 3-b所示，該合金中平均晶粒尺寸約為1.72 μm，其中納米晶(＜1μm)的比例為44.8%，超細(xì)晶(1～2 μm)的比例為31.7%.這表明SLM的快速熔凝對Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金超細(xì)晶粒的形成有益，對其機(jī)械性能具有極大促進(jìn)作用.

圖3-c、3-d是時效處理后Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金試樣的反極圖和晶粒統(tǒng)計結(jié)果.可以看出，時效處理產(chǎn)生的動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶過程使其微觀組織發(fā)生了明顯粗化的現(xiàn)象.由圖3-d的晶粒統(tǒng)計結(jié)果可知，時效后的平均晶粒尺寸為2.61μm，約為打印態(tài)合金平均晶粒的151.7%；其中，納米晶占比17.3%，超細(xì)晶占比20.3%，均低于打印態(tài)組織中相應(yīng)晶粒所占的比例.盡管時效處理使得SLM試樣中的組織產(chǎn)生粗化現(xiàn)象，但仍未產(chǎn)生明顯的晶體學(xué)取向，且仍以大量等軸晶為主.

圖3 熱處理前后SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金試樣在XY面下的微觀組織

2.3 硬度分布

圖4-a為時效熱處理前后SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金試樣的平均顯微硬度值，具體數(shù)據(jù)列于表2中.SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金樣品在打印態(tài)和時效熱處理狀態(tài)下的平均顯微硬度分別為 (353± 15.2)HV0.2和(503± 11.8)HV0.2.值得注意的是，SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金打印態(tài)下的顯微硬度可以達(dá)到甚至超過 SLM 18Ni300鋼打印態(tài)的顯微硬度[18].這可歸因于打印態(tài)的 SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金微觀組織沒有明顯的各向異性特征，并且，由于SLM過程中極高的冷卻速度，在打印態(tài)試樣中形成了大量細(xì)小的等軸晶粒.時效處理后，SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金的顯微硬度與打印狀態(tài)相比提高了約42.5 %，這種現(xiàn)象可以歸因于時效硬化過程中產(chǎn)生的大量高硬度納米NiAl顆粒在馬氏體基體中具有彌散強(qiáng)化作用.

2.4 拉伸性能

圖4-b顯示了時效熱處理前后SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金試樣的拉伸性能指標(biāo)，具體數(shù)據(jù)列于表2中.經(jīng)過時效處理后，SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金試樣的屈服強(qiáng)度和最大拉伸強(qiáng)度都得到了極大提高且其標(biāo)準(zhǔn)差的波動相差不大，說明采用的 SLM 工藝和熱處理工藝具有極佳的穩(wěn)定性.但是由于時效處理產(chǎn)生的大量納米NiAl相分布在粗化的馬氏體組織中，導(dǎo)致其總延伸率略有惡化（從15.7 %降低到了12.3 %）.極大提升的拉伸強(qiáng)度使得時效熱處理后的SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金更適用于沖壓模具、注塑模具這類需要大載荷、高硬度的工業(yè)應(yīng)用場合.

表2 SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金試樣熱處理前后的機(jī)械性能

圖4 熱處理前后SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金試樣的硬度與強(qiáng)度對照

圖5顯示了時效處理前后SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金試樣的斷口形貌.如圖5-a所示，打印態(tài)拉伸樣品發(fā)生了顯著的“頸縮”現(xiàn)象（箭頭所指），這表明SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金具有極高的塑韌性；進(jìn)一步，在打印態(tài)樣品的斷口表面上觀察到了因大量塑性變形而產(chǎn)生的大而深的韌窩（如圖5-b箭頭所指），表明打印態(tài)樣品在斷裂時以韌性斷裂機(jī)制為主.對于時效處理后的樣品來說，除了圖 5-c中展示了不明顯的頸縮現(xiàn)象外，在圖 5-d所示的斷口表面上還發(fā)現(xiàn)了一些未熔粉末（箭頭所指）和較淺的韌窩（箭頭所指）的穿晶斷裂，這說明時效處理后的試樣在斷裂時是一種韌-脆混合斷裂模式.

圖5 熱處理前后SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金試樣的斷口微觀形貌

3 結(jié)論

本文通過SLM工藝成功制備了Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金試樣，并對部分試樣做了時效處理及分析，得到以下結(jié)論：

1）打印態(tài)樣品中的主要物相為α′-Fe相（即馬氏體），而經(jīng)過時效熱處理后則有少量γ-Fe相（即逆轉(zhuǎn)變奧氏體）形成；時效處理可明顯改變打印試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)，且時效處理后合金的微觀組織明顯粗化，但仍是以無明顯晶體學(xué)取向的等軸晶（平均粒徑為2.61μm）為主；

2）時效處理后試樣的力學(xué)性能明顯比打印態(tài)的SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金有所提升，打印態(tài)的SLM Fe-12Cr-9Ni-2Al-1.5Mo合金更適用于強(qiáng)度硬度適中、韌性要求較高的場合中；而時效熱處理對其強(qiáng)硬度的大幅提升，促使這種材料更加適用于沖壓模具、注塑模具這類需要大載荷、高硬度的工業(yè)應(yīng)用場合當(dāng)中.