馬明明，李軍，張彥林，黃學(xué)君，彭凱，王思維，張弛

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2.國家先進(jìn)軌道交通裝備創(chuàng)新中心 湖南株洲 412001

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1 序言

受電弓作為軌道交通車輛受流裝置，承擔(dān)著接觸網(wǎng)與車載電氣設(shè)備之間的導(dǎo)電作用。在列車運(yùn)行時(shí)，受電弓及其關(guān)鍵零部件還應(yīng)具備良好的力學(xué)性能，以保證受電弓在各種復(fù)雜工況下仍能獲取持續(xù)穩(wěn)定的電能。

某型號(hào)受電弓是我國復(fù)興號(hào)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組及城軌車輛主力型受電弓，導(dǎo)向軸桿安裝于該型號(hào)受電弓彈簧盒內(nèi)，與空心軸套組合，在升弓、降弓或弓頭上下起伏時(shí)引導(dǎo)弓頭組件上下運(yùn)動(dòng)，確保受電弓碳滑板與接觸網(wǎng)之間始終保持良好的接觸效果。在受電弓服役過程中，導(dǎo)向軸桿不僅與軸套之間存在滑動(dòng)摩擦，還可能存在各種拉力、壓力等動(dòng)載荷。目前，導(dǎo)向軸桿采用弧焊與機(jī)械加工的方法制造，為了達(dá)到良好的焊接性能，選用材料為奧氏體不銹鋼，屈服強(qiáng)度為350～400MPa，硬度為25～30HRC。但是，軸套內(nèi)滾珠的材料為馬氏體耐磨材料，硬度約為55HRC，在受電弓服役過程中，導(dǎo)向軸桿表面極易出現(xiàn)磨損失效現(xiàn)象。同時(shí)，在復(fù)雜工況下，導(dǎo)向軸桿還易出現(xiàn)變形彎曲甚至焊縫開裂等各種失效現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了受電弓的穩(wěn)定性。如果將奧氏體不銹鋼改為力學(xué)性能較好的模具鋼材料，則在焊接過程中，模具鋼較差的焊接性又限制了導(dǎo)向軸桿的成形制造[1，2]。因此，尋求新材料與新工藝，提升導(dǎo)向軸桿整體性能是解決上述零件失效的根本方法。

激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting， SLM）是一種高性能金屬零部件成形技術(shù)，是目前應(yīng)用面最廣、成形結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、適應(yīng)材料較廣泛的一種3D打印技術(shù)[3，4]。首先，能成形的材料有奧氏體不銹鋼、模具鋼、鈦合金、鋁合金及鎳基高溫合金等，材料適應(yīng)性較廣泛。其次，成形零部件尺寸精度可達(dá)±（0.1～0.2）mm。對(duì)于成形性能而言，由于合金在微熔池形態(tài)下的快速凝固過程，所以成形零部件一般具有均勻的組織結(jié)構(gòu)以及較少的偏析或其他冶金缺陷，其力學(xué)性能可超過鑄件水平，部分材料成形后可超過鍛件水平。因此，采用SLM技術(shù)一體化成形導(dǎo)向軸桿，并選取耐磨性較好的馬氏體不銹鋼，不僅可避免出現(xiàn)焊縫開裂失效現(xiàn)象，還能提升導(dǎo)向軸桿的耐磨性能與機(jī)械強(qiáng)度，這是因?yàn)椋孩賁LM技術(shù)一體化成形原理從根本上避免了焊縫和螺栓聯(lián)接部位的出現(xiàn)。②SLM技術(shù)特殊的熱加工工藝能一體成形馬氏體不銹鋼，可顯著提升導(dǎo)向軸桿表面硬度。③SLM成形過程屬于合金在微熔池形態(tài)下的快速凝固過程，成形組織晶粒細(xì)小，晶界偏析較小。由于晶界對(duì)裂紋尖端塑性區(qū)域大小的限制和對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，所以晶粒細(xì)化還可從根本上抑制裂紋的產(chǎn)生，提升了零件的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度[5-7]。

綜上所述，采用SLM技術(shù)成形馬氏體不銹鋼導(dǎo)向軸桿是避免其服役失效的最佳方法。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

本試驗(yàn)采用EOS M290增材制造系統(tǒng)成形檢測試樣和導(dǎo)向軸桿樣件，成形材料為4Cr13馬氏體不銹鋼粉末，粉末粒徑為20～45μm，化學(xué)成分見表1。

表1 4Cr13不銹鋼粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2.2 試驗(yàn)方法

SLM成形過程中，每層熔覆層的激光掃描路徑按照光柵掃描方式進(jìn)行，而相鄰兩層熔覆層的掃描方向變換67°（見圖1），這種掃描方式已普遍應(yīng)用于SLM成形過程中，試驗(yàn)用SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼工藝參數(shù)見表2。

圖1 SLM成形掃描相位變化示意

表2 試驗(yàn)用SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼工藝參數(shù)

對(duì)SLM成形后的樣品進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)與主要力學(xué)性能測試分析。首先按照ASTM E3—2011《金相試樣制備標(biāo)準(zhǔn)指南（中文版）》制取金相試樣，并用王水進(jìn)行腐蝕，腐蝕后的試樣采用金相顯微鏡觀察成形件橫截面與縱截面微觀組織結(jié)構(gòu)。

根據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，使用洛氏硬度計(jì)對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行硬度測試。對(duì)于每個(gè)參數(shù)所成形樣品，在同一截面沿同一方向測試10個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)的間距為10mm，求取平均值作為該樣品的最終顯微硬度值。根據(jù)ISO 6892-1：2009《金屬材料 抗拉試驗(yàn) 第1部分：室溫下的試驗(yàn)方法》設(shè)計(jì)拉伸試樣尺寸，并采用與導(dǎo)向軸桿相同工藝參數(shù)成形拉伸性能測試。拉伸試樣成形后，用砂紙對(duì)試樣標(biāo)距部分進(jìn)行適當(dāng)打磨，以減少測試誤差。使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試，測量相同工藝參數(shù)下3件拉伸試樣并取平均值作為最終拉伸性能值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 導(dǎo)向軸桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真

針對(duì)導(dǎo)向軸桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的導(dǎo)向軸桿為一體式結(jié)構(gòu)，如圖2a所示，即將原有的焊接結(jié)構(gòu)合并為一體結(jié)構(gòu)，并將導(dǎo)桿部分掏空，導(dǎo)桿壁厚為3mm，如圖2b所示。

圖2 導(dǎo)向軸桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

為了驗(yàn)證中空結(jié)構(gòu)導(dǎo)向軸桿性能的可靠性，在試驗(yàn)之前，采用模擬仿真的方法對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力仿真，并在一定載荷下得出變形量大小。以某受電弓四滑板弓頭為分析對(duì)象，弓頭組裝質(zhì)量21kg，每個(gè)彈簧筒承受的弓頭重力約為53N，導(dǎo)桿拉出位移為300mm，最大接觸力300N。假定弓頭的一根滑板承受接觸力，且接觸力引起的彈簧筒的最大支撐力約為192N。接觸網(wǎng)與滑板摩擦系數(shù)為0.15，摩擦力約為30N。弓頭出現(xiàn)縱向3g沖擊載荷時(shí)，縱向沖擊力為630N，每個(gè)彈簧筒承受的縱向沖擊力為158N。

在上述邊界條件下，圖3給出了一體式中空結(jié)構(gòu)導(dǎo)向軸桿仿真結(jié)果，包含最大應(yīng)力值和橫向變形量。

圖3 一體式中空結(jié)構(gòu)導(dǎo)向軸桿應(yīng)力與變形仿真結(jié)果

由圖3可看出，一體式中空結(jié)構(gòu)導(dǎo)向軸桿最大應(yīng)力為41.4MPa，最大橫向變形量為0.14mm，二者均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求值。作為對(duì)比，在相同邊界條件下，對(duì)傳統(tǒng)分體式焊接結(jié)構(gòu)導(dǎo)向軸桿進(jìn)行了應(yīng)力與橫向變形量仿真，其結(jié)果如圖4所示。由圖4可看出，在相同條件下，導(dǎo)向軸桿的最大應(yīng)力達(dá)到了233.3MPa，最大橫向變形量達(dá)到了1.64mm。

圖4 分體式焊接結(jié)構(gòu)導(dǎo)向軸桿應(yīng)力與變形仿真結(jié)果

從以上仿真結(jié)果看出，在同等工況下，一體式中空結(jié)構(gòu)導(dǎo)向軸桿應(yīng)力和橫向變形均比分體式焊接結(jié)構(gòu)導(dǎo)向軸桿的應(yīng)力和橫向變形小。尤其是一體式中空結(jié)構(gòu)導(dǎo)向軸桿的質(zhì)量比分體式焊接結(jié)構(gòu)導(dǎo)向軸桿（帶套筒）的質(zhì)量輕25%。從計(jì)算結(jié)果可知，采用一體式中空結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向軸桿，不僅性能可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，質(zhì)量還能減輕25%，因此該結(jié)構(gòu)可以采用3D打印技術(shù)一體化成形制造。

3.2 3D打印導(dǎo)向軸桿及后處理

3D打印4Cr13馬氏體不銹鋼導(dǎo)向軸桿如圖5所示。在將零件從打印設(shè)備取出后，需對(duì)打印零件進(jìn)行去應(yīng)力退火處理和去支撐處理。在去掉支撐后，再對(duì)零件進(jìn)行后續(xù)表面拋光處理與外螺紋加工。在非裝配面，無需進(jìn)行機(jī)加工，保持打印后的表面狀態(tài)即可。

圖5 3D打印4Cr13馬氏體不銹鋼導(dǎo)向軸桿

3.3 組織結(jié)構(gòu)分析

SLM成形零件之所以性能優(yōu)異，尤其是在成形態(tài)與熱處理態(tài)下的主要力學(xué)性能達(dá)到鍛件水平，這主要是由成形過程中的高冷卻速率（104～106K/s）下形成的組織結(jié)構(gòu)均勻、晶粒尺寸細(xì)小所致。為此，對(duì)SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼的微觀組織進(jìn)行分析，其樣品縱截面放大500倍后光學(xué)顯微組織形貌如圖6所示。

圖6 SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼光學(xué)顯微組織形貌（500×）

由圖6可看出，微觀組織無明顯氣孔、未熔合等缺陷，這表明在SLM成形過程中的工藝參數(shù)選擇適當(dāng)，激光束能量可將粉末完全充分熔化，并使其發(fā)生相變。同時(shí)，組織結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)分層現(xiàn)象，這是由不同熔覆層之間的重熔現(xiàn)象導(dǎo)致的。

圖7進(jìn)一步給出了放大1000倍的SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼光學(xué)顯微組織形貌。由圖7可看出明顯的晶粒，且晶粒生長方向沒有出現(xiàn)明顯的定向性，也就是說沒有出現(xiàn)明顯的織構(gòu)現(xiàn)象，這對(duì)于材料力學(xué)性能的各向同性有益。同時(shí)，由圖7中可以大致判斷出，SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼的晶粒尺寸為20～50μm，且沒有明顯的突變，晶粒尺寸大小均勻。晶粒尺寸細(xì)小的主要原因仍然是在SLM成形過程中，由較高的冷卻速率所致。

圖7 SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼光學(xué)顯微組織形貌（1000×）

馬氏體不銹鋼力學(xué)性能的顯著特點(diǎn)是高強(qiáng)度與高硬度，主要原因包括固溶強(qiáng)化與相變強(qiáng)化。在馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)中，碳原子處于晶格的扁八面體間隙中，造成晶格畸變并形成一個(gè)應(yīng)力場。該應(yīng)力場與位錯(cuò)發(fā)生強(qiáng)烈的交互作用，從而提高馬氏體的強(qiáng)度，即固溶強(qiáng)化。另外，馬氏體的形態(tài)在發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，晶體內(nèi)能造成密度很高的晶格缺陷，這種高密度的位錯(cuò)能阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使馬氏體強(qiáng)化，即相變強(qiáng)化機(jī)制。除了上述兩種固有的強(qiáng)化機(jī)制外，在SLM成形過程中，熔池在熔化凝固過程中，冷卻速率高達(dá)104～106K/s數(shù)量級(jí)，較高的冷卻速率形成了細(xì)小的馬氏體結(jié)構(gòu)，細(xì)小的馬氏體相的界面有阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，從而提高了馬氏體的強(qiáng)度，即晶粒細(xì)化強(qiáng)化機(jī)制[5-7]。

SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼電子顯微組織結(jié)構(gòu)如圖8所示。由圖8可看出，馬氏體的形態(tài)主要表現(xiàn)為板條狀，而板條狀馬氏體不僅具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)還具有較好的韌性。

圖8 SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼電子顯微組織結(jié)構(gòu)

3.4 主要性能分析

根據(jù)上述組織結(jié)構(gòu)分析，在SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼過程中，合金的強(qiáng)化機(jī)制包括固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化與晶粒細(xì)化強(qiáng)化，由此可大幅提升4Cr13馬氏體不銹鋼的力學(xué)性能。SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼拉伸性能測試結(jié)果見表3。

表3 SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼拉伸性能測試結(jié)果

由表3可看出，無論是水平拉伸還是垂直拉伸，抗拉強(qiáng)度值均高于鍛件標(biāo)準(zhǔn)值。尤其是水平拉伸方向的抗拉強(qiáng)度，最高值要比鍛件標(biāo)準(zhǔn)值高約1000MPa。這說明三種機(jī)制的強(qiáng)化效應(yīng)，使SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼的力學(xué)性能大幅提升。

然而，對(duì)于軸桿類零件使用4Cr13馬氏體不銹鋼，其耐磨性能是重要的力學(xué)性能指標(biāo)。SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼表面硬度測試值見表4。

SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼鹽霧試驗(yàn)結(jié)果見表5。鹽霧試驗(yàn)方法采用的是中性鹽霧試驗(yàn)，拋光面pH值為6.5～7.0。

表5 SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

由表5的測試結(jié)果可看出，在鹽霧試驗(yàn)測試時(shí)間分別為24h和72h后，試樣表面沒有出現(xiàn)任何腐蝕現(xiàn)象，腐蝕評(píng)級(jí)為最高的10級(jí)。在經(jīng)過鹽霧試驗(yàn)144h后，出現(xiàn)四點(diǎn)點(diǎn)狀紅銹，并在168h時(shí)未見擴(kuò)展，因此上述試驗(yàn)結(jié)果滿足材料的裝車使用要求。

3.5 裝車考核

SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼導(dǎo)向軸桿在車輛段試裝如圖9所示。通過現(xiàn)場組裝測試，SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼導(dǎo)向軸桿的尺寸精度完全滿足該型號(hào)受電弓裝備需求。受電弓組裝完成后在某地鐵車輛段列車進(jìn)行運(yùn)行裝車考核，考核時(shí)間為6個(gè)月。

圖9 SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼導(dǎo)向軸桿在車輛段試裝

在列車運(yùn)行6個(gè)月后，進(jìn)行受電弓導(dǎo)向軸桿的拆裝檢測。SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼導(dǎo)向軸桿裝車3萬km后拆卸狀態(tài)檢測形貌如圖10所示。通過目測可知，采用SLM技術(shù)制造4Cr13馬氏體空心導(dǎo)向軸桿表面沒有出現(xiàn)任何磨痕、彎曲、修飾等失效現(xiàn)象，考核結(jié)果證明采用該工藝成形導(dǎo)向軸桿，可有效解決導(dǎo)向軸桿表面不耐磨、彎曲等慣性失效難題，有效提升了導(dǎo)向軸桿使用壽命和受電弓的性能穩(wěn)定性。

圖10 SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼軸桿裝車3萬km后拆卸狀態(tài)檢測形貌

4 結(jié)束語

針對(duì)某型號(hào)受電弓導(dǎo)向軸桿容易出現(xiàn)磨痕及變形等慣性失效難題，采用SLM技術(shù)一體化成形4Cr13馬氏體不銹鋼導(dǎo)向軸桿及性能測試樣件。結(jié)果顯示，采用SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼導(dǎo)向軸桿微觀組織形貌表現(xiàn)為板條狀馬氏體，通過固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化及晶粒細(xì)化強(qiáng)化，提升了SLM成形4Cr13馬氏體不銹鋼導(dǎo)向軸桿的力學(xué)性能和表面硬度。尤其是通過SLM技術(shù)的工藝精準(zhǔn)調(diào)控特性，可使導(dǎo)向軸桿表面洛氏硬度分布在45～46HRC之間。導(dǎo)向軸桿的裝車考核結(jié)果證明，采用SLM成形的4Cr13馬氏體導(dǎo)向軸桿在裝車運(yùn)行6個(gè)月后，沒有出現(xiàn)任何磨痕、彎曲變形、修飾等失效現(xiàn)象，導(dǎo)向軸桿的使用壽命大大提升，受電弓的穩(wěn)定性也大幅提升。