<越达增材>17-4PH高强钢增材制造组织与性能研究

  17-4PH高强钢为超低碳钢，依靠析出第二相使材料产生强化作用，作为一种具有高强度和强耐腐蚀性的不锈钢材料，在医疗器械、化工、汽车制造、军工、航空航天及核工业等方面有着广泛的应用，由于材料只能长期服役在低于300℃下，对于其性能要求更高，以及其沉淀硬化而产生的高硬度使得该材料变得很难加工，传统的高温加工工艺已经不能满足零件的加工，如铸造工艺缺陷问题，给后续变形加工和热处理造成的难度较大，以及焊接的复杂零件易产生应力集中，因此用选区激光熔化（SLM）成形技术步解决了成形问题。

     SLM成形技术利用金属粉末在激光束的热作用下快速熔化冷却，克服了传统技术制造具有复杂形状金属零件的难题，但SLM成形热循环过程导致残余应力、形成裂纹、成形过程中发生飞溅，以及气孔的形成对力学性能或成形零件的表面粗糙度产生不利影响，以及在制造过程中存在各向异性、孔隙、残余应力和分层等问题。近年来，通过对SLM成形参数（激光功率、扫描速度、扫描间距、层厚、构建方向、保护气氛等）的研究，提高SLM成形零件的整体性能成为研究者的重要目标。

      

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       研究团队采用选区激光熔化（SLM）增材制造技术制备了17-4PH高强钢，研究了激光功率和扫描间距对试样组织和性能的影响，确定了最佳工艺参数，对试样组织进行表征同时对拉伸性能和断裂机制进行研究。

结果表明，在激光功率为165W时，激光能量密度低粉末吸收能量较少，导致粉末存在未熔化区域；随着激光功率增加到205W时，粉末吸收能量增多，导致出现球化现象，试样气孔增多；扫描间距对孔隙缺陷影响比扫描功率小。激光功率为185 W和扫描间距为110 μm工艺参数下，气孔分布少，硬度（HV）达到370。

17-4PH高强钢SLM成形微观组织主要由马氏体和奥氏体组成，沉淀硬化相为ε-Cu，提高了材料的硬度；断口韧窝形状大小相似且尺寸较小，表明试样有较高的强度和良好的韧性。

试验方法

        使用的17-4PH高强钢粉体的主要化学成分（质量分数）为：Cr 为14.10%，Ni 为3.94%，Cu 为5.64%，Si为 0.47%，Mn为 0.37%，Nb为 0.21%，C为 0.07%，Fe余量。对17-4PH不锈钢粉末进行筛选，过滤出粉末中的杂质，将过滤后的粉末放入烘干箱进行干燥处理，经过干燥后的金属粉末中无水分。

使用选区激光熔化成形设备，其搭载200 W/500 W水冷光纤激光器，激光波长为106~1090 nm，成形室内用氩气保护。对影响成形的工艺参数进行优化设计，影响选区激光熔化成形试样的因素有激光功率、扫描间距、扫描速度、曝光时间、层厚等。试验中固定扫描速率620mm·s -1和层厚30 μm，选择不同激光功率P、扫描间距d进行研究，具体见表1。

拉伸试样见图1。

图1 拉伸试样

试验结果

l 17-4PH高强钢SLM成形工艺参数优化

图2为激光扫描速率为620 mm·s -1，扫描间距为110 μm，扫描层厚为30/μm，在不同功率下气孔分布。随着激光功率逐渐增大，能量密度也会逐渐变大，充足的激光束能量会使金属粉末充分熔化，金属层内的液相流动性提高，这有利于金属颗粒之间接触面的凝固成形，会使材料孔洞减少、致密度明显的提高。然而，当激光功率继续增大，激光束能量吸收过多导致粉末过熔，形成缺陷。

图2 为激光扫描速率为620 mm·s -1，扫描间距为110 μm，扫描层厚为30/μm，在不同功率下气孔分布

（a）165W（b）185W（c）205W（d）激光功率185W气孔SEM形貌

图3为激光功率为185W，激光扫描速率为620mm·s -1，扫描层厚为30 μm，在不同描间距下的试样气孔分布。可以看出，整体气孔分布变少，说明扫描间距对孔隙缺陷影响较小。

图3 激光功率为185W，激光扫描速率为620mm·s -1，扫描层厚为30 μm，在不同描间距下的试样气孔分布

（a）90 μm（b）110 μm（c）130 μm（d）扫描间距110 μm气孔SEM形貌

图4 为不同激光功率下试样硬度分布。图5为不同扫描间距下试样硬度分布。从图4和图5可以看出，在功率165W时，激光能量密度最低，气孔最多，导致密度降低，从而试样硬度下降。扫描间距对孔隙缺陷影响较小，但是金属层被激光扫描时，金属粉末液相之间需要搭接；扫描间距为90 μm时，能量密度增大，试样存在过熔状态，导致硬度降低；扫描间距为130 μm时，扫描面上扫描轨迹间搭接距离变大，能量密度降低，残余奥氏体含量会增多，导致硬度降低。在功率为185W和扫描间距为110 μm下气孔数量减少，孔隙率降低，密度增加，基体硬度变大，硬度升高，而且因基体内部沉淀出ε-Cu以及一些碳化物沉淀相，可进一步提高试样的硬度。

图4 不同激光功率硬度分布

图5 不同扫描间距硬度分布

最终确定SLM成形工艺参数为：激光功率为185W，扫描间距为110μm，扫描速度为620mm·s -1，扫描层厚为30μm，激光能量密度为90.42J·mm-3。

l 17-4PH高强钢SLM成形的微观组织

      图6为17-4 PH高强钢SLM成形试样的微观组织。可以看出，成形的17-4PH高强钢体现了各向异性，在横截面没有明显晶界，横截面晶粒细小均匀分布，见图6a；从图6b看出，虚线内纵截面有明显的熔池且呈层间带状。试样的主要组织结构为马氏体，马氏体为bcc结构，马氏体是SLM成形过程中快速熔化和冷却造成的，并随着热流在熔池中形成柱状结构，在纵截面可以看出一些柱状马氏体是平行于建构方向，有些垂直于构建方向，表现成等轴晶粒。还有一些残余奥氏体，由于在SLM成形过程中，试样经过多次热循环，有一些余热，温度可达到奥氏体相稳定范围，会促进奥氏体组织的积累，奥氏体为fcc结构（见图6e和图6f箭头），残余奥氏体的存在使试样的延展性得到提高。

图6 17-4PH高强钢SLM成形的微观组织

OM形貌（a）X-Y截面OM形貌（b）X-Z截面OM形貌 SEM形貌（c）X-Y截面SEM形貌（d）X-Z截面SEM形貌（e）高倍X-Y截面SEM形貌（f）高倍X-Z截面SEM形貌。

图7为 17-4PH高强钢析出相EDS。可以看出，析出相多为球形状。表2为颗粒的主要成分。由表2表明，颗粒为Cr的碳化物，还有少量Cu析出，ε-Cu多为纳米级颗粒，一般情况下ε-Cu沉淀物主要在时效过程中形成，在SLM成形过程中激光扫描产生的热传递引起的时效效应。

图7 17-4PH高强钢析出相EDSl

l 17-4PH高强钢SLM成形的拉伸性能

图8为17-4PH高强钢的应力-应变曲线，在同一参数下对拉伸试样进行3次试验，取平均值，试样的抗拉强度为1 176.72 MPa，伸长率为15.91 %。

图8 17-4PH高强钢的应力-应变曲线

17-4PH高强钢试样拉伸断口由纤维区、放射区和剪切唇区3个区域构成。从宏观来看，拉伸断口整个断面比较平滑，呈现了沿最大切应力方向断裂特征。利用SEM对拉伸试样断口形貌进一步分析，断口的纤维区分布大量韧窝，形状大小相似，韧窝尺寸较小，试样中有第二沉淀相的存在，在拉伸时会有微孔形成（见图9b白色箭头），说明该17-4PH不锈钢具有较高的强度和良好的韧性，其与组织的均匀性以及晶粒细小都有关系，组织中存在的奥氏体降低了材料的强度，但是改善了材料的塑性。

图9 17-4PH高强钢拉伸试样SEM断口形貌

（a） 宏观形貌 （b）微观形貌

l 结论

17-4PH高强钢SLM成形在185 W功率和110 μm扫描间距下，气孔分布情况相对来说较少，密度较大，硬度较大。

17-4PH高强钢SLM成形微观组织主要由马氏体和残余奥氏体组成，可观察到横纵截面组织有差别，在纵截面可以看出有明显的熔池呈层间带状。根据EDS分析，17-4PH高强钢的沉淀相为ε-Cu以及一些碳化物，可以提高材料的硬度。

17-4PH高强钢拉伸断口面由纤维区、放射区和剪切唇区3个的区域构成，断口韧窝形状大小相似且尺寸较小，表明试样有较高的强度和良好的韧性。