韩国海洋大学顶刊丨定向能量沉积增材制造高锰钢的沉积特性及其耐磨损行为

来源： 先进焊接技术

高锰钢(HMS)具有高加工硬化性和冲击韧性以及出色的耐磨性。韩国海洋大学的研究人员采用定向能量沉积(DED)将HMS沉积到Inconel718表面并分析了沉积特性。结果表明，当激光功率为1050W且送粉速度为4g/min时，观察到的气孔和熔合不良最少。该研究证明了使用HMS作为粉末进行表面涂层以最大限度地提高耐磨性的工业适用性。

关于高锰钢增材制造的最新研究文章 “Deposition characterization of high-manganese (13Mn) steel built via directed energy deposition and its wear behavior” 发表在国际顶级材料期刊《Journal of Materials Research and Technology》上。关注公众号: 增材制造硕博联盟，聚焦增材制造科研与工程应用！

高锰钢(HMS)是指含有10-30wt%Mn的钢。HMS具有高加工硬化和冲击韧性以及出色的耐磨性。由于这些特性，HMS已广泛应用于各种行业，包括岩石破碎机、磨粉机、挖泥斗、铁路和耐磨板。然而，由于加工困难，HMS的工业使用受到限制。特别是，对于在磨损环境中使用的零件，表面的浅层（0.5-1毫米）会暴露在恶劣的条件下。在这种情况下，在零件表面涂覆HMS以提高耐磨性可能会有效。近年来，增材制造(AM)技术越来越多地用于提高性能，其中异质材料被涂在金属零件的表面上。

图1. (a) 多层沉积的定向能量沉积 (DED) 工艺和扫描程序示意图；(b) 实验装置和打打印过程图

图2. 在 STS316L 基板上沉积的 HMS 和 Inconel 718

在AM中，通过根据数字模型逐渐添加材料薄层来创建三维形状。基于该原理可以直接制造形状复杂的定制零件。AM已被广泛接受为设计和制造航空航天、医疗、能源和汽车应用中高性能部件的新范例。金属增材制造主要分为定向能量沉积（DED）和粉末床熔融（PBF）。具体而言，DED是一种将激光或电子束照射到金属表面上，使表面熔化，并供给金属粉末使其熔化、凝固进行沉积的方法。DED可以比激光束粉末床熔合(PBF-LB)更快地沉积材料，并且可以制造大型零件，因为它不受构建室的限制。此外，由于在制造过程中可以很容易地改变原料材料，因此可以制造功能梯度材料、多材料和增强高温复合材料或合金。关注公众号: 增材制造硕博联盟，聚焦增材制造科研与工程应用！

Inconel718具有出色的耐热性。特别是，Inconel718因其出色的可焊性而非常适合应用DED工艺。但是，如果专门使用Inconel718，则在各种环境中都容易发生损坏。特别是，由于硬度和耐磨性低，经常发生表面损坏。如果表面涂有具有高耐磨性的HMS，则可以延长产品寿命。因此，在该研究中，韩国学者将具有良好耐热性的Inconel718粉末沉积在STS316L顶部，然后沉积HMS粉末以提高耐磨性。

在不同激光功率和粉末进给速率下3D打印样品横截面的光学显微镜图像

3D打印制备的试样横截面

成形件的微观缺陷

不同磨损条件下磨损试验后磨损表面的SEM图像

在这项研究中，Inconel718粉末沉积在不锈钢基板的顶部，然后通过DED工艺沉积HMS粉末。HMS在不同的激光功率和送粉率下沉积，在评估沉积特性后设置适当的条件。根据选定的DED参数制作磨损试样，并测试HMS的磨损特性。得出以下结论：

(1) 在低激光功率沉积的样品中观察到部分孔隙，但在异质材料之间的边界处未观察到裂纹或分层等缺陷。在高粉末进料速率下也观察到未熔化。孔隙和未熔合会对成品材料的机械性能产生负面影响，并可能在极端情况下导致损坏。因此，在本研究中，选择1050W的激光功率和4g/min的送粉速度作为沉积HMS的合适DED条件，这会导致孔隙最少和未熔合。关注公众号: 增材制造硕博联盟，聚焦增材制造科研与工程应用！

(2) Laves相是打印Inconel718的特征，由于与Inconel718熔合而在打印HMS第一层中形成，因为难以溶解的Nb在快速冷却过程中集中在枝晶间区域。此外，由于低硬度的Fe-Ni相的影响，硬度迅速下降至250HV。

(3) 根据负载进行的磨损试验结果表明，随着负载的增加，试件的失重减少。在所有条件下，磨损轨迹表面附近的硬度都增加，因为表面因球压力而硬化。近表面晶粒细化，位错密度随载荷增加而增加。同时，在100和400N下未形成马氏体，但在250N下有少量马氏体形成，对硬度影响不明显。

(4) 根据RPM进行的磨损试验结果表明，试样的重量损失在100RPM时最大。磨损轨迹表面附近的硬度在所有条件下均有所增加，但在100RPM时增加最多。由于在50RPM和100RPM的磨损表面上没有形成氧化层，因此基体在很大程度上被球磨损了。因此，磨损在100RPM时最为严重。除了最大量的马氏体外，位错密度最高，因此，磨损轨迹表面附近的硬度增加最多。这些结果表明，在根据RPM进行的磨损测试中，HMS由于TRIP效应而硬化。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.12.104