周克崧院士中外联合顶刊丨激光粉末床熔融高强耐磨SiC增强马氏体时效钢

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研究内容              

采用LPBF制备了含量为3、6、9、12、15、18 vol% SiC颗粒增强马氏体高强钢基复合材料。以体积激光能量密度E_v（E_v=P/（v×t×h））为参考，探讨试样的表面粗糙度、孔隙度、硬度与工艺参数的关系。表面粗糙度的结果显示，E_v和P的减少会降低熔池的流动性和润湿性，两者的增加则会导致熔池表面张力上升，同时，E_v的增加会加剧马兰戈尼效应引起的质量对流，从而在试样中形成冶金缺陷，三者都会导致表面粗糙度增加。孔隙度的结果显示，E_v（< 89 J/mm³)较低易导致粉末熔化不完全，E_v（> 131 J/mm³)较高易产生小孔效应，导致孔隙的形成。此外，E_v相同时，在一定范围内，随着熔池穿透深度随P增大而增大，可以有效改善因熔融不足产生的孔洞，从而降低孔隙率。硬度的结果显示，较低的能量易使粉末熔化不完全，较高的能量易诱发小孔效应和导致元素燃烧损失，从而降低硬相含量和硬度值。添加了3-12 vol% SiC的马氏体高强钢基复合材料的相对密度高于99.4%，进一步增加SiC含量导致高孔隙率。

         

图1  激光参数对LPBF制备的M9 MMCs表面粗糙度和孔隙率的影响                      

图2  激光参数对LPBF制备的M9 MMCs (a)显微硬度的影响，以及(b)不同SiC含量的LPBF制备的MMCs的孔隙率和阿基米德密度

2. SiC含量对合金组织的影响            

通过LPBF成功制备了陶瓷颗粒分散均匀的马氏体高强钢基复合材料，发现SiC颗粒的数量会随SiC含量的增加而显著增加。随着SiC颗粒的增加，高角度晶界（HAGBs）增加，失配区域和位错密度增加。同时，SiC颗粒的增加使得试样的平均晶粒尺寸降低，其原因可能是添加陶瓷会促进非均相成核，提高成核速率，导致晶粒细化。

图3  SiC颗粒在LPBF处理(a) M9和(b) M12样品中的分布

           

图4  M6和M9 MMCs样品的EBSD分析:(a) M6的IPF和PFs，(b) M6的晶界图，(c) M9的IPF和PFs，(d) M9的晶界图，(e) M6和M9的晶粒尺寸分布，(f)和(g)分别为M6和M9的KAM图

3. SiC含量对力学性能的影响              

随着SiC含量的增加，马氏体高强钢基复合材料的硬度逐渐提高，最高可达618               HV_0.1。它的延性变化趋势相反，随着SiC含量的增加而逐渐降低至5.3%。它的极限抗拉强度(UTS)的变化趋势不同，在SiC含量为3 vol%时达到最高极限抗拉强度1611 MPa，远高于马氏体高强钢的极限抗拉强度。            

图5  LPBF生产的MMCs的硬度和(b)拉伸性能            

4. SiC含量对摩擦磨损性能的影响              

马氏体高强钢基复合材料样品的摩擦系数随SiC含量的增加而略有降低，但都低于马氏体高强钢的摩擦系数。马氏体高强钢的磨损机制主要为粘着磨损，马氏体高强钢基复合材料磨损轨迹以颗粒磨屑为主，这些颗粒是磨粒磨损的产物，抑制了粘着磨损程度，随着SiC添加量的增加，磨粒磨损成为复合材料的主要磨损机制。              

             

图6  摩擦磨损试验后MS和MMCs磨损表面的扫描电镜图像              

5. SiC含量对耐腐蚀性能的影响

实验发现，添加SiC对耐蚀性没有明显的不利影响，当SiC的添加量大于6 vol%时，C300 马氏体高强钢的耐蚀性有轻微提高的趋势。

表1  LPBF法制备的MS和MMCs试样的腐蚀性能                              

02                    

                   

总结                  

采用LPBF法对SiC增强C300马氏体时效钢基复合材料进行了工艺优化、组织、力学性能、摩擦学性能和耐蚀性研究。主要结论：              

（1）以9 vol% SiC增强马氏体高强钢基复合粉末的制备结果为基础，优化了马氏体高强钢基复合材料的LPBF工艺参数，即P=280 W, v=950 mm/s, h=110 μm和Ev=89                 J/mm³。              

（2）激光处理后SiC颗粒在金属基体中分布均匀。SiC含量为3 vol%的马氏体高强钢基复合材料的抗拉强度最高，达到1611 MPa，远高于马氏体高强钢，断裂伸长率为10.1%。              

（3）与马氏体高强钢相比，添加SiC颗粒的马氏体高强钢基复合材料的耐磨性和耐蚀性都有所提高。              

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