热处理对选区激光熔化Co-Cr合金微观组织与力学性能的影响.pdf
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1、第 15 卷第 2 期2024年4月有色金属科学与工程Nonferrous Metals Science and EngineeringVol.15,No.2Apr.2024热处理对选区激光熔化Co-Cr合金微观组织与力学性能的影响张波1,刘艺1,夏书标*2(1.贵阳职业技术学院,贵阳 550081;2.曲靖师范学院化学与环境科学学院,云南 曲靖 655011)摘要:热处理不仅可以消除激光增材制造材过程中的热应力,还可以调控材料组织结构和力学性能。本文研究了选区激光熔化Co-Cr合金微观组织在不同热处理条件下的变化及其相应的力学性能。研究发现,打印态下合金组织为奥氏体,基体中存在大量层错和亚晶
2、界组织,以及少量四方-CoCr沉淀相;在1 150 下保温1 h,发生-转变,马氏体含量为10.4%(V/V),同时沉淀相由四方相转变为六方Co3W(Mo)2Si相;再经过800 处理2 h后,马氏体含量进一步增加至15.5%(V/V),同时沉淀相数量增加且尺寸增大。热处理后的沉淀相对力学性能影响显著,材料的硬度从31 HRC提高至38 HRC,屈服强度从848 MPa 提高至1 119 MPa。本研究可以为研究激光选区熔化Co基合金组织与性能调控提供参考。关键词:选区激光熔化;Co-Cr合金;热处理;沉淀相;力学性能中图分类号:TG113 文献标志码:AEffects of heat tre
3、atment on the microstructure and mechanical performance of Co-Cr alloy by selective laser meltingZHANG Bo1,LIU Yi1,XIA Shubiao*2(1.Guiyang Vocational and Technical College,Guiyang 550081,China;2.College of Chemistry and Environmental Science,Qujing Normal University,Qujing 655011,Yunnan,China)Abstra
4、ct:Heat treatment of laser additive manufactured materials cannot only eliminate thermal stress during the printing process,but also regulate their microstructure and mechanical properties.This article studies the changes in the microstructure of selective laser melted Co-Cr alloy under different he
5、at treatment conditions and its corresponding mechanical properties.It was found that the alloy structure in the as-printed state was-austenite,with a large amount of dislocation,sub-grain boundaries,and a small amount of tetragonal-CoCr precipitation phase in the matrix.A-transformation occurred at
6、 1 150 with a holding time of 1 h,and the volume fraction of-martensite was 10.4%.At the same time,the precipitation phase transformed from a tetragonal-phase to a hexagonal Co3W(Mo)2Si phase.After further treatment at 800 for 2 h,the martensite content increased to 15.5%,and the quantity and size o
7、f the precipitation phase increased.The influence of the precipitation phase on the mechanical properties after heat treatment was significant.The materials hardness increased from 31 HRC to 38 HRC,and the yield strength increased from 848 MPa to 1 119 MPa.This study can provide a reference for the
8、收稿日期:2022-11-29;修回日期:2023-04-12通信作者:夏书标(1980),教授,博士,主要从事锂离子电池电极材料以及合金材料的合成与研究。E-mail:文章编号:1674-9669(2024)02-0265-09 DOI:10.13264/ki.ysjskx.2024.02.013引文格式:张波,刘艺,夏书标.热处理对选区激光熔化Co-Cr合金微观组织与力学性能的影响J.有色金属科学与工程,2024,15(2):265-273.有色金属科学与工程2024 年 4 月microstructure and property regulation of Co-based alloy
9、s by selective laser melting.Keywords:selective laser melting;Co-Cr alloy;heat treatment;precipitation phase;mechanical performance激光选区熔化技术利用激光能量束将金属粉末熔化,通过逐层凝固堆积实现了三维复杂零部件的“近净成形”1-2。近年来,随着增材制造技术的快速发展,选区激光熔化技术已经应用于制备高强钢、钛合金、镍基高温合金、铝合金等航空航天用高性能材料3-5。这是由于选区激光熔化技术可以实现高达103108 K/s的加热和冷却速率,在打印过程中,每个沉积层的材
10、料都经历了多周期、短时间、微区域的剧烈加热和冷却过程6-7。这种超常规条件下的凝固相变动力学特性,与传统的锻造技术存在很大差异8,可获得特殊性能的非平衡微观组织。WANG等9采用选区激光熔化技术制备了316 L不锈钢,实现了跨尺度多级(104109 m)微观组织结构分布,强度和塑性均大幅超过传统不锈钢。在生物医疗领域,增材制造技术在个性化医疗器械制备效率和成本方面的优势也逐步得到认可10-14。特别是钴基合金,因其优良的力学性能、耐腐蚀性能、良好的生物兼容性和低廉的成本(相对医用稀贵金属),成为制作口腔植入体、口腔修复体以及外科植入体用量最大的合金材料,因此,选区激光熔技术制备的钴基合金也受到
11、广泛关注。得益于激光熔化过程中的亚稳态微观组织,选区激光熔化制造的钴铬合金与传统铸造合金相比,具有更好的机械性能、生物相容性和耐腐蚀性能,有更好的临床应用前景15-17。在热处理过程中,合金的微观组织的演化及其对合金性能的影响至关重要。研究显示,传统的锻造技术的后续热处理工艺可以有效改善材料的力学和耐腐蚀性能18-19;对打印构件进行热处理,同样可以实现微观组织结构的调控,从而有效改善材料的性能20-21。此外,由于选区激光熔化引入了局部非平衡热效应,打印构件通常存在较大的残余应力和较多的缺陷22,适当地进行热处理可以缓解甚至消除残余应力,并弥合部分缺陷23-24。根据文献23报道,选区激光熔
12、化钴铬合金微观组织中的-奥氏体(fcc)与-马氏体(hcp)相含量随着热处理温度的不同而变化,对力学性能的影响明显;同时,在热处理过程中,钴铬合金的晶界结构也会发生显著变化,当热处理温度升至1 150,钴铬合金发生再结晶25,由于该合金层错能(SFE)低,易形成层错结构以及退火孪晶组织 26-27,完全不同于打印态时以胞状晶(Cell Structure)为主的亚晶界结构。这些相界和亚晶界的结构和性质的变化,可以显著影响材料的力学性能和耐腐蚀性能等28。除此以外,钴铬合金中沉淀相颗粒对基体的各项性能也会产生显著影响。因合金成分不同,钴铬基体中常见的沉淀相颗粒可能包括碳化物M23C6、Lavis
13、相和相等29,然而,相比传统的锻造技术,钴铬合金选区激光熔化过程中非平衡沉淀相颗粒状态(种类、尺寸、形貌和分布等)的研究较少,这些非平衡沉淀相颗粒在后续热处理过程中的演化及其影响更是鲜有报道。本文以Co-Cr-W合金为研究对象,研究选区激光熔化微观组织,特别是非平衡沉淀相在热处理过程中的演化规律及其对材料力学性能的影响,为选区激光熔化制备性能优异的Co基合金提供参考。1实验部分实验采用惰性气体雾化Co-Cr-W-Mo 合金粉末为原料,粉末的化学成分见表1。由图1(a)和图1(b)可见,粉末形状为近球形,粉末粒径 D50=38.4 m。该合金粉末成分符合德国EN ISO 9693/DIN EN
14、ISO 22674标准。采用选区激光熔化3D打印系统(EOS-290,德国EOS GmbH公司)进行激光3D打印成形,该系统配备 400 W 光纤激光器。3D打印激光成形的参数为:激光功率325 W,激光扫描速率1 120 mm/s,扫描间距80 m,铺粉厚度为40 m,打印过程中全程高纯氩气保护,打印舱内氧含量控制在0.1%以下。打印后的样品实物和尺寸如图1(c)和图1(d)所示,试样沉积方向见图1(d)。样品致密度利用阿基米德排水法测量,相对密度 99.3%。粉末及成型试样的Co、Cr、W、Mo 和 Si元素采用 ICP-OES(PerkinElmer 8300)分析;C、N、O元素采用
15、Leco 分析设备(TCH-600)检测。由表1可知,粉末与打印态的成分无显著差别,打印态氮氧含量略增。Cr、W和Mo等溶质元素的熔点分别为1 907、3 422、2 623,远高于溶剂元素Co的熔点1 495,其原因可能是选区激光熔化过程中,瞬态温度可达4 000 30,溶剂元素Co更容易挥发在熔池上方,形成羽流(Plume),使得打印态实际元素含量发生变化,溶质含量明显增加。对打印后的样品进行热处理,步骤为:1 150 处理1 h后,降温至800,时效处理2 h,随炉冷却至室温,全程氩气保护。266第 15 卷 第 2 期张波,等:热处理对选区激光熔化Co-Cr合金微观组织与力学性能的影响
16、采 用 X 射 线 衍 射(SmartLab,日 本 Rigaku 公司)分 析 样 品 相 组 成;扫 描 电 子 显 微 镜(JOEL-8100,日本电子公司)分析样品微观组织形貌和成分;电子背散射衍射(C-Nano,英国 Oxford 公司)分析晶粒形貌和晶界;采用离子减薄仪(PIPS II,美国 Gatan 公司)制备透射电镜样品,透射电子显微镜(JOEL-2100F,日本电子公司)分析纳米级微观组 织。样 品 的 力 学 性 能 测 试 在 万 能 试 验 机(Instron 5697,美国 Instron 公司)上完成断裂拉伸测试。2结果与讨论2.1不同热处理条件下微观组织的演化样
17、品在不同热处理状态下的X射线衍射(XRD)结果(图2)表明,在打印状态下,样品为 奥氏体(痕量马氏体),1 150/1 h处理后,分别在2=41 和2=47 出现明显的属于 马氏体(1010)晶面和(1011)晶面的衍射峰,在随后800/2 h处理的样品中,奥氏体和马氏体的峰强比有所变化,根据奥氏体(200)晶面与马氏体(1011)晶面峰强度的值,可以估算马氏体含量31:Vhcp=I(10 1-1)hcpI(10 1-1)hcp+1.5I(200)fcc100%(1)式(1)中:Vhcp是HCP 马氏体体积分数;I(10 1-1)hcp是hcp 马氏体(1011)晶面的XRD衍射峰强度;I(2
18、00)fcc是fcc奥氏体(200)晶面的XRD衍射峰强度。由式(1)得出,1 150/1 h处理后马氏体含量为10.4%(V/V,下同),随后800/2 h处理马氏体含量为15.5%,可见在整个热处理阶段都存在马氏体相变。打印态Co-Cr-W-Mo合金的跨尺度微观结构分布的组织形貌见图3。图3(a)中鱼鳞状熔池是选区激光3D打印金属材料的特征形貌,根据图3(b)中电子背散射衍射(EBSD)结果,打印态基体组织为相对粗大的柱状树枝晶。根据非平衡凝固理论32,在熔池边界处,由于冷却速率快,温度梯度大,形成细小的胞状枝晶,同时由于不同沉积层之间的不连续性,胞状晶生长取向也存在差异。在图3(c)中白
19、色箭头指示(a)100 m(c)D50=38.4 m1086420(b)频率/%20 40 60 80 100 粒径/mR352458单位:mm14打印方向:4(d)11图1(a)打印用Co-Cr-Mo粉末形貌;(b)粉末粒径分布;(c)打印样品;(d)打印拉伸件尺寸标注(打印方向为垂直纸面)Fig.1(a)Morphology Co-Cr-Mo powder for printing;(b)powder size distribution;(c)printed samples;(d)marking the dimensions of the printed tensile samples w
20、ith printing direction perpendicular to the paper surface表1粉末原料与打印件的化学成分Table 1 Chemical compositions of the raw powder and the as-built part单位:%(质量分数)合金粉末打印件成分含量Co余量余量Cr27.5327.88W4.745.17Mo4.294.60Si1.381.44C0.0050.007O0.1260.093N0.0370.055267有色金属科学与工程2024 年 4 月的胞状晶界处,溶质元素富集,形成了如黄色箭头指示的纳米第二相颗粒。同时,
21、由于Co-Cr合金层错能低,基体中出现了大量层错结构(红色箭头)。进一步对纳米第二相颗粒的衍射花样进行分析,该相为CoCr(P42/mnm)结构的相,这是Co-Cr合金中的常见第二相,一般为富Mo、W相33。打印态的样品经过热处理后的截面组织如图4所示。在图4(a)和图4(b)中,样品经过1 150/1 h处理后,其晶粒形态仍保持相对粗大的柱状晶,但胞状亚晶组织消失。相比打印态组织,经过1 150/1 h处理后的样品在晶界和晶内出现弥散分布的沉淀相。经 800/2 h 热处理后,柱状晶形貌无明显改变,但沉淀相的尺寸和数量均明显增加。为了确定沉淀相的结构,对 2 种不同热处理状态下的样品进行了
22、TEM 分析,如图 5 所示。在不同热处理过程中,均出现了HCP结构的Co3W(Mo)2Si 相,该相在 800/2 h 热处理过程中明显长大,同时析出大量沉淀,导致沉淀相周围基体高密度层错,形 成 大 量 层 错,降 低 沉 淀 相 与 基 体 界 面 能量。此外,热处理状态样品均出现 马氏体,在1 150/1 h状态下基体中出现的细长板条状马氏体(图 5(c),该 马氏体的衍射花样位相与 奥氏 体 的 衍 射 花 样 位 相 均 符 合 西 山 关 系(Shoji-Nishiyama Orientation Relationship):111/(0001)和/。30 40 50 60 70
23、 80 902/()打印态1 150/1 h1 150/1 h+800/2 h强度/a.u.(1011)(200)(111)/(0002)(1010)图2不同热处理条件下所得样品的XRD 谱线Fig.2 XRD spectra of samples under different heat treatment conditions(a)(b)10 m20 m20 m50 nm500 nm纳米沉淀相层错胞状晶界(222)(110)(132)B/112(c)(d)图3(a)打印态微观熔池形态,插图为熔池下方热影响区;(b)微观组织EBSD-IPF图;(c)纳米结构组织;(d)沉淀相,插图为沉淀相的
24、选区衍射花样Fig.3 (a)Microstructure characterization of as-printed sample with the inset showing the morphology of heat effect zone below the melting pool;(b)microstructure EBSD-IPF image;(c)nano-structures;(d)the morphology of precipitate,whose selective area diffraction pattern given in the inset 268第 1
25、5 卷 第 2 期张波,等:热处理对选区激光熔化Co-Cr合金微观组织与力学性能的影响2.2微观组织的演化对力学性能的影响该合金在不同状态下的洛氏硬度值见图 6。KAM(Kernel Average Misorientation Map)反映局域应力分布,图 6 中绿色代表 GND 密度相对较高的区域,蓝色代表 GND 密度相对较低的区域。打印态钴铬合金中存在高密度的几何位错(GND),表明基体中塑性变形程度较大或者缺陷密度较高,硬度值也较高;1 150/1 h 处理后,基体中的位错密度降低,残余应力得到一定程度释放,导致硬度降低。根据 XRD结果(图2)和 TEM结果(图3),虽然此时基体内
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