3D打印1.2709鋼材的微觀結(jié)構(gòu)及性能

曾志偉，肖文利，朝格圖

東江模具（深圳）有限公司（廣東深圳 518107）

1 引言

三維打印技術(shù)，是一種異于傳統(tǒng)材料加工的方法[1]，根據(jù)所需部件的3D結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型文件，然后將金屬或塑料等材料粉體利用3D打印設(shè)備，通過(guò)逐層疊加的方式制造三維產(chǎn)品，這種技術(shù)又被稱(chēng)為“增材制造”技術(shù)[2～5]。3D打印技術(shù)中目前國(guó)外使用SLM（選區(qū)激光融化，selective laser melting）工藝制造馬氏體時(shí)效鋼的技術(shù)已相對(duì)成熟，而國(guó)內(nèi)對(duì)此材料SLM工藝制造產(chǎn)品性能的研究只有少量報(bào)道[6]。SLM工藝具有制作形狀復(fù)雜、相對(duì)致密高、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)[7～8]。同時(shí)，3D打印技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，公司也在積極探索其在塑膠模具上的應(yīng)用。因此，本文對(duì)使用EOS M290設(shè)備打印1.2709粉末材料制備的工件進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的分析和研究。

2 樣品制備

2.1 材料

本文使用的金屬粉末為EOS提供的德國(guó)進(jìn)口粉末，牌號(hào)為1.2709（或MS1），粉末成分和物理性能如圖1所示。

圖1 1.2709金屬粉末物性

2.2 制樣設(shè)備

本文使用德國(guó)EOS M290型號(hào)的3D打印機(jī)進(jìn)行樣品打印，3D打印機(jī)如圖2所示。

圖2 EOS M290金屬3D打印機(jī)

2.3 熱處理

3D打印出來(lái)的工件熱處理工藝：先退火，940℃，2h，快速空冷；然后490℃時(shí)效6h，空冷，硬度到52～54HRC。試驗(yàn)樣品硬度實(shí)測(cè)值如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣品熱處理狀態(tài)和實(shí)測(cè)硬度

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 密度

為了研究3D打印工件密度及其與傳統(tǒng)方法制備的鋼材密度差異性，對(duì)3D打印件進(jìn)行了密度測(cè)試如圖3所示，密度測(cè)試儀器為美國(guó)AccuPyc II 1340系列全自動(dòng)氣體置換法真密度儀。測(cè)試原理為：使用惰性氣體例如氦氣或氮?dú)馔ǔ１挥米髦脫Q介質(zhì)體，用氣體置換方法精確地測(cè)量樣品體積。樣品被密封在已知體積的儀器倉(cāng)內(nèi)，適當(dāng)?shù)亩栊詺怏w填充到樣品倉(cāng)內(nèi)然后擴(kuò)展到另一個(gè)精確測(cè)量體積的擴(kuò)展倉(cāng)內(nèi)。通過(guò)氣體擴(kuò)展前后的壓力就可計(jì)算出樣品的體積。用樣品質(zhì)量除以體積就可得到氣體置換法的密度。

圖3 密度測(cè)試樣品

分別對(duì)未熱處理（直接3D打印出來(lái)）和熱處理后的樣品進(jìn)行了密度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出，熱處理后密度要大于熱處理前的密度，這是因?yàn)闊崽幚磉^(guò)程中小孔隙會(huì)遷移聚集，有部分遷移至外表面或外表面附近形成通孔從而提高了表觀密度。

同時(shí)，密度測(cè)試結(jié)果與EOS給定的密度對(duì)比，其密度在給定的8.0～8.1g/cm3范圍內(nèi)，屬于有效范疇。但其致密度分別為99.1%和99.6%，說(shuō)明其內(nèi)部還存在小部分孔隙，沒(méi)有完全致密。

3.2 顯微組織

為了研究3D打印工件內(nèi)部組織形貌，分別對(duì)未熱處理和熱處理后的樣品進(jìn)行了金相分析，金相照片如圖4和圖5所示。

從圖4可以看出，未熱處理3D打印件低倍下可以看到激光燒結(jié)后存在較多的小圓孔隙（圖5中黑色部分為小孔隙），不能做到100%致密（與密度測(cè)試結(jié)果呼應(yīng)），同時(shí)可以看到明顯的熔合邊界。通過(guò)高倍金相照片可以看到，打印過(guò)程中因加熱和冷卻較快，粉末由熔融態(tài)快速冷卻奧氏體化然后從Ms點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀馬氏體，單個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)可有幾個(gè)不同取向馬氏體束，每一束馬氏體由多個(gè)板條馬氏體組成。

從圖5可以看出，熱處理后小孔隙通過(guò)擴(kuò)散聚集變成了大孔隙（圖5中黑色區(qū)域），形狀不規(guī)則，熔合界線(xiàn)消失。熱處理過(guò)程中原來(lái)的馬氏體會(huì)先被奧氏體化，在升溫/保溫過(guò)程中會(huì)重新形成奧氏體晶粒，因熱處理時(shí)間充足，新形成的奧氏體較均勻，形狀為多邊形或類(lèi)圓形。退火后為獲得需要硬度會(huì)以一定速率冷卻，獲得板條狀馬氏體，如高倍金相照片。

圖4 未熱處理試樣金相照片

圖5 熱處理后試樣金相照片

3.3 力學(xué)性能

為了研究3D打印工件的機(jī)械性能，分別對(duì)未熱處理和熱處理后的試樣進(jìn)行了拉伸性能和壓縮性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 拉伸性能和壓縮性能測(cè)試結(jié)果

從表3中可以看出，未熱處理的3D打印試樣拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為1,206MPa和7.4%，經(jīng)過(guò)熱處理后其拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為1,718MPa和2.2%；未熱處理的3D打印試樣壓縮屈服強(qiáng)度為1,282MPa，熱處理后屈服強(qiáng)度提高到2,196MPa。由此可得，熱處理可以明顯提高3D打印試樣的力學(xué)性能。

通過(guò)查閱ASSAB的Stavax ESR和8407鋼材物性表可以得知：50HRC時(shí)Stavax ESR拉伸強(qiáng)度為1,780MPa；52HRC時(shí)8407拉伸強(qiáng)度為1,820MPa。其與3D打印熱處理后的拉伸強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)基本相當(dāng)，3D打印試樣拉伸測(cè)試和壓縮測(cè)試曲線(xiàn)如圖6～圖9所示。

圖6 未熱處理試樣拉伸載荷-位移曲線(xiàn)

圖7 熱處理試樣拉伸載荷-位移曲線(xiàn)

圖8 未熱處理試樣壓縮載荷-位移曲線(xiàn)

圖9 熱處理試樣壓縮載荷-位移曲線(xiàn)

3.4 防腐蝕性能

分別選取了3種不同材料進(jìn)行中性鹽霧實(shí)驗(yàn)，比較其抗腐蝕性能，以衡量1.2709材料的防腐蝕能力。3種材料都是經(jīng)過(guò)熱處理到52～54HRC硬度后進(jìn)行的鹽霧測(cè)試，其實(shí)測(cè)硬度如表4所示。

表4 3種類(lèi)材料硬度實(shí)測(cè)值

從測(cè)試照片圖10可以看出，3種鋼材24h后表面已腐蝕大半，48h后都已嚴(yán)重腐蝕；對(duì)比腐蝕照片可以看出3種鋼材腐蝕程度有差異，抗腐蝕能力：1.2709＞Stavax ESR＞1.2344。

4 結(jié)論

（1）直接3D打印出來(lái)的試樣密度為8.0278g/cm3，致密度99.1%，熱處理后密度提高到8.06915g/cm3，致密度99.6%，沒(méi)有完全致密，內(nèi)部存在一部分孔隙。

（2）3D打印工件內(nèi)部不可避免會(huì)存在一定數(shù)量小孔隙，熱處理后小孔隙會(huì)聚集成大的孔隙，不適合A0等高拋光要求產(chǎn)品。

圖10 3種鋼材腐蝕照片

（3）3D打印的試樣性能較好，未熱處理狀態(tài)下其拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1,206MPa和1,130MPa，熱處理后其拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1,718MPa和2,089MPa，熱處理可以顯著提高其力學(xué)性能。3D打印工件熱處理后與傳統(tǒng)方法制備的不銹鋼Stavax ESR、熱作鋼8407性能相當(dāng)，具備良好的機(jī)械性能。

（4）3D打印試樣具有較好的抗腐蝕性能，中性鹽霧測(cè)試表明抗腐蝕能力：1.2709＞Stavax ESR＞1.2344。