一文读懂工具钢的增材制造

在本研究中，对五种不同的工具钢进行了考察。所有钢的化学成分列于表1中。标准“Thermodur 2344”钢的名义成分也作为参考列出。

在激光粉末床熔融（LPBF）中所使用的粉末材料主要需要具有特定粒径分布（PSD）的球形颗粒。像电极感应熔炼惰性气体雾化（EIGA）这样的气体雾化工艺是生产此类粉末材料的先进技术。在Cryodur 2843和Thermodur 2322中添加硫，以降低其表面张力，从而在所需的PSD下提高EIGA工艺的粉末产量，同时保持颗粒呈圆形且无内部孔隙。

这使得整个LPBF工艺链的生产效率得以提高。在Thermodur 2344中锰含量的增加使Ms降低到接近Cryodur 2842的Ms温度。所有材料的Ms都通过热力学计算软件Thermo-Calc进行了模拟。对于标准材料以及其改型，通过使用SEM和PSD对颗粒形状进行了粉末分析。所有颗粒都被鉴定为直径为10-45μm的球形颗粒，且无内部孔隙。

所有研究均在Aconity3D的MIDI LPBF系统上进行，使用的是最大激光功率为400W的单模光纤激光器，其光强呈高斯分布。光束聚焦至直径80μm。以氩气作为保护气体，实现了氧气浓度低于100ppm。此外，该机器还配备了电阻式基板预热系统，可将最高温度提升至800℃。该预热系统将构建体积的直径缩小至100mm。为了比较每种材料的结果，定义了一个标准测试布局，包含24个立方体测试样本，其中每个10mm×10mm×10mm的立方体都可以对应不同的工艺参数组合。样本的扫描顺序与保护气体的流动方向相反。考虑到零件位置对基板的影响，制造了五个标记的参考测试样本，这些样本使用相同的工艺参数集。倘若这些样本的密度差异较大，那么可以假定其位置因素也会产生影响。

所有样本的密度均通过计算机辅助图像分析方法，在 100倍放大率的图像上对横截面进行测量。这些横截面平行于构建方向进行打磨和抛光。作为这项研究的基准，所有材料的层厚度均为Ds=30μm。为了比较不同的工艺参数组合，使用体积能量密度Ev和理论构建速率Vth进行比较。对于Cryodur 2842、Thermodur 2322及其改型，使用体积能量密度Ev=35-130J/mm3在室温下制造样本。参考测试样本的体积能量密度为Ev=83.33J/mm3。由于冷加工钢Cryodur 2842和Cryodur 2842改型的碳含量较高，因此进行了预热温度为200℃的额外研究。与本研究中所调查的其他钢相比，Thermodur 2344 改型具有更高的碳化物形成元素 Cr 和 Mo 的含量以及中等的碳含量。鉴于激光粉末床熔融（LPBF）工艺的可加工性可能受限，本研究调整了体积能量，将其设定为 Ev=47-167 J/mm3，并在200℃、300℃和 500℃的预热温度进行了制造。在第二步中，为了提高生产效率，增加了所有改性后的材料的层厚 Ds和间隔距离dys。根据基准设置的结果，选择了激光功率PL、扫描速度vs和预热温度Tp，以实现密度大于99.5%。对于 Cryodur 2842型和Thermodur 2322型，层厚Ds2=90μm和Ds3=120μm，相应的间隔距离 dys2=100μm和dys3=120μm被研究。对于 Thermodur 2344 型，层厚增加到 60μm。

3.1 标准工艺参数集（晶粒尺寸 Ds = 30 μm）

为了确认具有较低 Ms 值的工具钢能够在更广泛的激光粉末床熔融（LPBF）参数组合下实现无裂纹且密度大于 99.5%的加工效果，对所有材料都进行了标准参数集（Ds=30μm）的测试。对由 Cryodur 2842 和其改进版本制成的测试样品的密度进行了测量。对于研究的几乎所有参数组合，都能达到密度大于99.5% 的效果，并且未检测到裂纹形成。将温度预热至 200℃对标准的 Cryodur 2842 几乎没有影响。然而，对于改进版本，在低Ev时使用预热可以使密度显著高于目标密度。无论材料还是预热温度如何，参考样品都能达到相似的密度。这些样品的较小差异表明，无论在平台上的位置如何，工艺都是稳定的。尽管 Thermodur 2322的碳含量比 Cryodur 2842低得多，但能够实现密度大于99.5%的参数组合范围要小得多。

对于Thermodur 2322及其改进型产品而言，当Ev大于75J/mm3时，可以达到预期的密度。尽管Thermodur 2322主要呈现贝氏体结构，但对于非常快速的冷却（<12s），其理论上的 Ms 值约为400℃。这种转变可能解释了与Cryodur 2841相比，Thermodur 2322在能够以密度高于 99.5% 的条件下进行加工的参数范围更小的原因。然而，与诸如 Thermodur 2344这类非贝氏体工具钢相比，Thermodur 2322在能够以如此高密度进行加工的工艺参数范围要广泛得多。与之前一样，在所有研究的参数组合中均未检测到裂纹形成。对Thermodur 2322进行含硫量增加的改性处理也能进行加工，但其参数组合范围要更小，以达到密度大于99.5%的效果。与Cryodur 2842一样，这两种类型的Thermodur 2322的参考样品显示出较小的差异，表明在整个构建板上工艺是稳定的。对于合金Thermodur 2344的改性，锰含量增加，导致马氏体起始温度接近Cryodur 2842。然而，形成碳化物的元素含量较高限制了这种合金在激光粉末床熔融（LPBF）工艺中的可加工性。

目标密度只能在个别情况下实现，但总体密度似乎对于Ev较低的样品更高。还有这样的趋势，即较低的预热温度会实现更高的密度。对检测到的缺陷进行的详细分析表明，温度升高伴随着微裂纹增多。

平均而言，这些裂纹的长度小于200μm，大多沿制造方向分布，并散布在整个研究区域内。特别是对于预热温度高于300℃的情况，裂纹形成的频率显著增加。参考样品的测量密度与Cryodur 2842和Thermodur 2322相比差异很大，这表明样品的位置对基板的影响是存在的。特别是靠近保护气体入口的参考样品，其密度随着预热温度的升高而降低。这种效应与在本研究中，处理Thermodur 2344型合金时比处理其他被测试合金产生的加工副产物（飞溅物和特别是蒸发物质）增加的观察结果相吻合。过程中的副产物增多的一个可能原因是锰含量的增加。与其他合金元素相比，锰的蒸发温度较低，因此在较高温度下制造时会有更多的物质蒸发。再加上扫描顺序（靠近保护气体入口的样品在一层的末尾进行扫描，且保护气体在入口处的流速较快），熔池与蒸发物质之间的相互作用增强，这可能导致密度降低。

3.2 提高生产效率的工艺参数设置（Ds>30μm）

基于标准参数集的结果，针对所有改性材料研究了一种具有更高生产效率的参数集。Cryodur 2842修正版为达到密度>99.5%所需的参数集比Thermodur 2322修正版要大得多。对于每种层厚，都可以通过多种参数集达到目标密度，而与所应用的层厚无关。达到此密度所需的最小Ev会随着层厚的增加而降低。对于Ds2=90μm，当Ev>40J/mm3时，可以实现密度>99.5%；对于Ds3=120μm，临界Ev降低至>34J/mm3。随着层厚的增加，曲线的陡峭程度不断增加，这表明对Thermodur 2322进行致密加工存在极限。对于恒定的激光功率，理论构建速率Vth会随着体积能量密度的降低而增加。在此要指出的是，LPBF系统的最大激光功率（400W）用于处理其中的一些样本。对于Ev=34.7J/mm3这一数值（使用PL=400W），可以实现Vth=11.52mm3/s的最高构建速率。

与从Thermodur 2322得出的预期行为相比，Thermodur 2344改性型显示，当层厚增加时，几乎所有研究的工艺参数组合都超过了所能达到的密度。对Ds2=60μm构建的样品的横截面进行详细分析表明，未检测到裂纹形成。此外，相应参考样品的密度差异明显较小。尽管工艺副产物的量仍然相当大，但与在更高层厚下制造Thermodur 2322改性型相比，飞溅物和蒸发物质的比例似乎有所变化。对于直径为60μm的情况，可以观察到更多的飞溅现象以及更少的蒸发物质。通过熔化更多的粉末，可用于蒸发已经固化的材料的能量就会减少。此外，激光粉末床熔融系统的保护气体流似乎是为了清除加工区域的飞溅物而设计的。这种流速要求往往会导致气体排放时产生湍流，从而使蒸发物质与熔池的相互作用愈发频繁，从而导致直径为30μm的样本密度降低。

本研究的结果证实，采用激光粉末床熔融技术（LPBF）可以制造出具有较低马氏体起始温度的工具钢，且适用于广泛的工艺参数组合。即使对于最大层厚Ds=120μm的参数集，也能达到密度大于99.5%的效果，这适用于工业规模的高生产率要求。此外，还可以通过对标准工具钢合金进行化学改性来提高LPBF生产链的生产效率。对于所研究的冷作和热作钢，增加硫含量可改善EIGA工艺后的初始颗粒尺寸分布，而不改变生成颗粒的形状或孔隙率。此外，在这些改性的加工过程中未检测到对密度的影响。最后，较低的马氏体起始温度的积极作用也可以通过化学改性应用于具有有限焊接性的热作钢上。然而，在调整与其他合金元素相比蒸发温度较低的元素时，还必须考虑LPBF工艺参数的调整。

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