摘要
无碳化物贝氏体钢属于韧性良好的高强度材料，广泛用于航天、船舶等领域高性能构件的生产制造，如能实现此类构件的增材制造及损伤件再制造，则具有重要的科学意义和实际价值。但增材制造金属件属于非平衡凝固组织，常存在气孔、偏析及裂纹等缺陷，难以在获得高强度的同时保持良好的韧性。本文针对无碳化物贝氏体钢激光增材制造性能调控难题，首先采用热力学计算的方法，从工艺性和力学性能两方面出发，优化设计了4种激光增材制造用无碳化物贝氏体钢粉末；然后研究了沉积态材料的组织和性能，讨论了成形工艺及化学成分对其影响；最后系统的探讨了热处理及热轧等后处理工艺对材料组织和性能的影响规律和机理，实现了高强韧无碳化物贝氏体钢激光增材制备。具体研究工作如下： 首先，优化设计了激光增材制造用无碳化物贝氏体钢粉末。在分析无碳化物贝氏体钢强韧机理及激光金属增材缺陷形成机制的前提下，基于材料的组织性能及激光增材工艺性两方面考虑，使用热力学计算的方法优化设计粉末化学成分，最终设计了中低碳和高碳两类，共4种激光增材专用无碳化物贝氏体钢粉末。 实现了无缺陷无碳化物贝氏体钢的激光增材制备，并对沉积态试样的组织和性能进行了表征分析。沉积态试样中无气孔、裂纹及严重偏析等缺陷，对于中低碳合金，组织为粒状珠光体+残余奥氏体，碳化物为纳米尺度，扩散型相变轻微，L2成分试样抗拉强度、屈服强度以及延伸率分别达到1051±65MPa、662±71MPa以及13.03±1.33%，硬化能力较强；对于高碳合金，微观组织为马氏体+贝氏体+残余奥氏体复相组织，组织细小均匀，无明显偏析，其中H1成分试样钢抗拉强度、屈服强度以及延伸率分别达到1498±41MPa、836±38MPa以及13.86±1.63%，综合力学性能优秀。 探讨了典型合金元素对激光增材无碳化物贝氏体钢组织性能的影响规律。Al、Ni元素可加快高碳合金贝氏体转变速率，增加贝氏体相变量，细化贝氏体板条，降低马氏体以及残余奥氏体含量，相应增加材料强度，降低塑性和硬度，但对中低碳合金，Al、Ni元素作用不显著；增加C含量，会显著降低Ms点温度，大幅延长贝氏体相变时间，细化贝氏体板条，残余奥氏体含量降低但更稳定，材料强度和硬度增强，但对塑性有负面作用。 揭示了等温淬火、热轧+等温淬火两类后处理制度对激光增材无碳化物贝氏体钢组织与性能的影响规律与机理。典型结论如下：等温淬火可获得均匀细小的贝氏体组织，材料强度显著提升，可达1300MPa量级，但残奥含量降低，硬化能力弱，延伸率无明显改善。热轧后等温淬火可获得贝氏体+残奥复相组织，组织细小均匀，残奥含量增加，分布均匀，综合力学性能显著提高，L2成分试样钢抗拉强度、屈服强度及延伸率分别为1398±57MPa、1177±44MPa及19.80±0.79%。
NETL