北理工院士團隊采用國產(chǎn)多激光金屬3D打印裝備制備出高鐵剎車盤 探究工藝參數(shù)優(yōu)化等

來源：增材制造技術(shù)前沿

由于增材制造技術(shù)制備的零件具有較大殘余應(yīng)力，因此大型零件的增材制造仍然存在困難。北京理工大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造國家重點實驗室、新加坡國立大學(xué)等科研院所的研究人員提出了一種工藝、結(jié)構(gòu)和性能相結(jié)合的方法來控制零件成形質(zhì)量，并以高鐵制動盤作為驗證實例，采用多激光-選區(qū)激光熔化（ML-SLM）制備了大尺寸產(chǎn)品。探究了工藝參數(shù)優(yōu)化、力學(xué)性能分布、結(jié)構(gòu)設(shè)計等，相關(guān)研究成果發(fā)表于材料科學(xué)頂刊《Materials & Design》。

選區(qū)激光熔化 (SLM) 是一種使用高功率激光熔化金屬粉末以逐層疊加形成三維零件的一種技術(shù)，已經(jīng)表明SLM能夠生產(chǎn)孔隙率小于0.1%的完全致密部件。因此，它非常適合生產(chǎn)具有優(yōu)良機械性能的零件。此外，SLM的使用極大地擴展了產(chǎn)品設(shè)計的可能性領(lǐng)域，因為它能夠產(chǎn)生復(fù)雜幾何形狀零件。然而由于零件尺寸限制、可加工材料類別少和成型質(zhì)量差等增材制造 (AM) 技術(shù)的限制，上述優(yōu)勢仍未得到充分利用。通常，單激光系統(tǒng)的成型室尺寸小于300mm×300mm，無法生產(chǎn)交通和航空航天行業(yè)需求量大的大尺寸復(fù)雜零件。

近年來，多激光器選區(qū)激光熔化技術(shù)發(fā)展迅速，它利用兩個或多個激光器同時擴大成形尺寸，提高生產(chǎn)率。24CrNiMo是一種高強低合金鋼，在高溫下具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能、力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，已廣泛用于生產(chǎn)時速250km/h以上的高速鐵路制動盤。現(xiàn)有的24CrNiMo不適合AM工藝，因此調(diào)整化學(xué)成分可以提高成形質(zhì)量。目前，作者團隊已經(jīng)針對SLM技術(shù)對24CrNiMo的材料設(shè)計和形成機制進行了廣泛的研究。然而，目前這種材料的應(yīng)用尚未得到驗證和研究。因此，這項研究著重于大型合金鋼零件的質(zhì)量控制以獲得高性能產(chǎn)品。主要探討了工藝參數(shù)與孔隙特性之間的關(guān)系，以獲得兼顧成形質(zhì)量和生產(chǎn)率的最佳組合。并對不同區(qū)域、不同狀態(tài)下的力學(xué)性能進行測試，考察成形質(zhì)量和性能的一致性。最后，使用多激光金屬3D打印技術(shù)制造了新的制動盤并進行了首次測試。

這項研究中使用的24CrNiMo合金鋼粉末通過真空感應(yīng)氣體霧化方法制備。24CrNiMo粉末的粒徑范圍為18.7-144μm，平均直徑約為53μm。所有樣品和零件均采用E-Plus M650 SLM增材制造機器，由易加三維生產(chǎn)，該機器配備了四個500W光纖激光器，光束直徑約為100μm，成型室尺寸達(dá)到655mm×655mm×800mm。在打印過程中，將底板加熱至60°C，使用高純氮氣作為保護氣體，確保氧含量保持在0.1%以下。

大多數(shù)樣品孔隙率低于0.1%，并隨能量密度的增加而降低。足夠的能量可以更充分的熔化金屬粉末，從而減少孔隙和夾雜物等缺陷的形成。當(dāng)能量密度達(dá)到一定值時，孔隙率幾乎保持不變甚至增加。

將基板上的試樣分成不同的成形區(qū)域，對應(yīng)于系統(tǒng)中運行的四個激光器，每個區(qū)域的邊界處有一個重疊區(qū)域。與單一激光系統(tǒng)的不間斷掃描方案不同，重疊區(qū)域的結(jié)構(gòu)分兩步成形，先成形一半，然后使用相鄰激光一段時間后成形另一半。探索成形質(zhì)量的一致性，測試不同區(qū)域制造的試樣的力學(xué)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域樣品的標(biāo)準(zhǔn)差從統(tǒng)計學(xué)的角度反映了性能的一致性。伸長率一般與強度成反比，但拉伸試驗結(jié)果顯示出與傳統(tǒng)方法不同的趨勢，傳統(tǒng)方法有望實現(xiàn)高強度和高韌性。優(yōu)異的拉伸性能不僅可以提高成型質(zhì)量，還可以提高產(chǎn)品性能。

研究人員同時將單激光和重疊區(qū)域制備的樣品在熱處理狀態(tài)下的沖擊能量與鑄造制作的樣品進行了比較（29J），單激光區(qū)域的平均沖擊能量為101J，重疊區(qū)域為113J，均優(yōu)于鑄造樣品。沖擊斷口存在大量較小的韌窩，為典型的韌性斷裂特征。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，SLM制造的24CrNiMo試樣具有更高的強度和韌性，可以生產(chǎn)承受更大變形的零件。合適的熱處理工藝可以釋放殘余應(yīng)力，提高性能一致性，但會在一定程度上降低強度。SLM技術(shù)提供了克服強度-韌性權(quán)衡的潛在途徑，它可能會解決制動盤的斷裂問題。

最后，作者團隊采用SLM技術(shù)制備的剎車盤進行機械加工，使用壓縮空氣清潔中空結(jié)構(gòu)中未熔化的金屬粉末，以防止熱處理過程中出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，并在熱處理后使用線切割機將零件從基板上取下，使用機床而不是手動方法去除薄壁支撐結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)制造方法相比，采用SLM技術(shù)制備的制動盤大大縮短了加工步驟，利用該技術(shù)有利于探索新產(chǎn)品的開發(fā)。

總之，這項研究有望為大型合金鋼零件的質(zhì)量控制提供參考，同時也展示了增材制造技術(shù)對功能性產(chǎn)品的潛在好處。主要結(jié)論總結(jié)如下：工藝參數(shù)與孔隙之間存在密切關(guān)系，這也會影響成形效率，特別是對于大型零件?？紫堵孰S著熱輸入的增加而降低，然而，過多的熱輸入會導(dǎo)致孔隙率和孔徑的增加。合適的激光功率和高掃描速度更適合大尺寸零件，提高成型質(zhì)量。SLM技術(shù)可以改善強度-韌性關(guān)系。SLM技術(shù)可以擴大成形尺寸，提高生產(chǎn)率，不同區(qū)域的力學(xué)性能和成形質(zhì)量具有良好的一致性。合適的熱處理可以釋放殘余應(yīng)力，保證性能變化小，甚至可以減小單激光器區(qū)域和重疊區(qū)域之間的性能差異。制備的剎車盤臺架測試表明，在SLM制備的剎車盤在連續(xù)制動過程中具有更集中的摩擦系數(shù)和更均勻的溫度分布，這顯示了增材制造技術(shù)在功能性產(chǎn)品上的潛在優(yōu)勢。