北理工院士團(tuán)隊(duì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)盤作為驗(yàn)證實(shí)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(jì)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(jī)械性能的零件。此外，SLM的使用極大地?cái)U(kuò)展了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可能性領(lǐng)域，因?yàn)樗�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(shì)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(gè)或多個(gè)激光器同時(shí)擴(kuò)大成形尺寸，提高生產(chǎn)率。24CrNiMo是一種高強(qiáng)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(shí)速250km/h以上的高速鐵路制動(dòng)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)針對(duì)SLM技術(shù)對(duì)24CrNiMo的材料設(shè)計(jì)和形成機(jī)制進(jìn)行了廣泛的研究。然而，目前這種材料的應(yīng)用尚未得到驗(yàn)證和研究。因此，這項(xiàng)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(duì)不同區(qū)域、不同狀態(tài)下的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)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(dòng)盤并進(jìn)行了首次測(cè)試。

這項(xiàng)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(jī)器，由易加三維生產(chǎn)，該機(jī)器配備了四個(gè)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?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)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(shí)，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(duì)應(yīng)于系統(tǒng)中運(yùn)行的四個(gè)激光器，每個(gè)區(qū)域的邊界處有一個(gè)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(shí)間后成形另一半。探索成形質(zhì)量的一致性，測(cè)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(jì)學(xué)的角度反映了性能的一致性。伸長(zhǎng)率一般與強(qiáng)度成反比，但拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示出與傳統(tǒng)方法不同的趨勢(shì)，傳統(tǒng)方法有望實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)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(shí)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(jìn)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?yàn)?13J，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(qiáng)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(huì)在一定程度上降低強(qiáng)度。SLM技術(shù)提供了克服強(qiáng)度-韌性權(quán)衡的潛在途徑，它可能會(huì)解決制動(dòng)盤的斷裂問題。

最后，作者團(tuán)隊(duì)采用SLM技術(shù)制備的剎車盤進(jìn)行機(jī)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(jī)將零件從基板上取下，使用機(jī)床而不是手動(dòng)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(dòng)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(xiàng)研究有望為大型合金鋼零件的質(zhì)量控制提供參考，同時(shí)也展示了增材制造技術(shù)對(duì)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(huì)影響成形效率，特別是對(duì)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(huì)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(qiáng)度-韌性關(guān)系。SLM技術(shù)可以擴(kuò)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(tái)架測(cè)試表明，在SLM制備的剎車盤在連續(xù)制動(dòng)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(shì)。