頂刊《AM》：增材制造Cu-H13工具鋼（一）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：據(jù)悉，增材制造頂刊《Additive Manufacturing》發(fā)表了采用增材制造技術，利用Ｎｉ基材料作為過渡，制備出Cu-H13工具鋼材料。本文為第一部分。


當選擇用于模具的材料時，需要在高溫下具有一定的強度以保持部件的形狀，同時具有高導熱性以減少部件的凝固固化時間。這種需求導致了對Cu與H13工具鋼雙金屬結構的研究和應用。利用定向能量沉積實驗裝置，使用了兩種制造方法:在H13上直接沉積Cu和利用Deloro 22 (D22，> 95 wt .% Ni含量)。制造了三種結構:Cu-H13直接接頭(DJ)、Cu-D22-H13多金屬結構(MMS)和D22-H13 DJ。為了表征該結構，進行了以下操作:微觀結構表征、元素分布、拉伸測試、硬度和熱導率測量。將銅直接連接到H13上會導致界面開裂。通過引入D22緩沖層，在H13上成功沉積了無缺陷的銅。由于非常有限的層擴散，在D22-H13界面經(jīng)歷了元素含量的急劇轉變。在D22-Cu界面上，檢測到Cu和Ni的逐漸過渡，表明連續(xù)的元素擴散。拉伸試驗表明，Cu-D22-H13 MMS試樣在Cu區(qū)斷裂，其形貌表明為韌性斷裂。D22-H13 DJ在D22區(qū)域失效，盡管延伸主要發(fā)生在H13區(qū)域。Cu-D22-H13 MMS和D22-H13 DJ的界面都經(jīng)受住了拉伸測試，表明了強的結合強度。顯微硬度測量觀察到H13表面的硬度由于激光硬化而增加。材料硬度在Cu-H13 DJ中迅速下降，但在Cu-D22-H13 mm中逐漸下降，因為D22中的Ni擴散到多層Cu中。熱導率測試表明，與純H13相比，Cu-D22-H13多晶材料的總熱導率提高了約100 %。Cu的體積分數(shù)可以顯著影響Cu-D22-H13多晶材料的整體熱導率。

1.背景介紹
與傳統(tǒng)制造的單一材料結構相比，多金屬結構(MMS)可以提供更廣泛的特性，包括化學(腐蝕、氧化等)。)、熱物理(密度、導熱率等。)和機械(抗拉強度、延展性、硬度等)。增加這些特性的范圍可以促進更好的應用，包括在極端環(huán)境中的應用。已經(jīng)進行了許多研究來證明結合不同材料用于特定應用的可行性。例如，鈦合金已經(jīng)成功地與奧氏體不銹鋼結合，將鈦合金的高強度重量比和超耐熱性能與不銹鋼的良好可焊性和成本效益結合起來。這種組合已經(jīng)用于航空航天和核應用。還研究了Inconel (IN718和IN625)與不銹鋼(316 L和304 L)的連接，以將Inconel的高強度、耐腐蝕性、抗蠕變性和疲勞強度與不銹鋼在核裂變和汽車工業(yè)中的成本效益結合起來。此外，已經(jīng)進行了制造由鈦/鋁制成的雙金屬結構的研究，鈦/銦718 、銅/鋁、以及銅/銦718 。

增材制造(AM)已經(jīng)證明了通過直接粘合不同的材料來制造多晶材料的能力，通過中間層或成分漸變層組合不同的材料。直接連接不同的材料會導致多種失效模式，包括開裂、脆性和高水平的殘余應力。這些通常會發(fā)生由于缺乏溶解性、原子結構不匹配或被連接材料的熱膨脹系數(shù)(cte)不匹配，在材料之間的尖銳界面處。因此，開發(fā)了在不同金屬之間插入中間層以產(chǎn)生功能梯度材料(FGM)的技術來緩解這些問題。定向能沉積(DED)的AM工藝特別適合構建多材料組件。DED過程可以是粉末供給過程，其導致在運行中改變進入的粉末流的化學成分的能力。這種能力允許DED直接產(chǎn)生連接的結構以提供獨特的功能。

H13工具鋼(H13)是熱加工和冷加工工具應用中最常用的材料之一，因為它具有高淬透性、突出的耐磨性以及優(yōu)異的韌性和抗疲勞性。模具的常規(guī)制造包括從固體退火H13塊中機械加工這些部件，隨后熱處理這些部件以獲得所需的高硬度和強度。AM可以為具有非常復雜的幾何形狀和可比質量的自由成形模具提供快速的替代方法。模具/鑄模中需要冷卻通道，因此在使用過程中冷卻劑可以通過通道循環(huán)以冷卻模具/鑄模。組件的效率和充分冷卻至關重要，因為不充分的冷卻會導致長周期服役時間并引入熱致缺陷，如疲勞和翹曲。在傳統(tǒng)的制造模式中，冷卻通道是通過鉆孔形成的，因此是直的，導致不均勻的熱傳遞、不均勻的冷卻和熱致應力。基于AM的技術，例如DED和選擇性激光熔化(SLM )，已經(jīng)被研究來改變范例，并且已經(jīng)導致具有保形冷卻通道(CCC)的模具的制造，CCC是遵循模具形狀的通道，以保證快速和均勻的冷卻。例如，通過SLM創(chuàng)建多個冷卻通道布局，并研究制造的模具的表面粗糙度和冷卻均勻性。激光金屬沉積(LMD)被用來生產(chǎn)CCC，并與傳統(tǒng)的鉆孔直通道進行比較。有CCC的零件經(jīng)歷了更均勻的溫度分布和整體更低的溫度。與僅具有線性冷卻通道的模具相比，通過AM和機械加工的混合制造的注射模具大大減少了循環(huán)時間并提高了產(chǎn)品質量。此外，與具有直通道的傳統(tǒng)模具相比，具有CCC的附加制造工具有助于減少零件變形，這是因為溫度變化減小了。

實現(xiàn)增強冷卻的另一種方法是將具有高導熱系數(shù)的材料與H13耦合。這種雙材料結構可以導致更快的熱傳遞，從而減少生產(chǎn)時間。眾所周知，銅及其合金具有異常高的熱導率，因此已經(jīng)進行了一些研究來將銅和H13結合起來。銅和H13的直接連接會遇到問題，因為銅和鐵是不混溶的。例如，Imran等人報道了在鋇銅上沉積H13導致H13層中的銅顆粒和氣孔，這顯著降低了雙材料結構的機械性能。因此，可與Cu和Fe形成合金的中間材料可用作結合劑來結合Cu和H13。因為Ni可以與Cu形成固溶體，所以含有高含量Ni的材料通常被用作這種中間層。例如，41０C不銹鋼被用作H13沉積物和銅合金基材之間的緩沖層.然而，結構的拉伸測試顯示界面處的低結合強度。Onuike等人成功沉積了GRCop-84(銅基合金6.5wt。%鉻和5.8wt%。%Nb)／718。由于鎳基高溫合金通常包覆在H13上以提高高溫下的耐腐蝕性和強度，IN718可以提供將Cu與H13鍵合的解決方案。

本研究的目的是研究采用鎳基合金Deloro 22 (D22)作為中間層連接純銅的可行性和H13。為此目的，使用DED技術進行了兩種類型的實驗。首先，將純銅直接沉積在H13基板上，并進行檢查以揭示相關問題。之后，通過插入D22緩沖層來研究Cu-D22-H13 MMS的制造。對制備的MMS的微觀結構、力學性能和熱性能進行了評價。這項研究的結果提供了一個替代的解決方案，以解決與使用AM連接純Cu和H13相關的挑戰(zhàn)。

2.實驗程序

2.1.材料
本研究中使用的材料包括Royal Metal Powders Inc 提供的銅粉(純度99.9 %)和Kennametal提供的鎳基D22粉末。選擇純銅是因為在銅中添加其他元素會顯著降低其熱導率。使用掃描電子顯微鏡對Cu和D22粉末進行表征，每種材料的代表性圖像見圖1。使用ImageJ分析兩種粉末的粒度和分布。分析表明，銅和D22的平均粒徑分別為110微米和62微米。在退火條件下，基底是AISI H13。

2.2.多金屬結構的設計
直接在H13上沉積Cu是最費時和能量的有效方法。然而，根據(jù)銅-鐵相圖 (圖. 2a)中，將Cu和H13直接結合是具有挑戰(zhàn)性的，因為只有非常少量的Cu(小于2.5ｗｔ%)可以在形成之前與Fe形成合金，在室溫下還原α-Fe。直接連接Cu和H13將最有可能以富銅和富鐵材料的交替層結束，因為銅基本上不能溶解在鐵中。此外，根據(jù)Cu和H13的熱性質(表2)，H13位置-與銅(17×10ｅｘｐ（6）/°C)相比，具有低得多的CTE(10.4×10�。澹�ｐ（6）/°C)。這一事實將在雙材料界面處產(chǎn)生顯著的殘余應力，這將很可能導致開裂。

連接Cu和H13的另一種解決方案是使用直接層，其作為可溶于Fe和Cu的過渡材料。在當前的研究中，采用鎳作為直接材料。根據(jù)鐵鎳相圖 (圖2b)存在混合的fcc(面心立方)和bcc(體心立方)相。當鐵鎳合金中的鐵含量范圍為40wt%至95wt%。當鎳含量大于60wt%時，鐵鎳合金是由FeNi3相形成。在另一個極端，當Ni含量小于5wt %時，觀察到α-Fe。%。此外，鎳能與銅形成穩(wěn)定的固溶體(圖2c)。此外，鎳的CTE為13.3×10ｅｘｐ（6）/°C，介于銅和H13之間。因此，在銅和鎳之間插入鎳由于CTE值的差異，H13可以減輕殘余應力的發(fā)展。此外，Ni具有高熱導率，因此不會阻礙Cu-Ni-H13 中的大部分熱傳遞。考慮到上述事實，鎳是結合銅和H13的良好候選者。D22被選作中間層，因為它主要由Ni (> 95 wt。%)。硼和硅的存在有助于形成硬質硼化物和硅化物相，即使在高溫下也有利于其耐磨性。此外，D22易于加工主要用于修理模具，這與本研究的應用是一致的。

在本研究中，設計了三個薄壁MMS試件，如圖圖 3所示。首先執(zhí)行Cu和H13 (Cu-H13 DJ)的直接連接，以強調之前在直接連接過程中發(fā)現(xiàn)的問題。之后，D22被引入作為緩沖層以制造Cu-D22-H13 MMS。D22首先沉積在H13襯底上。隨后，在D22的頂表面上沉積Cu以制造Cu-D22-H13 MMS(圖 3b)。此外，為了測試D22-H13的結合強度，還生產(chǎn)了直接接頭(D22-H13DJ(圖.3c)

2.3.激光輔助定向能量沉積
圖4顯示了定制DED系統(tǒng)的原理圖和設置，以生產(chǎn)本研究中的樣品。該系統(tǒng)由激光器、氣體供給組件、粉末供給器、運動控制系統(tǒng)和外殼組成。激光系統(tǒng)是IPG YLR-1000-WC摻鐿連續(xù)波(CW)光纖激光器，其峰值功率為1 kW，波長為1064 nm，光束直徑為3 mm。使用粉末進料系統(tǒng)(Powder Motion Labs)將粉末離軸輸送到熔池中，該粉末進料系統(tǒng)具有陶瓷噴嘴(圖 4b)。粉末進料噴嘴的內(nèi)徑為1.5毫米，在基底上方的間隔距離為15毫米。氬氣用作粉末運載介質，將顆粒從粉末容器輸送到熔池。計算機數(shù)字控制(CNC)平臺被設計成在激光器部件靜止的同時根據(jù)刀具路徑在XYZ空間中移動襯底。刀具路徑是單軌多層，Cu和D22沿其從左至右沉積，隨后從右至左沉積。材料沉積是在氬氣環(huán)境中進行以防止沉積物氧化。制造的Cu-D22-H13 mm和D22-H13 DJ如圖 5所示，分別是a和b。

圖1.(a) Cu和(c) D22粉末的SEM圖像；(b) Cu和(d) D22的粒度分布


圖2.(a)鐵-銅，(b)鐵-鎳，和(c)銅-鎳的二元合金相圖


圖3.(a) Cu-H13 DJ，(b) Cu-D22-H13 MMS和(c) D22-H13 DJ的示意圖


圖4　(ａ）DED過程的示意圖和(b)實驗裝置。


圖5.DED制造(a) Cu-D22-H13 MMS和(b) D22-H13 DJ


圖6.(a)Cu-D22-H13 MMS上的分段拉伸試樣；(b)D22-H13 DJ上的分段拉伸試樣；(c)拉伸樣品的尺寸。


圖7.(a)Cu-H13 DJ的縱剖面概述圖；顯示(b)1區(qū)、(c)2區(qū)和(d)3區(qū)結構的顯微圖像。

3.1.微觀結構表征

3.1.1.Cu-H13 DJ的顯微組織
圖 7a顯示了制造的Cu-H13 DJ的縱剖面圖。在包括Cu-H13界面區(qū)域(圖 7b)、中間層(圖 7c)和頂層(圖 7d)沉積態(tài)銅。

圖 7b在靠近雙材料界面的Cu中呈現(xiàn)柱狀晶粒，向上層生長。這種柱狀晶粒的形成是DED工藝中快速定向凝固的結果。在沉積過程中，激光掃描基底的頂面以產(chǎn)生熔池。當填充材料被輸送到熔池中時，它迅速凝固。當在室溫下的襯底上沉積材料時，初始的冷卻速率。例如，陳等人報道了在襯底上沉積第一層IN718的冷卻速率為1400 K/s。Hejripour等人報告冷卻速率為800 K/s將雙相不銹鋼放置在基底上。高冷卻速率導致形成與熱量相反生長的柱狀晶粒流向。這種現(xiàn)象通常在許多材料的AM中觀察到，例如鎳基和鈷基合金。區(qū)域1中銅的平均晶粒尺寸為寬度為200微米，最大為長度為1000微米。在打印后續(xù)層時，激光-由于銅的高導熱率，產(chǎn)生的熱量被快速轉移到先前沉積的下層。此外，由于H13具有比Cu低得多的導熱率，所以熱量不會迅速消散。因此，二次加熱容易提高Cu再結晶點以上的溫度，引起晶粒長大。

圖 7c顯示了區(qū)域2中的微觀結構。該區(qū)域呈現(xiàn)柱狀枝晶。Reichardt等人聲稱柱狀枝晶是由先前固化層的激光重熔引起的，其中已經(jīng)沉積的材料充當后續(xù)層固化的成核位置。銅的頂層(圖 7d)也主要表現(xiàn)為柱狀枝晶。結果還表明，盡管銅吸收2-3%的紅外激光能量(1.06微米波長度)，本研究中選擇的DED工藝參數(shù)可以成功沉積銅。

圖8　(a-b)Cu-H13 DJ在雙材料界面區(qū)的SEM圖像；(c)區(qū)域A1和(d)區(qū)域A2中材料的EDS定量分析

圖 8a展示了界面區(qū)域未蝕刻的Cu-H13 DJ的顯微照片。觀察到Cu能夠粘附到H13基底上，但是出現(xiàn)了微裂紋。這些裂紋位于界面處，并擴展到H13部分。進一步的分析證實了類似的裂紋分布在整個粘接線上。這些裂紋起始于雙材料界面，并擴展到基體中垂直于界面的區(qū)域。對這些裂縫的測量表明，它們的長度從40微米到70微米不等。這種裂紋是由于凝固裂紋和高殘余應力的綜合作用形成的，高殘余應力是由于銅(17×10ｅｘｐ（6）/­°C)和H13(10.4×10ｅｘｐ（6）/°C)。將Cu直接沉積到H13上可以由于凝固開裂而失效。凝固開裂是與凝固范圍和終點液體的體積有關，兩者都受標稱成分和固化條件的控制。鐵-銅相圖(圖2a)在較寬的溫度范圍內(nèi)顯示出較大的固化溫度范圍(450°C)銅在鐵中的濃度和有限固溶度。因此，Cu-H13 DJ具有較高的凝固開裂敏感性。據(jù)報道，對于Cu-AISI 1013鋼系統(tǒng)，當Cu濃度在5wt %范圍內(nèi)時，從沉積物中發(fā)現(xiàn)凝固裂紋。殘余應力還會導致Cu-H13界面開裂。在激光加熱和隨后的冷卻循環(huán)中，Cu和H13的溫度經(jīng)歷周期性變化。在加熱階段，Cu的表面溫度遠高于下襯底的表面溫度。同樣，在冷卻階段，銅的冷卻速度更快。在加熱階段，由于銅的溫度較高，銅的膨脹受到較冷襯底的限制，導致襯底承受拉伸應力，銅產(chǎn)生壓縮應力。相反，在隨后的凝固冷卻過程中，Cu的冷卻速度要快得多。因此，Cu經(jīng)歷收縮，并且其收縮受到基板的限制，導致基板中的壓縮應力和Cu中的拉伸應力。因此，基底和銅經(jīng)歷了循環(huán)拉伸和壓縮應力。當應力超過任一材料的屈服強度時，塑性變形開始發(fā)生，材料開始開裂。這項研究表明H13對熱應力誘發(fā)的裂紋更敏感，因為裂紋主要分布在基底區(qū)域。在Cu-H13圓柱形芯的熱疲勞試驗中也觀察到了這種類型的裂紋，其中裂紋是在當H13涂覆在銅基底上時沉積H13。

在銅層中觀察到富鐵顆粒，在H13截面中觀察到富銅顆粒，如圖8b–9d  中所示的定量分析證明了銅向H13部分和H13向銅層的擴散。圖 8中還報告了銅擴散到鋼基體中的情況。出現(xiàn)這些問題是因為只有非常少量的Cu可以與H13形成合金(圖 2a)。在打印第一層Cu時，一定量的H13被激光熔化以形成熔池。同時，注入的銅被輸送到熔池中并與現(xiàn)有材料混合。在凝固過程中，由于銅幾乎不能與H13混合，銅從銅-H13溶液中分離出來，產(chǎn)生富銅和富H13材料。在文獻中也觀察到了銅鍍層中的富鐵顆�，F(xiàn)象。例如，在靠近Cu-H13界面的Cu層中發(fā)現(xiàn)了H13顆粒。在靠近銅合金鍍層的界面上觀察到SS316 L小球。

未完待續(xù)！

文章來源：Additive Manufacturing 36 (2020) 101474,Additive manufacturing of copper–H13 tool steel bi-metallic structures via Ni-based multi-interlayer,https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101474
參考資料：Laser aided additive manufacturing of spatially heterostructured steels，International Journal of Machine Tools and Manufacture，Volume 172, January 2022, 103817，https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2021.103817