一种提高激光熔化沉积12CrNi2合金钢强塑积的热处理方法

本发明属于金属激光增材制造领域，具体涉及一种提高激光熔化沉积12crni2合金钢强塑积的热处理方法，适用于提高成分相近的各种复杂结构的激光增材制造合金钢构件的综合力学性能。

背景技术：

12crni2合金钢是一种低碳低合金钢，此类钢种作为现阶段较常用的金属结构材料，工业上广泛应用于大尺寸高性能机器零部件。例如：核电用柴油机凸轮轴，其具有复杂的形状结构，投入安全使用的前提是要求合金钢显微组织均匀致密，各部分性能协调，表面高强高硬，芯部高韧。现今国内此类大尺寸复杂形状合金钢构件的生产主要采用传统的成型制造方式，例如：铸造、锻造等。但是，由于其相变及形状的复杂性，其成品率较低，约30％。同时，此类大尺寸复杂形状结构零部件主要依赖于进口，造价较高。

激光熔化沉积(lasermeltingdeposition-lmd)技术是以粉末同步送进为主要特征的一种激光增材制造(laseradditivemanufacturing-lam)技术。采用激光熔化沉积技术成形此类合金钢构件，可解决复杂结构零件的成形问题，大大减少加工工序，缩短加工周期。但激光熔化沉积12crni2合金钢的显微组织主要是铁素体和少量奥氏体，塑性很好，但其强度不足，即强塑积较低(抗拉强度范围为640～690mpa，延伸率范围为20～25％，强塑积范围为13.8～16gpa·％)。强塑积为抗拉强度与断后伸长率(即延伸率)的乘积，是衡量金属材料强韧性水平的综合性能指标。激光熔化沉积12crni2合金钢的强塑积较低将影响其实际应用。因此，需通过热处理调控激光熔化沉积合金钢的组织结构、提高其综合力学性能。通过直接淬火获得马氏体组织可以显著提高激光熔化沉积12crni2合金钢的强度，但同时会大幅降低其韧性。因此，单相马氏体组织并不适合提高合金钢的强塑积。

技术实现要素：

为了解决激光熔化沉积12crni2合金钢构件综合力学性能较差的问题，本发明的目的在于提供一种提高激光熔化沉积12crni2合金钢强塑积的热处理方法，通过复合双相区温度淬火处理调控合金钢显微组织，实现激光熔化沉积12crni2合金钢强韧性的提高。

本发明的技术方案如下：

一种提高激光熔化沉积12crni2合金钢强塑积的热处理方法，该方法包括在奥氏体单相区淬火和回火处理获得回火马氏体组织基础上，进行铁素体-奥氏体双相区温度淬火处理步骤，具体如下：

将激光熔化沉积12crni2合金钢以50℃/min的升温速度加热至860℃，并保温30min后，放入水中淬火；将淬火后合金钢以50℃/min的升温速度加热至200～300℃进行回火处理，保温30～180min后，在空气中冷却至室温；继续将回火后合金钢以50℃/min的升温速度加热至760～810℃，保温20～60min后，放入水中冷却至室温。

所述的提高激光熔化沉积12crni2合金钢强塑积的热处理方法，在进行热处理前，激光熔化沉积12crni2合金钢的技术指标如下：抗拉强度范围为640～690mpa，延伸率范围为20～25％，强塑积范围为13.8～16gpa·％。

所述的提高激光熔化沉积12crni2合金钢强塑积的热处理方法，经复合双相区淬火处理后，激光熔化沉积12crni2合金钢显微组织转化为由强化相马氏体和韧性相铁素体组成的双相组织，其中马氏体相的原奥氏体晶粒尺寸明显细化，原奥氏体晶粒尺寸范围为：2～4μm。

所述的提高激光熔化沉积12crni2合金钢强塑积的热处理方法，在进行热处理前的激光熔化沉积12crni2合金钢中，按体积百分比计，奥氏体小岛占5～9％，其余为铁素体基体；经复合双相区淬火处理后，按体积百分比计，韧性相铁素体按占13～17％，其余为强化相马氏体。

所述的提高激光熔化沉积12crni2合金钢强塑积的热处理方法，经复合双相区淬火处理后，激光熔化沉积12crni2合金钢的技术指标如下：抗拉强度范围为1100～1120mpa，延伸率范围为20～22％，强塑积范围为22～24.64gpa·％。

本发明的设计思想是：激光熔化沉积过程中熔池的快速凝固以及新沉积层对已沉积部分的复杂热效应，导致激光熔化沉积成形合金钢显微组织可控性差并且不均匀，力学性能不达标。本发明考虑采用复合双相区淬火的热处理工艺，在获得强化相(马氏体)和韧性相(铁素体)双相的同时，调控双相的比例和形态，以达到提高激光熔化沉积12crni2合金钢强塑积的目的。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明一种提高激光熔化沉积12crni2合金钢强塑积的热处理方法，为激光熔化沉积12crni2合金钢综合力学性能的优化提供解决方案，适用于改善复杂结构的激光增材制造合金钢构件强韧性等综合力学性能。

2、本发明通过复合的双相区淬火处理激光熔化沉积12crni2合金钢，显微组织组成相马氏体和铁素体的比例得到有效调控，晶粒尺寸有效细化，强塑积较沉积态12crni2合金钢明显提高。

附图说明

图1为本发明实施例中激光熔化沉积12crni2合金钢的显微组织金相照片。图中，ferrite代表铁素体，austenite代表奥氏体。

图2为本发明实施例中激光熔化沉积12crni2合金钢的应力-应变曲线。图中，横坐标engineeringstrain代表工程应变(％)，纵坐标engineeringstress代表工程应力(mpa)。

图3为本发明实施例中激光熔化沉积12crni2合金钢进行860℃单相区保温0.5h淬火后进行200℃保温2h的回火处理步骤后，在此基础上进行800℃双相区温度保温30min后淬火热处理示意图。图中，wc,watercooling代表水冷；γ,austenite代表奥氏体；α,ferrite代表铁素体。

图4为本发明实施例中激光熔化沉积12crni2合金钢经复合双相区(800℃)淬火处理后的显微组织金相照片。图中，ferrite代表铁素体，martensite代表马氏体。

图5为本发明实施例中激光熔化沉积12crni2合金钢经复合双相区(800℃)淬火处理后的应力-应变曲线。图中，横坐标engineeringstrain代表工程应变(％)，纵坐标engineeringstress代表工程应力(mpa)。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明方法为复合双相区(铁素体-奥氏体区)温度淬火处理，具体如下：将激光熔化沉积12crni2合金钢以50℃/min的升温速度加热至860℃，并保温30min，然后放入水中淬火；将淬火后合金钢以50℃/min的升温速度加热至200～300℃进行回火处理，保温30～180min，然后在空气中冷却至室温；继续将回火后合金钢以50℃/min的升温速度加热至760～810℃，保温20～60min，然后放入水中冷却至室温。该方法可有效调控激光熔化沉积合金钢的相组成和晶粒尺寸，提高激光熔化沉积合金钢的强塑积。

以下对本发明的优选实施例对本发明进一步详细说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例中，提高激光熔化沉积12crni2合金钢强塑积的热处理方法如下：

1、激光熔化沉积12crni2合金钢采用以同步送粉为技术特征的激光熔化沉积技术制备，采用的激光器为半导体激光器。

2、如图1所示，通过显微组织形貌表明，按体积百分比计，激光熔化沉积12crni2合金钢显微组织由棕色铁素体基体(93％)和少量亮白色奥氏体小岛(7％)组成。

3、如图2所示，通过应力-应变曲线表明，激光熔化沉积12crni2合金钢的抗拉强度为683.6mpa，延伸率为22.57％，强塑积为15.43gpa·％。

4、复合双相区淬火处理步骤具体为：激光熔化沉积12crni2合金钢以升温速率50℃/min加热至860℃并保温0.5h后，在水中淬火。经淬火处理的12crni2合金钢以升温速率50℃/min加热至200℃进行回火处理，保温2h后，在空气中冷却至室温。回火后12crni2合金钢以升温速率50℃/min加热至800℃并保温0.5h后，在水中冷却至室温，热处理工艺如图3所示。

5、如图4所示，激光熔化沉积12crni2合金钢经复合双相区淬火后显微组织转化为深棕色马氏体和白色铁素体双相，按体积百分比计，马氏体相占比例约为85％，马氏体的原奥氏体晶粒尺寸为2.3μm。如图5所示，通过应力-应变曲线表明，激光熔化沉积12crni2合金钢经复合双相区淬火处理后抗拉强度为1109mpa，延伸率为20.14％，强塑积显著提高，为22.35gpa·％。

实施例结果表明，激光熔化沉积12crni2钢经实施例中复合双相区温度淬火之后显微组织由铁素体-奥氏体转化为马氏体-铁素体双相。而且，双相组织中马氏体的原奥氏体晶粒尺寸被明显细化(2.3μm)。本发明方法通过对激光熔化沉积12crni2合金钢进行复合双相区淬火处理，可明显提高其强塑积，改善综合力学性能。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。