CN113118463B - 一种提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法，属于激光增材制造技术领域，包括以下步骤：步骤S1：用三维软件实现模具零件的建模，对成形零件进行加支撑及切片处理，再以模具钢粉末为成形材料，采用激光选区熔化设备获得成形模具零件；步骤S2：将步骤S1中所述成形模具零件进行热等静压处理；步骤S3：将经过步骤S2处理的成形模具零件进行固溶及时效处理；步骤S4：将经过步骤S3处理的成形模具零件局部需要强化区域表面进行激光冲击强化处理。本发明将多种后处理工艺相结合，大大提高激光选区熔化成形模具钢零件综合性能，从而提高模具可靠性，延长其实用寿命并扩展其应用场合，具有很好的应用前景。

Description

一种提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，尤其涉及一种提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法。
背景技术
SLM技术在金属材料的增材制造成形技术中由于采用了能量密度高、光斑细小的光纤激光器，成形精度高、冷却速度快，在对表面粗糙度和尺寸精度要求较高的模具制造领域具有显著优势。目前，SLM成形模具钢的性能基本能够满足应用需求，但其仍存在如孔隙、裂纹、热应力等缺陷，成形件尺寸精度差、表面粗糙度高等问题，因此需要优化成形工艺、通过后处理及增强相颗粒掺杂等方法来调控成形件的质量，使SLM技术能够更成熟、广泛地应用于复杂结构及高性能要求模具的成形。
其中后处理是提高SLM成形模具钢性能的有效方法，Mazure等(Mazur M，BrincatP，Leary M，et al.Numerical and experimental evaluation of a conformally cooledH13 steel injection mould manufactured with selective laser melting[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2017，93:881-900.)对SLM成形的H13模具钢进行了热处理，使其拉伸强度提高了37％，延伸率提高了30％。Chen等(Chen H，Gu D，Dai D，et al.Microstructure and composition homogeneity，tensileproperty，and underlying thermal physical mechanism of selective laser meltingtool steel parts[J].Materials Science&Engineering A，2016，682:279-289.)利用SLM成形了5CrNi4Mo模具钢，成形后的试样延伸率不能达到使用要求。随后，对试样在630℃下进行了真空热处理，处理后的试样拉伸强度提高了6.7％，延伸率提高了73％，韧性提高了110.6％，达到应用要求。
热等静压(HIP)是一种集高温高压于一体的工艺，能够致密化粉末冶金产品，也可用来修复金属部件的裂纹、内部疏松等缺陷，提高材料性能，已有研究者(Tillmann W，Schaak C，Nellesen J.Hot isostatic pressing of IN718 components manufacturedby selective laser melting[J].Additive Manufacuring，2017，13:93；刘凯，王荣，祁海，等.热等静压工艺对SLM成形K4536合金组织与性能的影响[J].航空材料学报，2018，38(3):46.)将其作为后处理工序来改善SLM成形部件的缺陷及性能。
激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术(Lu H F，Xue K N，Xu X，et al.Effects oflaser shock peening on microstructural evolution and wear property of laserhybrid remanufactured Ni25/Fe104 coating on H13 tool steel[J].Journal ofMaterials Processing Technology，2021，291:117016.)。它具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。
M200是一种含硫的铬锰钼合金塑胶模具钢，具有优异的纯净度，可达到最佳韧性和优良的加工性。适合对于抛光性和疲劳强度要求极高的塑胶模具，机械工程及模具零部件，被广泛使用在：大型塑胶模具的制作、注塑模具的模架、通用机械工程和刀具上的零部件、适用于所有耐腐蚀要求高，需要优良的延展性和高强度的模具。目前没有对M200模具钢进行热等静压、激光冲击强化等后处理的报道。
发明内容
本发明的目的就在于解决SLM成形模具钢孔隙、裂纹、热应力等缺陷，及性能不足，设计一种合理的提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法。
本发明采用以下技术方案来实现：
一种提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法，包括以下步骤：
步骤S1：用三维软件实现模具零件的建模，对成形零件进行加支撑及切片处理，再以模具钢粉末为成形材料，采用激光选区熔化设备获得成形模具零件；
步骤S2：将步骤S1中所述成形模具零件进行热等静压处理；
步骤S3：将经过步骤S2处理的成形模具零件进行固溶及时效处理；
步骤S4：将经过步骤S3处理的成形模具零件局部需要强化区域表面进行激光冲击强化处理。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S1中模具钢粉末材料为M200模具钢，按质量百分数计，包括C：0.4％、Si：0.4％、Mn：1.5％、Cr：1.9％、Mo：0.2％、S：0.08％及Fe余量。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S1中，激光选区熔化设备中激光器为光纤激光器，激光功率为150～1000W，光斑直径为50～200μm，搭接率为20～40％，成型厚度为20～150μm，扫描速度为0.8～10m·s-1。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S2中热等静压处理的温度为950～1050℃，压力为120～130MPa，时间为3～5h。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S3中固溶及时效处理的固溶温度为860～880℃，保温1～2h后空气冷却，时效温度为720～740℃，保温15～2 0h后空气冷却。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S3中具体步骤为：将经过步骤S2处理的成形模具零件进行固溶及时效交替循环处理。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S3中所述固溶及时效交替循环处理以成形模具零件经过固溶处理后然后再经过时效处理降温至自然温为一个循环，所述固溶及时效交替循环处理次数为1-2次。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S4中激光冲击强化处理，吸收层采用铝箔、黑漆涂层和柔性贴膜其中一种，厚度为0.1～0.2mm，约束层为水，厚度为2～3mm，激光脉冲宽度为10～30ns，光斑直径为3～5mm，重复频率为1～2Hz，激光能量为5～20J，光斑的搭接率为20～40％。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过热等静压有助于SLM成形M200模具钢零件内部的微裂纹修复，同时可以细化晶粒，大幅提高材料力学性能；
2、本发明采用激光冲击强化能达到SLM成形M200模具钢表面层应力重构和强化的双重作用，一方面激光冲击处理后形成的残余压应力能够改变疲劳裂纹源位置，大大推迟裂纹萌生时间，有效地降低裂纹的扩展速率，从而延长模具零件的疲劳寿命，另一方面激光冲击的强化效应可提高强化区耐磨损及腐蚀等性能。
3、本发明通过热等静压、激光冲击强化等组织后处理工艺，将大大提高激光选区熔化成形M200模具钢零件综合性能，从而提高模具可靠性，延长其实用寿命并扩展其应用场合。
附图说明
图1为本发明一种提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
一种提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法，包括以下步骤：
步骤S1：用三维软件实现模具零件的建模，然后用软件对成形零件进行加支撑及切片处理，再以模具钢粉末为成形材料，采用激光选区熔化设备获得成形模具零件；
步骤S2：将步骤S1中成形模具零件进行热等静压处理；
步骤S3：将经过步骤S2处理的成形模具零件进行固溶及时效处理；
步骤S4：将经过步骤S3处理的成形模具零件局部需要强化区域表面进行激光冲击强化处理。
其中，步骤S1中模具钢粉末材料为M200模具钢，M200模具钢粉末化学成分如表1所示；
表1 M200模具钢粉末名义化学成分(质量百分数，％)
其中，步骤S1中，对成形零件进行加支撑及切片处理的软件选用MaterialiseMagics及AutoFab软件，激光选区熔化设备中激光器为光纤激光器，激光选区熔化设备型号为NCL-M2150T(南京铖联激光科技有限公司，CHAMLION)，激光功率为150～1000W，光斑直径为50～200μm，搭接率为20～40％，成型厚度为20～150μm，扫描速度为0.8～10m·s-1。
其中，步骤S2中热等静压处理的温度为950～1050℃，压力为120～130MPa，时间为3～5h。
其中，步骤S3中固溶及时效处理的固溶温度为860～880℃，保温1～2h后空气冷却，时效温度为720～740℃，保温15～2 0h后空气冷却；步骤S3中具体步骤为：将经过步骤S2处理的成形模具零件进行固溶及时效交替循环处理，步骤S3中固溶及时效交替循环处理以成形模具零件经过固溶处理后然后再经过时效处理降温至自然温为一个循环，固溶及时效交替循环处理次数为1-2次。
其中，步骤S4中激光冲击强化处理，吸收层采用铝箔(购于3M公司，全称尼苏达矿业及机器制造公司)、黑漆涂层和柔性贴膜其中一种，厚度为0.1～0.2mm，约束层为水，厚度为2～3mm，激光脉冲宽度为10～30ns，光斑直径为3～5mm，重复频率为1～2Hz，激光能量为5～20J，光斑的搭接率为20～40％。
为了进一步验证本实施的效果，提供以下几种具体的一种提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法的实验。
实施例1
一种提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法，包括以下步骤：
步骤S1：用三维软件实现模具零件的建模，并生成STL文件，然后用软件对成形零件进行加支撑及切片处理，再以M200模具钢粉末为成形材料，采用激光选区熔化设备实现模具零件成形，激光选区熔化工艺：激光功率为200W，光斑直径为80μm，搭接率为37.5％，成型厚度为40μm，扫描速度为1.2m·s-1；
步骤S2：对成形模具零件进行热等静压处理，温度为1000℃，压力为120MPa，时间为4h；
步骤S3：对成形模具零件进行先固溶后时效处理，固溶温度860℃，保温1h，然后空气冷却，时效温度740℃，保温15h，然后空气冷却；
步骤S4：对模具零件局部需要强化区域表面进行激光冲击强化处理，吸收层为铝箔，厚度为0.1mm，约束层为水，厚度为2mm，激光脉冲宽度为10ns，光斑直径为4mm，重复频率为1Hz，激光能量为10J，光斑的搭接率为33.3％。
实施例2
一种提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法，包括以下步骤：
步骤S1：用三维软件实现模具零件的建模，并生成STL文件，然后用软件对成形零件进行加支撑及切片处理，再以M200模具钢粉末为成形材料，采用激光选区熔化设备实现模具零件成形，激光选区熔化工艺：激光功率为200W，光斑直径为80μm，搭接率为37.5％，成型厚度为40μm，扫描速度为1.2m·s-1；
步骤S2：对成形模具零件进行热等静压处理，温度为1000℃，压力为120MPa，时间为4h；
步骤S3：对成形模具零件进行先固溶后时效处理，固溶温度880℃，保温1h，然后空气冷却，时效温度700℃，保温15h，然后空气冷却，再循环1次；
步骤S4：对模具零件局部需要强化区域表面进行激光冲击强化处理，吸收层为铝箔，厚度为0.1mm，约束层为水，厚度为2mm，激光脉冲宽度为10ns，光斑直径为4mm，重复频率为1Hz，激光能量为10J，光斑的搭接率为33.3％。
对比例1
一种激光选区熔化成形模具钢，成形过程如下：
步骤S1：用三维软件实现模具零件的建模，并生成STL文件，然后用MaterialiseMagics及AutoFab软件对成形零件进行加支撑及切片处理，再以M200模具钢粉末为成形材料，采用激光选区熔化设备实现模具零件成形，激光选区熔化工艺：激光功率为200W，光斑直径为80μm，搭接率为37.5％，成型厚度为40μm，扫描速度为1.2m·s-1。
对比例2
一种激光选区熔化成形模具钢，成形过程如下：
步骤S1：用三维软件实现模具零件的建模，并生成STL文件，然后用软件对成形零件进行加支撑及切片处理，再以M200模具钢粉末为成形材料，采用激光选区熔化设备实现模具零件成形，激光选区熔化工艺：激光功率为200W，光斑直径为80μm，搭接率为37.5％，成型厚度为40μm，扫描速度为1.2m·s-1；
步骤S2：对成形模具零件进行热等静压处理，温度为1000℃，压力为120MPa，时间为4h；
步骤S3：对成形模具零件进行先固溶后时效处理，固溶温度860℃，保温1h，然后空气冷却，时效温度740℃，保温15h，然后空气冷却。
对比例3
一种激光选区熔化成形模具钢，成形过程如下：
步骤S1：用三维软件实现模具零件的建模，并生成STL文件，然后用MaterialiseMagics及AutoFab软件对成形零件进行加支撑及切片处理，再以M200模具钢粉末为成形材料，采用激光选区熔化设备实现模具零件成形，激光选区熔化工艺：激光功率为200W，光斑直径为80μm，搭接率为37.5％，成型厚度为40μm，扫描速度为1.2m·s-1；
步骤S2：对成形模具零件进行先固溶后时效处理，固溶温度860℃，保温1h，然后空气冷却，时效温度740℃，保温15h，然后空气冷却；
步骤S3：对模具零件局部需要强化区域表面进行激光冲击强化处理，吸收层为铝箔，厚度为0.1mm，约束层为水，厚度为2mm，激光脉冲宽度为10ns，光斑直径为4mm，重复频率为1Hz，激光能量为10J，光斑的搭接率为33.3％。
对比例4
一种提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法，包括以下步骤：
步骤S1：用三维软件实现模具零件的建模，并生成STL文件，然后用软件对成形零件进行加支撑及切片处理，再以M200模具钢粉末为成形材料，采用激光选区熔化设备实现模具零件成形，激光选区熔化工艺：激光功率为200W，光斑直径为80μm，搭接率为37.5％，成型厚度为40μm，扫描速度为1.2m·s-1；
步骤S2：对成形模具零件进行先固溶后时效处理，固溶温度880℃，保温1h，然后空气冷却，时效温度700℃，保温15h，然后空气冷却，再循环1次；
步骤S3：对模具零件表面进行激光冲击强化处理，吸收层为铝箔，厚度为0.1mm，约束层为水，厚度为2mm，激光脉冲宽度为10ns，光斑直径为4mm，重复频率为1Hz，激光能量为10J，光斑的搭接率为33.3％；
步骤S4：对成形模具零件进行热等静压处理，温度为1000℃，压力为120MPa，时间为4h；
1、拉伸试验：采用ETM105D电子拉力实验机对实施例1-2以及对比例1-3成形的M200模具钢零件试样进行拉伸试验。
2、疲劳试验：采用PLN-100/500型伺服液压机对实施例1-2以及对比例1-3成形的M200模具钢零件试样进行疲劳试验，施加的载荷为7kN，应力比为0.5，载荷频率为15Hz。
3、磨损试验：采用MM200环-块式摩擦磨损试验机对实施例1-2以及对比例1-3成形的M200模具钢零件试样进行室温干滑动磨损试验，试样尺寸为10mm×10mm×10mm，对磨环为淬火-低温回火的45钢，尺寸为d 40mm(外圆)×d 16mm(内孔)×10mm(厚度)，硬度为53±3HRC，磨损前将试样表面用360目水磨金相砂纸磨平，试验条件为法向载荷100N，对磨环旋转速度为100r·min-1，磨损时间30min。
试验数据结果如表2所示：
表2实施例和对比例的力学性能、疲劳性能和耐磨性能测试结果
通过表2的数据可以看出，经过热等静压、固溶及时效处理，SLM成形M200模具钢断裂强度提高27.3％，达到1046.5MPa，再经过激光冲击强化，可提高到原始SLM成形件的33.5％，达到1097.6MPa；经过热等静压、固溶及时效处理，SLM成形M200模具钢延伸率提高120.7％，达到19.2％，再经过激光冲击强化，可提高到原始SLM成形件的126.4％，达到19.2％；经过热等静压、固溶及时效处理，SLM成形M200模具钢疲劳寿命从221689载荷循环次数提高到288743次，提高30.2％，再经过激光冲击强化，可提高到原始SLM成形件的74.1％，达到385912次；原始SLM成形M200模具钢、经等静压、固溶及时效处理的试样，再经激光冲击强化的试样在法向载荷100N，对磨环旋转速度为100r·min-1，磨损时间30min后，对比例1、对比例2、实施例1的磨损失重分别为6.3mg、4.1mg、2.5mg，对比例2磨损失重是对比例1的65.1％，而实施例1磨损失重只有对比例1的39.7％，通过实施例2和实施例1的对比，经过固溶及时效交替循环2次处理，试样整体性能上略优于实施例1。总体上，从对比例1和2可以看出，热等静压、固溶及时效处理可显著提高SLM成形M200模具钢的力学性能，但对其疲劳寿命、耐磨性能的改善有限。
对比例3的试样未经过热等静压处理，经过固溶及时效处理和激光冲击强化处理，断裂强度仅提高9.6％，延伸率提高19.5％，但是疲劳寿命从221689载荷循环次数提高到319626次，磨损失重只有对比例1的49.2％，说明激光冲击强化不能显著提高SLM成形M200模具钢的断裂强度、延伸率等力学性能，但可大大提高其疲劳寿命、耐磨性能；对比例4采用先激光冲击强化后热等静压处理，试样整体性能效果上相比较对比例2、3略差，仅略优于对比例1，说明处理的先后顺序也影响着模具钢的性能；综合应用热等静压、固溶及时效处理、激光冲击强化等后处理方法，可大大提高激光选区熔化成形M200模具钢零件综合性能，从而提高模具可靠性，延长其实用寿命并扩展其应用场合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：用三维软件实现模具零件的建模，对成形零件进行加支撑及切片处理，再以模具钢粉末为成形材料，采用激光选区熔化设备获得成形模具零件；
其中，模具钢粉末为M200模具钢，按质量百分数计，包括C：0.4％、Si：0.4％、Mn：1.5％、Cr：1.9％、Mo：0.2％、S：0.08％及Fe余量；
激光选区熔化设备中激光器为光纤激光器，激光功率为150～1000W，光斑直径为50～200μm，搭接率为20～40％，成型厚度为20～150μm，扫描速度为0.8～10m·s-1；
步骤S2：将步骤S1中所述成形模具零件进行热等静压处理，热等静压处理的温度为950～1050℃，压力为120～130MPa，时间为3～5h；
步骤S3：将经过步骤S2处理的成形模具零件进行固溶及时效交替循环处理；固溶及时效处理的固溶温度为860～880℃，保温1～2h后空气冷却，时效温度为720～740℃，保温15～2 0h后空气冷却；以成形模具零件经过固溶处理后然后再经过时效处理降温至自然温为一个循环，所述固溶及时效交替循环处理次数为1-2次；
步骤S4：将经过步骤S3处理的成形模具零件局部需要强化区域表面进行激光冲击强化处理，其中，激光冲击强化处理，吸收层采用铝箔、黑漆涂层和柔性贴膜其中一种，厚度为0.1～0.2mm，约束层为水，厚度为2～3mm，激光脉冲宽度为10～30ns，光斑直径为3～5mm，重复频率为1～2Hz，激光能量为5～20J，光斑的搭接率为20～40％。
2.根据权利要求1所述的一种提高激光选区熔化成形模具钢性能的后处理方法，其特征在于，所述步骤S3中：所述固溶及时效交替循环处理次数为2次。
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