热处理对选择性激光熔化制备40Cr13不锈钢硬度的影响开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究背景

快速成型技术作为一种新型的加工技术，可以快速方便的加工出各种符合人们需求的零件，是全球第三次工业革命浪潮中的代表性技术之一。传统工业的材料依然以金属为主，故选择性激光熔化技术(selective laser melting, slm)在快速成型技术中有着重要意义^[1]。

虽然选择性激光熔化技术目前还存在粉末球化现象^[2]和裂纹孔隙^[3]的问题，但相比于传统金属制品有不少优势。如选择性激光熔化技术、锻造、铸造tc4钛合金的力学性能比较中选择性激光熔化技术的力学性能最好^[4]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

材料制备:本实验所用的材料是由选区激光熔化技术制备的40Cr13不锈钢，选区激光熔化使用的40Cr13不锈钢粉末是由成都华寅粉体科技有限公司通过气雾化方式生产得到的，不锈钢粉末的成分如表2-1所示。实验材料经线切割成10mm×5mm×3mm的立方体，之后再进行热处理。

表2-1 40Cr13不锈钢粉末元素含量表

材料表征：对材料进行热处理后利用SEM、XPS、XRD等技术研究热处理后的相成分及分布情况并测试试样的机械性能对其机械性能进行评估。

2.2研究目标

2.2.1掌握SLM的40Cr13不锈钢的制备方法。

2.2.2掌握JMatPro材料性能模拟软件。

2.2.3针对于SLM后的40Cr13不锈钢设计出合理的热处理方案。

2.3技术方案

2.3.1热处理工艺的制定

40Cr13不锈钢属于马氏体不锈钢，是典型的中碳高铬型耐蚀钢，经热处理（淬火 回火）后，具有较高的强度、耐磨性、优良的抛光性能和耐腐蚀性。40Cr13钢的淬火温度为1000-1050℃。为了获得高耐磨型和耐蚀性好的不锈钢零件，回火温度一般为200-300℃；对于要求拥有一定强韧性以及良好的耐蚀性的零件一般选择在650-750℃之间回火。

选区激光熔化成型得到的40Cr13不锈钢，在成型过程会有部分的元素挥发出去，导致成分与普通的40Cr13钢有一定的差别，因此采用的热处理温度也有一定的差异。为了得到准确的相变点温度，将利用JMatPro计算SLM成型后40Cr13的相图，然后进一步确定合适的热处理温度。同时，为了提高材料的耐蚀性，本实验将淬火温度提高到能够使碳化物基本溶解的温度，，从而提高基体中的碳含量，减少贫铬区。

JMatPro是英国Sente Software公司开发的一款功能强大的材料性能模拟软件，可以用来计算大多数金属材料的性能。对于不同的金属类型JMatPro有不同的模块计算，主要计算功能有：稳态或亚稳态的相平衡计算、凝固计算、热物性以及物理性能计算和机械性能计算等等。我们选用的是该软件的相平衡计算功能，将测得的SLM40Cr13的成分输入JMatPro的不锈钢模块里，再选择相平衡计算，计算的温度范围选择100-1500℃，计算步长选择2℃/step，之后再点击计算按钮便可以得到相图了，再找出需要的相变点温度作为热处理温度设置的参考点。

淬火工艺：每个淬火工艺选取两个试样，奥氏体化温度选择950℃、1000℃、1050℃和1100℃，将试样放入刚玉坩埚中盖好盖子，然后放入电阻炉中加热，在加热到800℃保温10min，继续加热到目标温度并保温20min后取出放入油中淬火至室温。

回火工艺：将淬火后的试样清理干净后放入热处理炉中回火，回火温度为300℃、550℃和700℃，保温时间为120min，之后取出空冷。实验材料的热处理工艺图如图2-1所示。

图2-1 热处理工艺流程图

2.3.2材料结构分析与表征方法

（1）金相组织观察

（2）显微硬度测量

将热处理后的试样分别按照金相试样制备方法研磨并抛光，之后使用HV-1000显微硬度计测定试样的维氏硬度。每个试样在平整的区域选取均匀的9个点测量其硬度，测量结果取均值代表每种试样的硬度，将测试的结果取标准差作为评价材料表面硬度均匀性的数据。

（3）布氏洛氏硬度测试

（4）室温拉伸压缩弯曲剪切试验

（5）耐磨性测试

（6）X射线衍射分析

为了研究热处理后的相组成，需要多试样进行X射线衍射分析。本研究X射线衍射分析使用的设备是德Bruke公司生产的型号为D8- Advance，其主要的技术指标为：额定输入功率3kW；电流电压稳定度优于±0.005%；可测量的2θ角度范围从-10°~168°，可读最小步长0.0001°，角度重现性0.0001°。

在测试中使用的靶材为Cu靶，扫描速度设定为2°/min，扫描角度范围设定为20°~90°。

（7）扫描电子显微镜观察

使用与金相组织观察相同的制样方法制样，使用Zeiss Ultra Plus型场发射扫描电子显微镜进行观察热处理后试样的相、显微组织以及碳化物的分布，利用电镜附带的EDS能谱分析仪对试样组织成分进行分析。并对经过电化学腐蚀过的试样进行腐蚀形貌进行分析。

（8）电子探针显微分析

按照金相试样制备方法制备电子探针显微分析的样，使用JAX-8530电子探针显微镜分析试样的观察和分析试样的显微组织，碳化物的形态、尺寸、分布和元素分布。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4-8周：按照设计方案，对slm40cr13进行热处理制备试样，并测试机械性能。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]叶冬森. 选择性激光熔化过程的状态监测方法研究[d].中国科学技术大学,2018.

[2]tang huiping, wang jian, lu shenglu, et al. research progress in selective electron beam melting [j]. materials china, 2015, 34 (3)： 225-235.

[3]zhang xiaobo. study on the key technology of ti alloy in selective laser melting[d]. xi'an ： shaanxi university of science and technology, 2015.