热处理对激光选区熔化制备CX_不锈钢微观组织与性能的影响

第3期闫志航，等：电脉冲轧制6061Al电热耦合模型及电弧加热机理分析
（0）为热源中心的最大通量（单位：W/m2）；C为浓度系
数（单位：m-2）；r为距热源中心的径向距离（单位：m）。

q=k×S׶∆T
¶d
（16）
式中　k是导热系数；S是接触面积；d是导热距离；∆T是温差。

高斯热源的一个变体使用以下方程拟合得到图6e的热源方程。

q(r)=q
max
×e(-(a×x2+b×z2))（17）拟合结果a=31.20，b=10.90。

使用Gauss2D方程拟合图6h的热源方程：
q=q
max ×e
()
-0.5×()x-xc w12-0.5×()y-yc w22+c（18）
式中　x c=0，y c=0，w1=w2=0.05，c=35.04。

3 结论
（1）当加载800 A的电流时，电脉冲辅助轧制工艺可以在两板的界面处产生温度为4 000 K或更高的电弧，但这不是稳定的焊接电弧，而是瞬时电弧，可用于铝合金板材的瞬时加热及氧化膜的去除。

当加载更高的电流时，会产生更高温度的电弧。

（2）电脉冲辅助轧制后板材表面可以形成焊点，结合本研究的模拟可得出，加载高频电流时两板间可以达到产生电弧的条件，且电弧首次产生的时间为1/4个脉冲周期，电弧呈现椭圆凹形，由上下凸起之间的间距和曲率确定。

加载更高频率的脉冲电流可以使一定时间内产生的电弧数量增加，即加热次数更多。

（3）采用切片法分别对两个方向的热源进行拟合，得到了有效的热源拟合方程。

电弧的产生也为电脉冲辅助轧制提供了新的研究方向。

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编辑部网址：http：//
29
Electric Welding Machine
Vol.54 No.3Mar. 2024
第 54 卷 第 3 期2024 年3 月
热处理对激光选区熔化制备CX 不锈钢微观组织
与性能的影响
陈锦伊1， 陈信豪1， 马晶晶1， 张可召1*， 冯
时2， 严春妍1， 包晔峰1
1.河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022
2.江苏柏灵激光智能设备有限公司，江苏 常州 213022
摘　要：采用激光选区熔化技术（SLM ）制备了CX 不锈钢（Corrax Stainless Steel ），并对沉积态、固溶态、固溶时效态三种条件下的CX 不锈钢进行显微组织分析和室温拉伸性能测试。

结果表明，沉积态CX 不锈钢的显微组织由99.4%马氏体和0.6%残余奥氏体组成，固溶处理后得到的组织为马氏体，在固溶处理的基础上进一步时效处理后，奥氏体的含量明显提高，同时伴随有NiAl 金属间化合物析出。

固溶时效处理显著提高了CX 不锈钢的强度，可达1 426 MPa ，因为NiAl 相产生第二相强化效应，而逆转变奥氏体生成也改善了塑性。

断口形貌分析显示三种热处理条件下CX 不锈钢的断裂机制均为韧性断裂。

关键词：马氏体时效不锈钢； 激光选区熔化技术； 热处理； 显微组织； 拉伸性能
中图分类号：TG456.7 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2024）03-0030-06
Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties of SLM
Formed CX Stainless Steel
CHEN Jinyi 1, CHEN Xinhao 1, MA Jingjing 1, ZHANG Kezhao 1*, FENG Shi 2, YAN Chunyan 1, BAO Yefeng 1
1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, China
2.Jiangsu Brilliant Laser Intelligent Equipment Co., Ltd., Changzhou 213022, China
Abstract: CX stainless steel was prepared by selective laser melting(SLM), and the microstructure and room temperature tensile properties of as-built, solution treated, and solution-aging treated samples were investigated. The results show that the microstructure of as-built CX stainless steel is composed of 99.4% martensite and 0.6% austenite. After the solution treat ‐ment, the microstructure is composed of full martensite, accompanied by the precipitation of NiAl intermetallic compounds. Further aging treatment on the basis of solution treatment significantly increased the content of austenite, The solution-aging treatment significantly improve the strength of CX stainless steel, reaching 1 426 MPa, due to the second-phase strengthen ‐ing effect of the NiAl phase, while the formation of reversed austenite also improved plasticity. Fracture morphology analy ‐sis show that the fracture mechanism of CX stainless steel under the three heat treatment conditions was ductile fracture.Keywords: maraging stainless steel; selective laser melting; heat treatment; microstructure; tensile property
引用格式：陈锦伊，陈信豪，马晶晶，等.热处理对激光选区熔化制备CX 不锈钢微观组织与性能的影响［J ］.电焊机，2024，54（3）：30-35.
Citation:CHEN Jinyi, CHEN Xinhao, MA Jingjing, et al.Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties of SLM Formed CX Stainless Steel[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(3): 30-35.
收稿日期： 2023-07-09 修回日期： 2023-10-12
基金项目： 国家自然科学基金（51804097）；中央高校基本科研业务费专项资金（B220202026）；常州市科技计划（CJ20220074）作者简介： 陈锦伊（1999—），女，硕士研究生。

通讯作者： 张可召（1987—），男，博士，副教授，主要从事激光焊接方向的研究。

E-mail ：***************.cn 。

DOI ：10.7512/j.issn.1001-2303.2024.03.05
第3期陈锦伊，等：热处理对激光选区熔化制备CX不锈钢微观组织与性能的影响
0 引言
马氏体时效不锈钢是一种以无碳或超低碳铁镍马氏体组织为基体，在相变强化、固溶强化和时效强化的协同作用下形成的超高强度钢［1］。

这类不锈钢由马氏体时效钢发展而来，既克服了沉淀硬化不锈钢的部分缺点，又保留了马氏体时效钢的全部优点，与其他同级别的超高强度钢相比，马氏体时效不锈钢具有高强度、高韧性，拥有良好的加工性能、焊接性能和耐腐蚀性能，在受热状态下仍有较好的稳定性，且热处理工艺简单［2］。

这些优异的性能使得马氏体时效不锈钢被广泛用于飞机、火箭、导弹壳体等关键设备的主承力耐蚀部件的制造［3-4］。

激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）是增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）的一个重要分支，其原理是利用高能束激光依照预先选定的路径选择性地熔化金属粉末，一层成形后，在旧粉末层上铺新粉末层，如此反复叠加直至得到所需零件［5］。

与传统的模具制造方法相比，SLM工艺能够制备复杂结构件，拥有制造周期短、成形质量好、材料利用率和生产效率高等优势［6］。

这些特点使得SLM技术在航空航天、汽车工业、生物医疗［7-8］等多个领域得到迅速发展。

在增材制造领域，使用较多的铁基合金主要有S136、316L、18Ni300［9-11］等，但在实际生产应用中这些材料通常存在机械性能不足、耐腐蚀性差等问题［12］，因此，需要开发一种综合性能良好且适用于SLM工艺的钢种。

SS-CX（Corrax Stainless Steel，简称CX不锈钢）是一种适用于增材制造的新型马氏体时效不锈钢，它不仅耐腐蚀性能突出，而且具有良好的综合力学性能，被认为是制造工具零件的理想材料［13-14］。

截至目前，关于SLM成形CX不锈钢的研究尚不深入，因此，本文通过组织和性能表征，研究热处理工艺对激光选区熔化制备CX不锈钢组织演变和性能优化的影响，以期为CX不锈钢在实际工程应用中提供参考。

1 试验方法
试验选用气雾化球形CX不锈钢粉末作为原
料，其化学成分如表1所示。

SLM制造过程中，相邻层之间激光扫描的旋转角为67°。

在SLM工艺中，采用高纯度氩气作为保护气体，使工作室中的氧气含量保持在0.1%以下。

图1为采用SLM制造的不同结构件，用于组织分析和拉伸性能测试。

为研究不同热处理工艺对SLM成形CX不锈钢显微组织和力学性能的影响，对样品进行两种不同的热处理，如表2所示。

对金相样品进行打磨抛光后采用Kalling试剂（50 mL C2H5OH+50 mL HCl+2.5 g CuCl2）腐蚀样品，腐蚀时间为40 s。

采用金相显微镜（OM）观察样品的显微组织，使用扫描电子显微镜（SEM）及电子背散射衍射（EBSD）对样品的显微组织进行分析，其中EBSD的识别率为91.2%。

为了确定热处理前后的相组成，将样品通过X射线衍射仪（XRD）和透射电子显微镜（TEM）进行分析。

在电子万能试验机上进行室温拉伸试验，加载速度为1 mm/min，试样尺寸如图2所示。

拉伸实验后，采用SEM对断口表面进行分析。

表1　CX不锈钢的化学成分（质量分数，%）Table 1　Chemical composition of CX stainless steel（wt.%）
Cr
11.0~13.0
Ni
8.4~10.0
Mo
1.1~1.7
Al
1.2~
2.0
Mn
≤0.4
Si
≤0.4 C
≤0.02
O
≤0.02
N
≤0.02
P
≤0.015
S
≤0.010
Fe
余量.
图1　SLM制备CX钢结构件
Fig.1　CX stainless steel components manufactured using SLM
表2　热处理工艺参数
Table 2　Parameters of heat treatment
热处理
方案
1
2
固溶温
度/℃
850
850
固溶时间
/h
0.5
0.5
冷却
方式
水冷
水冷
时效温
度/℃
—
500
时效时间
/h
—
3
冷却
方式
—
炉冷
31
2024 年
2 试验结果与分析
2.1 组织分析
SLM 成形过程中，激光功率和扫描速度对样品的致密度有显著影响，激光功率为320 W 、扫描速度为750 m/s 时得到的CX 不锈钢试样致密度最好，如图3所示，通过金相法测得的致密度为99.9%。

CX 不锈钢沉积态的金相组织如图4所示，激光束扫描方向如图4a 箭头所示。

沉积态的晶粒尺寸较小，如图4b 所示。

采用EBSD （EBSD 标定率为91.8%）进一步分析沉积态CX 不锈钢样品的显微组织，结果如图5所示。

从图5a 可以看出，沉积态样品的物相主要为马氏体，含量达到99.4%，残余奥氏体的含量为0.6%。

沉积态显微组织中马氏体的形成主要与CX 不锈钢的成分有关。

由于合金含有较多的Ni 元素，可以扩大奥氏体相区，从而在快速冷却过程中促进马氏体组织的形成。

取向差分布规律如图5c 所示，可以看出，小角晶界的比例大约占到66.5%，大角晶界的比例为33.5%。

其中小角晶界集中分布在1°~10°，
大
（a ）
相组成
（b ）
大小角度晶界分布
（c ）大小角度晶界占比
图5　沉积态CX 不锈钢EBSD 分析
Fig.5　
EBSD analysis of as-built CX stainless steel
图3　最佳工艺参数下试样的致密度
Fig.3　
Density of the sample under the optimum parameters
图4　沉积态CX 不锈钢金相组织
Fig.4　
Microstructure of as-built CX stainless steel
图2　拉伸试样尺寸（单位：mm ）
Fig.2　Dimensions of tensile specimens （Unit ： mm ）
32
第3期陈锦伊， 等： 热处理对激光选区熔化制备CX 不锈钢微观组织与性能的影响
角晶界集中分布在50°~60°。

小角度晶界的比例主要与马氏体板条的形成有关，单独的马氏体板条之间取向差较小。

在一个晶粒内部，马氏体板条的数量很多，因此统计时取向差集中分布在小角晶界的范围内。

热处理对SLM 成形CX 不锈钢显微组织的影响如图6、图7所示。

图6的XRD 结果表明，沉积态样品物相主要为马氏体，进行固溶处理后，物相构成没有发生改变；在固溶处理的基础上进一步时效处理，发现有奥氏体所对应的衍射峰出现，表明固溶时效处理后有奥氏体生成。

SEM 分析的结果如图7所示，沉积态样品表面可以观察到不同位向的马氏体束，固溶处理后，显微组织形貌没有发生明显变化；固溶时效处理后，在原奥氏体晶界处有白色物相生成，由于奥氏体相较于马氏体更加耐腐蚀，推测生成的物相为奥氏体。

XRD 和SEM 的分析结果均表明，在固溶处理后，显微组织仍主要由马氏体构成。

根据Fe -Ni -Cr 相图，固溶温度（850 ℃）位于奥氏体区，在加热和保温过程中马氏体转变为奥氏体，在随后的冷却过程中奥氏体又重新转变为马氏体。

在后续的时效过程中，由于固溶后的马氏体不稳定，会导致逆转变奥氏体的生成。

此外，在时效过程中还会进一步析出纳米沉淀相。

图8是固溶时效处理后的透射分析结果，可以看到内部存在大量位错的马氏体板条以及析出的纳米沉淀相。

由于CX 不锈钢是一种高Al 且不含Ti 的铁基合金，因此，金属间化合物不能形成γ′相而只能形成β相［13］，结合已有的研究结
果［15-16］，推断析出相为NiAl 相。

2.2 拉伸性能及断口分析
表3为沉积态、固溶处理后、固溶时效处后CX
不锈钢的拉伸性能。

经过固溶时效处理后试样的
（a ）位错 （b ）NiAl 相图8　固溶时效处理后CX 不锈钢的TEM 分析结果
Fig.8　
TEM results of CX stainless steel after solution-aging treatment
图6　热处理前后CX 不锈钢的XRD 分析结果
Fig.6　XRD results of CX stainless steel before and after heat treat ‐
ments
（a ）
沉积态
（b ）
固溶处理（c ）固溶时效处理
图7　扫描电镜下CX 不锈钢的显微组织形貌
Fig.7　Microstructure of CX stainless steel observed with SEM
33
2024 年
抗拉强度和屈服强度明显提升，原因是固溶时效处理后显微组织中生成的NiAl 相会产生第二相强化作用，使CX 不锈钢的强度得到大幅提高，另一方面，由于组织中有能够提高塑性的逆转变奥氏体生成，在两者的共同作用下，CX 不锈钢强度显著提升的同时，伸长率下降幅度不大。

热处理前后拉伸试样的断口形貌如图9所示。

由图9a 、9c 、9e 可知，三种条件下拉伸试样均出现明显颈缩，断口呈杯锥状，对应的高倍图也能看出断口为典型的韧窝形貌，说明热处理前后的断裂机制均为韧性断裂。

3 结论
（1）采用激光选区熔化技术成功制备了CX 不
锈钢，其沉积态的致密度达到了99.9%。

（2）SLM 制备的CX 不锈钢的沉积态显微组织主要由99.4%的马氏体和0.6%的残余奥氏体组成，晶界类型以小角晶界为主。

固溶处理后得到全马氏体组织，而固溶时效处理后，奥氏体含量明显增加至3%左右。

（3）固溶时效处理后，CX 不锈钢的抗拉强度提高至1 426 MPa ，屈服强度也增加至1 372 MPa ，且塑性下降幅度不大。

固溶时效处理后有第二相粒子析出，NiAl 金属间化合物的析出是固溶时效处理后强度提高的主要原因，同时由于逆转变奥氏体的生成，而导致塑性下降不大。

（4）三种热处理状态下CX 不锈钢的断裂机制均为韧性断裂，断口形貌呈现典型的韧窝特征。

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表3　热处理前后试样的力学性能结果
Table 3　Mechanical properties of sample R1 before and after heat
treatments
试样沉积态固溶处理后固溶时效处理后
抗拉强度UTS/MPa 9759831 426
屈服强度YS/MPa 8898421 372
伸长率EL/%13.913.6
11.3
（a ）（b ）沉积态；（c ）（d ）固溶处理；（e ）（f ）固溶时效处理
图9　CX 不锈钢断口形貌
Fig.9　Fracture surface of CX stainless steel
34。