Износостойкость аддитивно изготовленного высокопрочного материала

Jun 17, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 12554 (2022 г.) Цитировать эту статью

1699 Доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Изучено поведение при сухом скольжении высокоуглеродистой мартенситной нержавеющей стали (HCMSS), состоящей из ~ 22,5 об.% карбидов с высоким содержанием хрома (Cr) и ванадия (V), обработанных электронно-лучевой плавкой (EBM). Микроструктура состояла из мартенсита и остаточных аустенитных фаз с однородным распределением субмикронных карбидов с высоким содержанием V и микронных размеров с высоким содержанием Cr, что приводит к относительно высокой твердости. CoF снизился на ~ 14,1% с увеличением нагрузки в установившемся режиме из-за переноса материала с дорожки износа на контртело. Скорость изнашивания HCMSS по сравнению с мартенситной инструментальной сталью, обработанной таким же образом, была почти идентичной при низкой приложенной нагрузке. Преобладающим механизмом изнашивания было удаление стальной матрицы путем истирания с последующим окислением следов износа, тогда как трехчастичный абразивный износ происходил с увеличением нагрузки. По данным картирования твердости поперечного сечения выявлена ​​пластически деформированная зона под следом износа. Конкретные явления, возникающие при более агрессивных условиях износа, были описаны с растрескиванием карбидов, вырывом карбидов с высоким содержанием V и растрескиванием матрицы. Это исследование выявило характеристики износостойкости HCMSS, изготовленного аддитивным способом, что может проложить путь к производству компонентов для изделий, связанных с износом, начиная от валов и заканчивая литьевыми формами для пластика с помощью EBM.

Нержавеющие стали (SS) представляют собой универсальное семейство сталей, широко используемое в широком спектре аэрокосмической, автомобильной, пищевой промышленности и многих других инженерных областях благодаря их высокой коррозионной стойкости и подходящим механическим свойствам1,2,3. Их высокая коррозионная стойкость объясняется высоким содержанием хрома (более 11,5% по весу) в нержавеющих стали, что способствует образованию на поверхности оксидной пленки, богатой хромом1. Однако большинство марок нержавеющей стали имеют низкое содержание углерода и, следовательно, ограниченную твердость и износостойкость, что приводит к сокращению срока службы в изделиях, связанных с износом, таких как компоненты авиационных посадочных систем4. Обычно они обладают низкой твердостью (от 180 до 450 HV), и только некоторые термообработанные мартенситные марки SS демонстрируют высокую твердость (до 700 HV), связанную с высоким содержанием углерода (до 1,2% по массе), что может способствовать образованию мартенсита1. Вкратце, высокое содержание углерода снижает температуру мартенситного превращения, обеспечивая полностью мартенситную микроструктуру при высоких скоростях охлаждения и получая износостойкую микроструктуру. Для дальнейшего повышения износостойкости матрицы в стальную матрицу можно включать твердые фазы (например, карбиды).

Внедрение аддитивного производства (АП) позволяет производить новые материалы с желаемым составом, микроструктурными характеристиками и превосходными механическими свойствами5,6. Например, плавление в порошковом слое (PBF), один из наиболее коммерциализированных процессов AM, позволяет наносить предварительно легированные порошки для формирования компонента почти готовой формы путем плавления порошка с использованием источника тепла, такого как лазер или электронный луч7. Несколько исследований показали, что детали из нержавеющей стали, обработанные АМ, могут превосходить аналоги, изготовленные традиционным способом. Например, было показано, что аустенитная нержавеющая сталь, обработанная АМ, имеет улучшенные механические свойства благодаря более тонкой микроструктуре (т.е. соотношению Холла-Петча)3,8,9. Термическая обработка ферритной нержавеющей стали, обработанной АМ, способствовала образованию дополнительных выделений, обеспечивая механические свойства, аналогичные традиционным аналогам3,10. Были внедрены дуплексные нержавеющие стали, обработанные АМ, обладающие высокой прочностью и твердостью, улучшенные механические свойства которых обусловлены интерметаллидными фазами, богатыми Cr, в микроструктуре11. Кроме того, улучшенные механические свойства мартенситной нержавеющей стали, обработанной АМ, и дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали могут быть получены путем контроля остаточного аустенита в микроструктуре и оптимизации параметров обработки АМ и термообработки3,12,13,14.