超高强度钢具有良好的综合性能,是主承力机械构件的首选材料,被广泛应用于航空、航天、航海、能源、车辆和动力等高科技领域。在航空航天领域,超高强度钢零部件的结构越来越复杂,使得传统的铸造、锻造及机械加工很难满足制造要求。激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）是一种先进的增材制造技术,能够制造具有不规则曲面和复杂型腔结构的零部件,且具有研发周期短、材料利用率高等特点。为了揭示30Cr3超高强度钢的激光选区熔化成形性,本文结合光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等表征分析手段以及室温拉伸、硬度、冲击韧性和断裂韧性等试验,研究了30Cr3超高强度钢的激光选区熔化成形工艺、成形后显微组织特征和力学性能以及热处理对激光选区熔化30Cr3钢的显微组织和性能的影响。激光扫描速度是影响熔池形态的主要因素之一。扫描速度较低时,熔池稳定且搭接良好,试样主要为圆形气孔缺陷。增大扫描速度,熔池出现球化现象,半径起伏,在凝固前发生变形,使得搭接区域较小甚至消失,出现大尺寸的未熔合缺陷。进一步增大激光功率,熔池变形加剧,孔隙率增大。扫描速度较低,熔池稳定,激光功率变化对熔池形态影响不大。激光选区熔化30Cr3钢的沉积态显微组织是板条马氏体。沉积态组织不均匀,熔池边界区域受相邻熔池热作用,组织较熔池内部粗大,熔池逐层堆积,组织出现粗细交替变化特征。沉积态晶粒主要为柱状晶,部分晶粒沿熔池温度梯度最大方向生长,部分晶粒在已凝固基体上外延生长,贯穿多个熔池。熔池边界区域晶粒取向多变,出现30°左右的大角度晶界。柱状晶的亚结构为规则胞状枝晶,枝晶间距约为0.75μm。激光选区熔化30Cr3钢的抗拉强度达到1600MPa,屈服强度达到1400MPa,延伸率达到12%。未熔合缺陷明显降低延伸率而对抗拉强度和屈服强度影响不大。试样存在各向异性,横向硬度高于纵向。室温拉伸的断裂方式均为穿晶断裂,孔隙率低的试样断口为杯锥状,出现纤维区和剪切唇区。孔隙率高的试样,大尺寸的未熔合缺陷成为裂纹源,多个裂纹同时扩展汇合后导致最终断裂,材料延伸率降低。热处理可改善试样的组织结构和性能。研究发现,当回火温度达到400℃时,板条马氏体开始碎化,500℃时大部分马氏体分解,600℃时马氏体完全分解,拉伸强度降低,延伸率增大。热处理不会影响晶粒形态,但胞状枝晶出现融合现象。在300℃时,试样延伸率明显降低。经过锻造30Cr3钢的930℃正火15分钟,915℃保温15分钟油淬,200℃回火2小时随炉冷却热处理后,激光选区熔化30Cr3钢的抗拉强度与屈服强度较原始沉积态增强,达到与锻造材料一致水平,延伸率降低至5.73%,这表明锻造材料的热处理工艺不能适用于激光选区熔化。经200℃回火后,横向试样的冲击功为30J,纵向试样为23J,仍存在各向异性。横向试样的断裂韧性约为87MPa?m1/m。
