Диссертация (Особенности формирования структуры и свойств аустенитной стали 03Х17Н14М3 в процессе селективного лазерного плавления и последующей термической обработки)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ Н.Э. БАУМАНА(национальный исследовательский университет)На правах рукописиЦВЕТКОВА ЕЛЕНА ВАЛЕРЬЕВНАОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВАУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ 03Х17Н14М3 В ПРОЦЕССЕ СЕЛЕКТИВНОГОЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙОБРАБОТКИСпециальность 05.16.09  Материаловедение (машиностроение)ДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:кандидат физико-математических наук,доцент Базалеева К.О.Москва  20172СОДЕРЖАНИЕСтр.СПИСОК ВВОДИМЫХ СОКРАЩЕНИЙ....................................................34ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................35Глава 1.

Особенности структуры и свойств объектов, полученныхметодом селективного лазерного плавления .................................................391.1. Влияние технологических параметров процесса СЛП на структуруи свойства сплавов.......................................................................................391.2. Микроструктура объектов, полученных СЛП...................................221.3. Влияние термической обработки на структуру сплавов после СЛП411.4. Механические свойства объектов, полученных СЛП.......................441.5. Коррозионные свойства объектов, полученных СЛП.......................48Выводы по первой главе.............................................................................50Глава 2.

Материалы и методики исследований............................................512.1. Объекты исследования..........................................................................512.2. Методики структурного анализа..........................................................532.3. Рентгеноструктурный анализ...............................................................552.3.1.

Определение макронапряжений.................................................562.3.2. Выделение физического уширения и определение величинымикроискажений и области когерентного рассеяния.........................582.4. Исследование температурной зависимости электросопротивления602.5. Исследование структурных превращений при нагреве стали...........622.6.

Измерение микротвердости..................................................................632.7. Определение ударной вязкости............................................................632.8. Исследование электрохимических характеристик стали...................63Глава 3. Особенности структуры и свойств стали после СЛП....................653.1. Ячеистая структура аустенитной стали, полученной СЛП...............653.1.1. Микроструктура стали.................................................................653Стр.3.1.2.

Распределение л.э. в аустенитном твердом растворе713.2. Рентгеноструктурный анализ..............................................................743.2.1. Фазовый анализ............................................................................ 743.2.2. Параметры тонкой структуры, определенные по уширениюдифракционных максимумов................................................................ 773.2.3. Макроискажения в аустенитной стали после СЛП................... 803.3. Свойства аустенитной стали, полученной методом СЛП.................

833.3.1. Механические свойства ячеистой структуры........................... 833.3.2. Электрохимические характеристики стали............................... 84Глава 4. Влияние отжигов на структуру и свойства аустенитнойстали, полученной методом СЛП..................................................................4.1.Термическаястабильностьячеистойструктуры90ирекристаллизационные процессы при нагреве......................................... 904.1.1.Температурнаязависимостьотносительногоэлектросопротивления...........................................................................

904.1.2. Структурные изменения при дополнительных отжигах........954.1.3. Рентгеноструктурный анализ стали после отжигов1044.1.4. Рекристаллизационные процессы, изученные методомсинхронного термического анализа....................................................1094.2. Влияние отжигов на свойства стали, подвергнутой СЛП................1164.2.1. Микротвердость стали ................................................................ 1164.2.2.

Ударная вязкость стали............................................................... 1184.2.3. Электрохимические характеристики стали последополнительных отжигов....................................................................1204.3. Разработка комплексной технологии получениясложнопрофильных деталей из стали 03Х17Н14М3...............................123ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................126СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................1304СПИСОК ВВОДИМЫХ СОКРАЩЕНИЙСЛП – селективное лазерное плавлениеРЭМ – растровая электронная микроскопияПЭМ – просвечивающая электронная микроскопияРФА – рентгенофазовый анализМСС – мартенситно-стареющая стальЛ.Э.

 легирующие элементы5ВВЕДЕНИЕАктуальность темы работыСелективное лазерное плавление (СЛП), которое относится к аддитивнымтехнологиям или методам 3d-печати, в настоящее время является одним изинновационных направлений формирования сложнопрофильных металлическихдеталей. Метод СЛП основан на послойном синтезе объекта за счет программноуправляемогосканированиямикрослоевпорошковогоматериалавысокоэнергетическим лазерным излучением.Новый подход, реализованный в технологии СЛП, имеет ряд бесспорныхпреимуществ:онпозволяетсоздаватьизделияскольугодносложнойпространственной конфигурации; дает принципиальную возможность синтезаградиентныхпосоставудеталей;нетребуетпроведениятрудоемкихподготовительных операций, таких как конструирование и изготовлениядорогостоящей оснастки.Проведенные в последние годы детальные исследования технологическогопроцесса СЛП позволили существенно повысить качество синтезируемыхобъектов: путем подбора оптимальных технологических параметров удалосьполучить минимальную пористость (1 %), шероховатость поверхности изделийменее Ra 0.63 и толщину стенок деталей до 300 мкм.

Однако в настоящее времяметод СЛП не находит широкого применения.Насегодняшнийденьотсутствуютсистематическиеисследованияработоспособности изделий, синтезированных с применением метода СЛП.Уникальныеусловиякристаллизации,а именно, сверхбыстрыескоростиохлаждения из жидкого состояния (105 К/с) и многократное термоциклирование,очевидно, могут приводить к формированию неравновесных структур. С этойточки зрения весьма актуальным является анализ особенностей структурногосостояния металла после СЛП, оценка уровня его структурной стабильности,6определение эксплуатационных характеристик, обоснование необходимостипоследующей термической обработки.Проведениетакогокомплексаисследованийдлятеплостойкихкоррозионностойких сталей, используемых при изготовлении деталей типатеплообменников, выпускаемых, как правило, в единичном или мелкосерийномпроизводстве, представляется наиболее целесообразным.

К числу таких сплавовотносится теплостойкая нержавеющая сталь 03Х17Н14М3 аустенитного класса.Важным является то, что стандартное состояние этой стали, необходимое длясравнительного анализа, легко достижимо путем закалки при 1150 С в воду,имеет простую однофазную структуру и всесторонне изучено.Целью диссертационной работы являлось определение особенностейструктуры и свойств стали 03Х17Н14М3 после СЛП и последующего отжига дляразработки на их основе технологических рекомендаций получения деталей сзаданным уровнем свойств.Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:исследованы особенности структурного состояния стали после СЛП;определены эксплуатационные характеристики стали после СЛП;исследованы факторы, определяющие термическую стабильность структуркристаллизации, и изучены структурные превращения, протекающие припоследующем нагреве;определенымеханическиеикоррозионныесвойствасталипоследополнительных отжигов;разработанытехнологическиерекомендациидляполучениясложнопрофильных деталей из аустенитной стали с требуемым уровнем свойств.Научная новизна работыВпервые показано, что основным механизмом упрочнения аустенитнойстали при СЛП является формирование дислокационной ячеистой структуры,подобной деформационной.7Впервые установлено, что ячеистая структура, сформированная при СЛП,сохраняет свою термическую стабильность до температуры отжига 800 С.Показано, что высокая термическая стабильность ячеистой структуры связана сблокировкой дислокационных сплетений сегрегациями легирующих элементов Crи Mo и примесными атомами N и O.Впервыевыявленытемпературныеинтервалыиприродарекристаллизационных процессов в аустенитной стали, полученной методомСЛП: при температурах 450÷650 °C наблюдается уход избыточных вакансий настоки; в диапазоне температур 800÷1000 °C происходит гомогенизациятвердого раствора и перестройка дислокационной структуры с ячеистой наполигонизованную; при температурах 1050÷1200 °C из аустенитного твердогораствора выделяется кислород, формируя оксидные частицы.Практическая ценность работыУстановлены особенности формирования структуры и свойств аустенитнойстали 03Х17Н14М3 в процессе СЛП и последующего отжига, на основе которыхмогут быть разработаны технологические режимы изготовления конкретныхдеталей.Определен уровень остаточных макронапряжений в стали после СЛП: вплоскости сканирования лазера наблюдаются растягивающие напряжения около300 МПа, а в плоскости роста объекта  напряжения сжатия около 250 МПа.Высокий уровень напряжений, соизмеримый с пределом текучести стали,обосновывает необходимость проведения последующей термической обработки.Определены значения механических характеристик стали после СЛП,которые в 1.5 раза превышают значения для стандартного закаленного состояния:временное сопротивление составляет 850 МПа, ударная вязкость 300 Дж/cм2.Установлено, что сталь, синтезированная СЛП, сохраняет склонность ксамопассивации в 1 % и 3 %-ных водных растворах NaCl.