國內(nèi)外六著名機構聯(lián)合-增材制造超高強度鋼頂刊綜述！

來源: 增材制造技術前沿

超高強度鋼具有優(yōu)異的綜合力學性能，已經(jīng)廣泛引起了人們對其先進制造的極大興趣。增材制造的超高強度鋼具有獨特的微觀結構，為實現(xiàn)良好機械性能提供了巨大潛力。近期中國的重慶大學的研究人員聯(lián)合中山大學、英國埃克塞特大學、美國德克薩斯大學以及新加坡著名科研機構。綜述了超高強度鋼增材制造的最新研究進展，重點關注了增材制造超高強度鋼的工藝、微觀結構以及超高強度鋼性能調(diào)控方法。這項工作對于科學地理解增材制造超高強度鋼未來工作提供了重要且有意義的指導。相關研究成果發(fā)表于金屬材料Top期刊《Journal of Alloys and Compounds》。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 838823026932#ab0010

1 簡介

超高強度鋼是在傳統(tǒng)合金鋼的基礎上，通過添加多種合金元素來提高機械性能而開發(fā)的一系列鋼。根據(jù)合金元素成分，分為低合金超高強度鋼（LUHSS），中合金超高強度鋼（MUHSS）和高合金超高強度鋼（HUHSS）。超高強度鋼具有超高強度和高延展性，具有高比強度和剛度，適應小型化，輕量化和高功能性的目標。因此超高強度鋼廣泛應用于航空航天，國防，礦產(chǎn)勘探，深海潛艇和遠洋渡輪行業(yè)。近幾十年來，增材制造（AM），也稱為3D打印，被視為一種革命性的制造技術。它可以通過逐層沉積直接從3D模型制造出幾何形狀復雜的組件。增材制造技術還可以最大限度地減少材料浪費并縮短生產(chǎn)周期。作為一種很有前途的先進制造技術，增材制造技術生產(chǎn)的超高強度鋼部件在工業(yè)應用中具有巨大的應用潛力。與傳統(tǒng)制造技術相比，增材制造制備工藝具有特殊性，包括材料與高能束的相互作用，逐層積累，高冷卻速率和循環(huán)加熱。這些特征造就了制備的樣品具有獨特的微觀結構，包括高密度位錯、細晶粒、胞狀結構，為超高強度鋼帶來了出色的機械性能。增材制造的超高強度鋼未來趨勢是向更好的綜合力學性能發(fā)展，例如更高的強度，更好的延展性和更長的耐久性。特殊的微觀結構與合適的后處理方法相結合，具有實現(xiàn)卓越綜合機械性能的巨大潛力。這篇文章主要回顧了近年來對超高強度鋼增材制造的研究，重點關注了增材制造超高強度鋼工藝-微觀結構-性能調(diào)控。

超高強度鋼的性能調(diào)控方法大致可分為三類：前處理、工藝參數(shù)調(diào)控和后處理。基材預熱是預處理之一，可以減少熱應力和裂紋。工藝參數(shù)優(yōu)化和后處理是廣泛使用的調(diào)整方法，兩者都可以改變微觀結構并調(diào)整零件的機械性能。超高強度鋼的打印過程是多個參數(shù)的協(xié)同作用，參數(shù)優(yōu)化可以提高零件的機械性能。后處理工藝作為輔助工具，進一步調(diào)整微觀組織和力學性能，但結果主要取決于原始的微觀結構。

2 預處理

增材制造工藝中的快速加熱和冷卻循環(huán)會產(chǎn)生較大的溫度梯度，導致嚴重的熱應力和開裂。預熱在金屬增材制造之前被廣泛應用，是主要的預處理工藝之一。預熱使得增材制造中具有更均勻的溫度分布，是減輕熱應力和裂紋的最有效方法之一。有學者比較了AISI H10鋼在200°C和250°C基體預熱溫度下的缺陷形成和開裂行為，在200°C的預熱溫度和107 J/mm3的激光能量密度下獲得了少量有缺陷的微觀結構。相比之下，預熱溫度為250 °C，能量密度為99 J/mm3時候顯著改善了裂紋。因此適當?shù)念A處理可以有效提高增材制造金屬零件的成型質(zhì)量。預熱對制造熱歷史的影響包括溫度分布、熱循環(huán)和溫度梯度。為了充分理解預熱機理，研究者建立了圓形薄壁零件的三維瞬態(tài)傳熱有限元模型（圖1a）。仿真結果表明，基體預熱使熱循環(huán)更平滑，降低了熔池的冷卻速率。熔池的最大溫度梯度也隨著基材預熱溫度的升高而減小（圖1b）�；�板預熱對調(diào)節(jié)熱應力和開裂有相對影響，而對其他缺陷影響很小或沒有影響。基板預熱通過降低溫度梯度來降低冷卻速率，這會導致更粗的晶粒和更嚴重的微偏析。這在一定程度上降低了增材制造微觀結構的精細度。預熱主要應用于使用激光或電子作為熱源的增材制造技術，主要用于鈦合金，低強度碳鋼和一些馬氏體時效鋼，適用于其他超高強度鋼的預處理工藝需要進一步探索。

圖1 基體預熱溫度對成型熱歷史影響的有限元分析：（a）具有各種基板預熱溫度的薄壁部件的溫度分布，（b）從第一層到第十層中間點的熔池中的軸向溫度梯度。

3 成型工藝

超高強度鋼的增材制造過程是許多參數(shù)的協(xié)同結果，工藝參數(shù)能夠影響熱歷史，從而改變零件的微觀結構和機械性能。通過調(diào)整工藝參數(shù)來獲得高性能增材制造超高強度鋼部件對于保持積極的熱歷史至關重要。這部分重點介紹成形過程中的熱源參數(shù)、掃描策略和打印方向。

3.1 熱源參數(shù)

以激光熱源為例，熱源參數(shù)包括激光功率、掃描速度和光斑直徑。改變熱源參數(shù)會引起熱輸入的變化，從而改變正在成型的零件的熱歷史。因此，熱源參數(shù)對零件的機械性能有重大影響。調(diào)整熱源參數(shù)可以改善材料的機械性能和成型質(zhì)量。當熱輸入高時，熱源會強力沖擊熔池，熔池底部在填充之前凝固，導致高孔隙率。AF9628超高強度馬氏體鋼對激光器的高體積能量密度敏感。如圖2a所示，研究者開發(fā)了Eagar-Tsai模型用于預測熔池的幾何形狀，建立了激光功率掃描速度掃描間距的最優(yōu)工藝參數(shù)模型，如圖2b所示。根據(jù)模型優(yōu)化參數(shù)制備的試樣顯著降低了孔隙率，拉伸強度高達1.4 GPa，伸長率達到11%。研究發(fā)現(xiàn)過高的激光功率增加了熔池中的汽化和飛濺，導致高孔隙率，圖3a顯示了飛濺物形成的示意圖。當激光功率超過130 W時，可以觀察到飛濺，并且隨著激光功率的增加而變得更加嚴重（圖3b），這嚴重影響了成型零件的質(zhì)量。

圖2 激光功率和掃描速度的優(yōu)化框架：（a）Eagar-tsai模型，（b）熔池幾何形狀的預測。

圖3熱源參數(shù)對飛濺的影響：（a）飛濺物形成示意圖，（b）高激光功率引起的飛濺。

3.2 掃描策略
掃描策略也會影響制造過程的熱歷史，以調(diào)整零件的機械性能。 圖4分別使用X和XY激光掃描策略打印的18%Ni300鋼的微觀結構上的EBSD。X掃描策略的密度和表面光潔度更高，而XY掃描策略的奧氏體相形成率接近60%。使用XY掃描策略導致柱狀晶的優(yōu)先生長發(fā)生在X和Y方向上，這導致較低的各向異性，較低的殘余應力和高的機械性能。研究表明通過掃描策略的調(diào)整來控制馬氏體時效鋼的晶體織構，可以獲得具有優(yōu)異表面光潔度、高密度和良好機械性能的部件。根據(jù)四種增材制造沉積策略打印的H13鋼試樣，如圖5所示。發(fā)現(xiàn)層間掃描方向的變化對試樣的微觀結構尺寸和分布影響大于融合通道掃描方向的變化。

圖4 不同掃描策略的微觀結構：X單向打印的側表面（a）和頂部（b），XY雙向打印的側面（c）和頂部（d）。

圖5 相鄰熔體通道和夾層打印方向的四種掃描策略。

3.3 打印方向

打印方向是影響零件熱歷史的重要工藝參數(shù)之一。打印方向的變化會導致零件成型的熔化層數(shù)不同。在水平方向上創(chuàng)建圓柱形樣品所需的層數(shù)少于在垂直方向上創(chuàng)建的層數(shù)。不同的打印方向?qū)е虏煌�的激光束掃描時間和熱歷史。學者使用LPBF技術分別沿水平和垂直方向打印18Ni300馬氏體時效鋼。圖6a和b顯示了沉積試樣的微觀結構，它們在打印方向上顯示出細長的晶粒結構。這種晶粒結構在熱處理后也沒有完全消除，而是織構從<100>和<111>演變?yōu)?110>方向。
增材制造工藝是逐層沉積的，因此垂直打印的樣品具有較慢的冷卻速度。在垂直方向上具有較大細長晶粒導致硬度值較低，這可能導致結構各向異性。熱處理可以削弱材料加工過程中產(chǎn)生的各向異性，打印方向在零件的耐磨性中起著積極作用。如圖7a和b所示，時效處理后熔體通道之間的界面特征和細胞亞結構幾乎消失，但納米顆粒和打印取向仍然存在，可以提供高強度、抗開裂延伸和耐磨性。水平打印方向具有更高的強度、抗裂性和耐磨性，而垂直打印方向具有更好的抗裂紋擴展能力。

圖6 打印方向?qū)ξ⒂^結構的影響。

圖7 熱處理后微觀結構的SEM圖像：（a）-（b）老化處理，（c）-（d）固溶處理。

增材制造工藝可以通過調(diào)整打印參數(shù)來改變能量輸入，從而改變超高強度鋼零件的成型熱歷史，改善零件微觀結構和機械性能。激光功率的大小直接決定能量輸入，掃描速度和掃描間距也會通過改變照射時間和照射范圍改變粉末吸收的能量。增材制造中涉及的許多其他工藝參數(shù)，如掃描策略、打印方向和粉末層厚也對超高強度鋼零件的成型熱歷史有重要影響。然而根據(jù)目前的報告。超高強度鋼的增材制造工藝尚未得到充分研究。熱歷史中許多參數(shù)的機制尚不清楚，還有待更深入的研究。