國(guó)內(nèi)外六著名機(jī)構(gòu)聯(lián)合-增材制造超高強(qiáng)度鋼頂刊綜述！

來源: 增材制造技術(shù)前沿

超高強(qiáng)度鋼具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，已經(jīng)廣泛引起了人們對(duì)其先進(jìn)制造的極大興趣。增材制造的超高強(qiáng)度鋼具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)良好機(jī)械性能提供了巨大潛力。近期中國(guó)的重慶大學(xué)的研究人員聯(lián)合中山大學(xué)、英國(guó)埃克塞特大學(xué)、美國(guó)德克薩斯大學(xué)以及新加坡著名科研機(jī)構(gòu)。綜述了超高強(qiáng)度鋼增材制造的最新研究進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注了增材制造超高強(qiáng)度鋼的工藝、微觀結(jié)構(gòu)以及超高強(qiáng)度鋼性能調(diào)控方法。這項(xiàng)工作對(duì)于科學(xué)地理解增材制造超高強(qiáng)度鋼未來工作提供了重要且有意義的指導(dǎo)。相關(guān)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(jiǎn)介

超高強(qiáng)度鋼是在傳統(tǒng)合金鋼的基礎(chǔ)上，通過添加多種合金元素來提高機(jī)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(qiáng)度鋼（LUHSS），中合金超高強(qiáng)度鋼（MUHSS）和高合金超高強(qiáng)度鋼（HUHSS）。超高強(qiáng)度鋼具有超高強(qiáng)度和高延展性，具有高比強(qiáng)度和剛度，適應(yīng)小型化，輕量化和高功能性的目標(biāo)。因此超高強(qiáng)度鋼廣泛應(yīng)用于航空航天，國(guó)防，礦產(chǎn)勘探，深海潛艇和遠(yuǎn)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(shù)。它可以通過逐層沉積直接從3D模型制造出幾何形狀復(fù)雜的組件。增材制造技術(shù)還可以最大限度地減少材料浪費(fèi)并縮短生產(chǎn)周期。作為一種很有前途的先進(jìn)制造技術(shù)，增材制造技術(shù)生產(chǎn)的超高強(qiáng)度鋼部件在工業(yè)應(yīng)用中具有巨大的應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)制造技術(shù)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(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，包括高密度位錯(cuò)、細(xì)晶粒、胞狀結(jié)構(gòu)，為超高強(qiáng)度鋼帶來了出色的機(jī)械性能。增材制造的超高強(qiáng)度鋼未來趨勢(shì)是向更好的綜合力學(xué)性能發(fā)展，例如更高的強(qiáng)度，更好的延展性和更長(zhǎng)的耐久性。特殊的微觀結(jié)構(gòu)與合適的后處理方法相結(jié)合，具有實(shí)現(xiàn)卓越綜合機(jī)械性能的巨大潛力。這篇文章主要回顧了近年來對(duì)超高強(qiáng)度鋼增材制造的研究，重點(diǎn)關(guān)注了增材制造超高強(qiáng)度鋼工藝-微觀結(jié)構(gòu)-性能調(diào)控。

超高強(qiáng)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�；�材預(yù)熱是預(yù)處理之一，可以減少熱應(yīng)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(jié)構(gòu)并調(diào)整零件的機(jī)械性能。超高強(qiáng)度鋼的打印過程是多個(gè)參數(shù)的協(xié)同作用，參數(shù)優(yōu)化可以提高零件的機(jī)械性能。后處理工藝作為輔助工具，進(jìn)一步調(diào)整微觀組織和力學(xué)性能，但結(jié)果主要取決于原始的微觀結(jié)構(gòu)。

2 預(yù)處理

增材制造工藝中的快速加熱和冷卻循環(huán)會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度，導(dǎo)致嚴(yán)重的熱應(yīng)力和開裂。預(yù)熱在金屬增材制造之前被廣泛應(yīng)用，是主要的預(yù)處理工藝之一。預(yù)熱使得增材制造中具有更均勻的溫度分布，是減輕熱應(yīng)力和裂紋的最有效方法之一。有學(xué)者比較了AISI H10鋼在200°C和250°C基體預(yù)熱溫度下的缺陷形成和開裂行為，在200°C的預(yù)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(jié)構(gòu)。相比之下，預(yù)熱溫度為250 °C，能量密度為99 J/mm3時(shí)候顯著改善了裂紋。因此適當(dāng)?shù)念A(yù)處理可以有效提高增材制造金屬零件的成型質(zhì)量。預(yù)熱對(duì)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(yù)熱機(jī)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(jié)果表明，基體預(yù)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(yù)熱溫度的升高而減�。▓D1b）。基板預(yù)熱對(duì)調(diào)節(jié)熱應(yīng)力和開裂有相對(duì)影響，而對(duì)其他缺陷影響很小或沒有影響�；�板預(yù)熱通過降低溫度梯度來降低冷卻速率，這會(huì)導(dǎo)致更粗的晶粒和更嚴(yán)重的微偏析。這在一定程度上降低了增材制造微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)度。預(yù)熱主要應(yīng)用于使用激光或電子作為熱源的增材制造技術(shù)，主要用于鈦合金，低強(qiáng)度碳鋼和一些馬氏體時(shí)效鋼，適用于其他超高強(qiáng)度鋼的預(yù)處理工藝需要進(jìn)一步探索。

圖1 基體預(yù)熱溫度對(duì)成型熱歷史影響的有限元分析：（a）具有各種基板預(yù)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(diǎn)的熔池中的軸向溫度梯度。

3 成型工藝

超高強(qiáng)度鋼的增材制造過程是許多參數(shù)的協(xié)同結(jié)果，工藝參數(shù)能夠影響熱歷史，從而改變零件的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)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(qiáng)度鋼部件對(duì)于保持積極的熱歷史至關(guān)重要。這部分重點(diǎn)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(huì)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(duì)零件的機(jī)械性能有重大影響。調(diào)整熱源參數(shù)可以改善材料的機(jī)械性能和成型質(zhì)量。當(dāng)熱輸入高時(shí)，熱源會(huì)強(qiáng)力沖擊熔池，熔池底部在填充之前凝固，導(dǎo)致高孔隙率。AF9628超高強(qiáng)度馬氏體鋼對(duì)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(yù)測(cè)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(qiáng)度高達(dá)1.4 GPa，伸長(zhǎng)率達(dá)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(dǎo)致高孔隙率，圖3a顯示了飛濺物形成的示意圖。當(dāng)激光功率超過130 W時(shí)，可以觀察到飛濺，并且隨著激光功率的增加而變得更加嚴(yán)重（圖3b），這嚴(yán)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(yù)測(cè)。

圖3熱源參數(shù)對(duì)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(huì)影響制造過程的熱歷史，以調(diào)整零件的機(jī)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(jié)構(gòu)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(dǎo)致柱狀晶的優(yōu)先生長(zhǎng)發(fā)生在X和Y方向上，這導(dǎo)致較低的各向異性，較低的殘余應(yīng)力和高的機(jī)械性能。研究表明通過掃描策略的調(diào)整來控制馬氏體時(shí)效鋼的晶體織構(gòu)，可以獲得具有優(yōu)異表面光潔度、高密度和良好機(jī)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(duì)試樣的微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)：X單向打印的側(cè)表面（a）和頂部（b），XY雙向打印的側(cè)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(huì)導(dǎo)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(shí)間和熱歷史。學(xué)者使用LPBF技術(shù)分別沿水平和垂直方向打印18Ni300馬氏體時(shí)效鋼。圖6a和b顯示了沉積試樣的微觀結(jié)構(gòu)，它們?cè)诖蛴》较蛏巷@示出細(xì)長(zhǎng)的晶粒結(jié)構(gòu)。這種晶粒結(jié)構(gòu)在熱處理后也沒有完全消除，而是織構(gòu)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(xì)長(zhǎng)晶粒導(dǎo)致硬度值較低，這可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(shí)效處理后熔體通道之間的界面特征和細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)幾乎消失，但納米顆粒和打印取向仍然存在，可以提供高強(qiáng)度、抗開裂延伸和耐磨性。水平打印方向具有更高的強(qiáng)度、抗裂性和耐磨性，而垂直打印方向具有更好的抗裂紋擴(kuò)展能力。

圖6 打印方向?qū)ξ⒂^結(jié)構(gòu)的影響。

圖7 熱處理后微觀結(jié)構(gòu)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(qiáng)度鋼零件的成型熱歷史，改善零件微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)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(huì)通過改變照射時(shí)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(duì)超高強(qiáng)度鋼零件的成型熱歷史有重要影響。然而根據(jù)目前的報(bào)告。超高強(qiáng)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(jī)制尚不清楚，還有待更深入的研究。