西工大林鑫四校聯(lián)合頂刊丨激光混合增材制造超高強鋼的顯微組織和力學性能

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

35CrMnSiA是一種超高強度鋼，廣泛應用于具有幾何規(guī)則結構和復雜延伸特征的關鍵部件，例如結構殼體。激光混合增材制造（LHAM）是一種結合了傳統(tǒng)制造和增材制造優(yōu)點的先進制造技術。例如，將鍛造和定向能量沉積（DED）結合的LHAM技術先將基礎結構鍛造成規(guī)則的幾何形狀，并利用DED來制造復雜的延伸部件。這種LHAM具有快速且經(jīng)濟高效地生產(chǎn)這些組件的潛力。然而，LHAM制備的35CrMnSiA鋼不同區(qū)域顯微組織的形成機制及其對整體拉伸性能的影響仍不清楚，從而極大地限制了其應用。

為了解決這個問題，西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室、金屬高性能增材制造與創(chuàng)新設計工業(yè)和信息化部重點實驗室的林鑫教授團隊聯(lián)合華中科技大學、長安大學和南方科技大學團隊合作在國際頂級期刊《Materials Science and Engineering: A》上發(fā)表了最新研究成果“Microstructure and mechanical properties of an ultra-high strength steel fabricated by laser hybrid additive manufacturing”，采用鍛造35CrMnSiA鋼作為基礎材料，并利用定向能量沉積(DED)來制造無缺陷的LHAM零件。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應用！

圖1. 35CrMnSiA 鋼激光混合增材制造 (LHAM) 的材料和實驗細節(jié) (a) 35CrMnSiA鋼粉的形貌和尺寸分布；(b) LHAM過程的示意圖；(c) LHAM 制作的 35CrMnSiA 鋼樣品以及拉伸試驗和 DIC 試樣的制備；拉伸試樣（d）和DIC試樣（e）的尺寸，單位為mm

LHAM制造的35CrMnSiA鋼的顯微組織與位置相關。激光沉積區(qū)域包含具有內(nèi)部碳化物和邊界分布的碳化物的鐵素體，而基底區(qū)域包含馬氏體。熱影響區(qū)呈現(xiàn)出兩者之間的梯度微觀結構。沉積區(qū)的微觀結構主要受沉積過程中的凝固行為和熱歷史的影響，而熱影響區(qū)則主要受再結晶的影響。微觀結構的不均勻特征顯著影響其力學性能，導致“木桶效應”，即LHAM制造的35CrMnSiA鋼的拉伸性能取決于最弱的激光沉積區(qū)。LHAM制造的35CrMnSiA鋼的極限抗拉強度和延伸率分別為959MP和15.2%。該研究為控制混合制造超高強鋼的微觀結構和優(yōu)化性能奠定了基礎。

圖2. LHAM 制造的 35CrMnSiA 鋼的顯微組織 (a) 重構奧氏體晶粒的 EBSD 圖；(b)晶粒微觀結構的位置和特征之間的關系；(c)–(d) LDZ、(e)–(f) HAZ 和 (g)–(h) WSZ 中不同放大倍數(shù)的典型微觀結構

圖4. 斷口分析

圖5. 不同冷卻速率下DED制備35CrMnSiA鋼的組織演變

圖6. 熱處理過程中組織演變示意圖

該工作研究了35CrMnSiA鋼熱影響區(qū)和激光沉積區(qū)的成分、物相和顯微組織。此外，還研究了LHAM制造的35CrMnSiA鋼的力學性能和變形行為。主要結論如下。

(1) 熱影響區(qū)和激光沉積區(qū)均主要由BCC相組成，并且存在最少的FCC相�；�體的特點是主要是板條馬氏體，而熱影響區(qū)則存在鐵素體和球形碳化物。沉積區(qū)主要由少量的近等軸和板條鐵素體組成，內(nèi)部和邊界均伴有彌散的碳化物�？拷�熔合線，熱影響區(qū)的晶粒結構經(jīng)歷從板條馬氏體到板條和近等軸晶粒組合的轉變，最終發(fā)展成完全細化的等軸晶粒。熱影響區(qū)主要由沿晶界富含碳化物的近等軸鐵素體組成，并伴有基體中納米級碳化物的析出。

(2) 沉積區(qū)內(nèi)微觀結構的形成主要受熱行為的影響。連續(xù)的熱量輸入導致冷卻速度變慢，使碳能夠徹底分布和長距離擴散，從而形成珠光體團。再結晶主要控制熱影響區(qū)的微觀結構，基體區(qū)域經(jīng)歷多層滲透、臨界間退火和長時間回火的復雜序列。采用常規(guī)的DED加工參數(shù)很難將LDZ組織轉變?yōu)轳R氏體。

(3) 激光沉積區(qū)的屈服強度為746MPa，拉伸強度為1003MPa，伸長率為19.6%。LHAM制造的35CrMnSiA鋼的屈服強度為708MPa，抗拉強度為959MPa，延伸率為15.2%。它的強度大約是鍛造制品的一半�？傮w而言，超高強鋼的LHAM仍然具有挑戰(zhàn)性。不同區(qū)域發(fā)生機械失配現(xiàn)象，導致拉伸變形過程中應變分布不均勻，導致較弱區(qū)域出現(xiàn)應變集中和后續(xù)失效。LHAM制造的35CrMnSiA鋼在機械性能方面表現(xiàn)出顯著的“木桶效應”。