解析：增材制造钢的组织和性质

来源：激光天地

导读：如今，大量的钢制品已经开始采用增材制造艺来制造。由于基体材料显微组织的不同、相组成的差异（奥氏体、铁素体、马氏体）以析出相的类型有别（金属间化合物析出相、碳化物析出相），从而导致钢的增材制造组织和性能的变化非常广泛。

将增材制造钢同传统制造的钢相比，就更是如此。然而，钢在增材制造过程中所经历的时间-温度变化过程同传统制造工艺相比是极大的不同。由此造成增材制造所得到的组织同传统工艺相比就极为不同。这包括由于快速凝固所造成的非平衡凝固使得组织的细化、形貌的变化、晶体结晶的变化等。这一显微结构的变化，反过来，需要额外的或者后热处理和合金成分的设计来进行调整。在本综述中，我们首先综述了采用增材制造进行制造的不同类型的钢以及他们的显微组织、机械性能、腐蚀性能、热处理以及相应地应用。合金类型包括奥氏体、双相钢、马氏体、析出强化钢、TRIP/TWIP钢、马氏体失效硬化钢、碳素轴承钢以及氧化物弥散强化钢（ODS）。同时对前期文献所没有涉及的增材制造钢也做了 介绍。对铁基功能材料的性能以及潜在的应用也做了介绍。

图1 综述中所涉及到的钢的机械性能，可以从图中清晰的看出传统制造工艺的钢同AM制造的钢的性能的差异，AM以LPBF和LMD为主，其他的AM工艺本图不涉及

金属增材制造的优点同传统合成与成形工艺相比，在于它可以在短时期内生产出复杂形状的个性化产品。举例来说，应用于个性化人体植入物的定制已经得到应用。可以快速的制造出形状复杂、满足个性化需求的关键部件且可实现减重，或者将AM技术应用于飞机发动机关键高附加值部件的修复等。在这些领域中的应用，合金一般是生物相容性材料、高温材料、轻质材料，如Ti、Ni、Al以及镁合金等。于是，关于增材制造技术所用合金的综述也都集中在以上材料上。除了有两篇文献时例外之外。很少有综述来对钢的增材制造来进行综述。这两篇含有钢的增材制造的综述也同本文不一样。

然而，从3000多年前的铁器时代开始，应用最为广泛同时也是最成功的合金就是钢了。从增材制造的角度来对合金设计、显微组织、性能和工艺来对钢进行综述，还没有引起业界相应的关注。

图2 综述中所涉及到的不同类型的钢的典型显微组织的总结图

在本综述中，我们致力于将当今增材制造的不同类型的钢都能涉及到。我们主要聚焦于组织、性能和电化学性能。尤其是聚焦于增材制造过程中的工艺过程（热的和化学）对组织和性能的影响。同Fayazfar等人的综述不同，我们并不详细的介绍增材制造的工艺参数的影响。我们只聚焦于熔化型的增材制造，尤其是激光增材制造（LPBF、LMD）和电子束增材制造（EPBF）。

图3 LPBF制造316奥氏体不锈钢时在不同显微尺度下的显微组织图

在这里，我们并不直接对基材材料进行介绍。尤其是对于直接能量沉积，进行熔覆或者表面强化的工艺，已经有大量的二次强化相添加进去并得到应用。如果将这些也给予介绍的话，那本论文就太长了。此外，我们在本文中主要讨论化学成分均匀的材料，这就意味着我们并不会涉及功能梯度材料或者多材料的增材制造。需要注意的是功能梯度材料同焊接中的异种材料的连接相比，其内含的道理是相似的。这一领域虽然在焊接的时候经过了多年的研究，但在增材制造领域，还存在一定的挑战。

图4 （a）（b）熔池边界和柱状晶在Y-Z方向的组织；（c）（d）EBSD反极图（Z方向）（材料为316L）

总的来说，钢作为一种工程材料，主要应用于有下述需要的应用场合：
1.苛刻环境中要求耐腐蚀、耐磨和硬度的场合；
2.需要物美价廉的场合；
3.无与伦比的显微结构，需要从超硬度的马氏体到多相合金的场合；
4.功能性需求的场合，如铁磁材料或柯伐合金。

为了满足上述苛刻环境对耐久性的需求，不锈钢是一个教佳的选择。因此，这类合金尤其是316L合金，得到了广泛的应用。且多用于中等温度的腐蚀环境的条件下。要求耐蚀性又有较高机械性能和硬度的服役场合，马氏体析出强化不锈钢则比较合适，如17-4PH钢、15-5PH钢。这一类型的合金多用于海洋工程、电力和挤压模具工业中。

图5 LPBF制造的316L奥氏体不锈钢同传统制造工艺得到的316L的拉伸强度的对比图

在工具和压铸工业中需要拉伸强度高、硬度高、耐磨损的材料，满足这一要求的模具钢应运而生。AM对这一类型的合金应用的最大优势就是可以制造光滑的靠近外表面的复杂的内冷却通道。如在挤压模具工业中应用时，可以使得热迅速的消散，从而提高了产品的生产效率和模具的使用寿命。传统工业制造的模具钢由于碳含量较高，容易出现裂纹而不易制造。因此，模具钢的增材制造就急需不含碳的马氏体时效硬化钢，尤其是18Ni-300这一类型的钢。

不锈钢适当的价格和易于加工的优点，使得奥氏体不锈钢成为增材制造不锈钢中的优先材料。

在以上刚的主要分类中，增材制造中还涉及到其他合金，如马氏体不锈钢、TRIP/TWIP钢和ODS钢等。功能材料所用的电磁合金或柯伐合金等，如Fe-Si、Fe-Ni或Fe-Co合金等。

为了让读者更好的理解和掌握本文的知识，我们将钢依据室温时的显微组织来进行分类，从奥氏体不锈钢开始、到TRIP/TWIP，这是一类从奥氏体不锈钢到双向钢的转变，这一钢种同时含奥氏体和马氏体两种结构。接着，介绍了马氏体和析出强化不锈钢。这只是一类如果采用传统工艺进行生产制造的话，得到的是完全的马氏体与之相似，马氏体和碳素轴承钢则用于时效/回火态的马氏体。最后，对ODS合金也进行了介绍，这一颗粒增强铁素体不锈钢。这一分类同室温时的显微组织相关，尤其是按照传统工艺所得到的显微组织相关。这样读者读起来就非常非常清晰了。

每一章节，我们介绍了材料的显微组织、在沉积态和热处理状态下的相组成以及其晶体结构。对其静态的机械性能也进行了总结，同时还包括疲劳性能。在适当的时候，还对某些特殊的其他性能也进行了介绍，如铁磁材料和耐腐蚀材料。结尾处对其未来的发展也进行了展望。

文献来源：
P.Bajaj,A.Hariharan,A.Kini1P.Kürnsteiner,D.Raabe,E.A.Jägle.Steels in additive manufacturing: A review of their microstructure and properties[J].Materials Science and Engineering: A，Volume 772, 20 January 2020, 138633.

https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138633