顶刊《Acta Mater》3D打印出迄今为止最高强度1.4GPa超高强度钢

导读：材料学顶刊《Acta Materialia》近日报道，美国 Texas A&M大学研究人员采用激光选择性熔化（SLM）打印出迄今为止最高强度超高强度钢，强度达到1.4GPa的马氏体不锈钢，韧性达到11%。如下激光天地带大家一探究竟。

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马氏体不锈钢由于具有超高的屈服强度和合理的韧性而重新在汽车、航空航天、国防等领域得到高度重视。最新研制的低合金高强度马氏体不锈钢AF9628，其强度可以达到1.5GPa，其韧性可以达到10%。这主要是因为ε-碳化物强化相形成的原因。在致力于制造高强度部件且尺寸精度控制精准的过程中，本文报道了选择性激光熔化（SLM）工艺参数对制造这一新型高强不锈钢组织和性能的影响。采用优化的工艺框架图来确定制备无气孔缺陷的部件。这一工艺框架图采用并不费钱的Eager-Tsai模型来校准单道熔覆的实验结果，从而预测熔池形状。建立的熔池准则用来确定扫描时可允许的最大间距，从而用来避免熔池不充分形成气孔。采用这一工艺框架图，可以在较宽的工艺参数范围内获得完全致密的样品。打印的AF9628样品，其抗拉强度可以达到1.4GPa，是目前为止公开报道的强度最高的3D打印金属样品。其延伸率可以达到11%。本文所显示的较灵活的参数选择，均可以保证样品的致密度。为制造局部区域晶粒细化的样品和为提高3D打印样品机械性能提供了一个新的思路。这一优化的工艺框架图可以为成功打印新材料起到加速的作用。

论文的Graphic Abstract

铺粉激光选择性熔化（SLM）是一种可以制造复杂形状金属部件的高新技术。SLM为精准控制工艺参数来获取组织和性能的部件提供了一个很好的途径。这一技术已经成功的应用于大多数合金的打印，如Ti6Al4V、镍基合金、Al-Si-Mg合金、奥氏体不锈钢等。

最近，人们将目光投向于研究SLM成型马氏体合金上。Dilop等人使用SLM制备出完全致密的高强度低合金HY100合金。他们报道了在打印样品中获得了全部的马氏体结构。在显微组织中含交替的回火和非回火马氏体。对沉积态度来说，拉伸强度和屈服强度同传统工艺制造的同等合金几乎相当。Jelis等人采用SLM技术制备了AISI4340合金，并研究了部件在基板上的位置同机械性能之间的关系进行了研究。同时对显微组织和机械性能之间的各向异性也进行了研究。他们的研究中获得了细小的晶粒组织。他们还报道了在屈服强度和拉伸强度稍低时，材料的延伸率可以实现比变形的AISI4340合金还好的情形。这这一现象的物理解释就导致了人们对获得无气孔缺陷和特定机械性能的制品打印的兴趣。而且，小的参数变化有可能带来完全不同的部件性能和一定程度的气孔。目前对在何种区域范围内会获得无缺陷的打印制品并不清晰。

图1 综合数值模拟、实验来制造无气孔缺陷的工艺流程图

前面所提到的工作同样报道了后热处理以获得期望的机械性能。然而，已有相当一部分研究报道了通过采用优化工艺参数的办法来提高打印制品的机械性能，而不是通过热处理来改善的。报道中的机械性能存在差别也主要是部件的致密度存在差别。另外一方面，也有许多研究工作是关于SLM部件显微组织差别的原因研究。目前对马氏体不锈钢打印时的工艺参数和显微组织与机械性能之间的关系并不清楚。为了研究工艺参数对获得致密样品的所有工艺参数范围都能给予确定，换言之，需要建立可以获得无缺陷样品的工艺参数图。

图2 工艺参数选择标准图

对工艺参数进行优化以制备出无气孔缺陷的样品，常采用的办法就是在较宽的范围内不断改变工艺参数进行实验来获得，这一方法虽然效果是可信可靠的，但却相当费时和费钱。目前已经有好几种模型用于熔池尺寸的预测，这些模型对就减少实验步骤以获得有效的实验参数有一定的帮助。这些模型采用的是基于大量的且费时较大的计算来完成的。然而，关于如何将熔池尺寸的预测同无气孔缺陷的制备建立起来的研究还很少见。有研究指出可以通过优化熔池尺寸的办法是来对扫描间距进行优化。这一办法依然需要大量的实验来确定最优值。而且还不能将气孔形成机制如球化或匙孔效应关联起来。建立一种模型来获得无气孔缺陷的制品的工艺框架图就显得非常有必要了。

图3 不同参数下打印AF9628合金超高强度马氏体钢的横截面金相组织

Abrahams等人研究了一种价格低廉、低合金的超高强度马氏体不锈钢，代号AF9628。该合金充分发挥了超高强度钢中ε-碳化物强化相析出的优点。该合金的拉伸强度可以超过1.5GPa，延伸率约10%。经过适当的组织细化，强度甚至还可以超过2.0GPa。由于该合金制造容易而且合金元素价格比较低廉，AF9628一问世就受到工业界的青睐。同时人们正在研究如何利用该合金制造复杂形状的部件。然而，目前尚未见有报道增材制造AF9628合金工艺-显微组织-性能之间关系的公开报道。这一关系的系统研究对获得这一新型马氏体材料的增材制造参数对显微组织演化和机械性能之间的关系非常有用。

图4 美国空军研究基地对AF9628 打印样品进行了气孔、机械强度和冲击韧性等研究，显示器机械性能非常好（文献1）

本文报道了采用Eagar-Tsai分析模型进行熔池预测，结合单道实验和扫描间距实验，来对SLM AF9628进行参数变化的研究。最终是获得致密化的AF9628样品。对得到的样品进行了显微组织和机械性能的表征，从而确定SLM AF9628的可行性。同时研究工艺参数对机械性能的重要性。数值模拟和实验方案见图1。

图5 美国空军研究基地对打印的AF9628部件进行热分析（文献1）

据激光天地了解，AF-9628由AFRL的Rachel Abrahams博士开发，是一种具有高强度和韧性的钢合金。在最初的开发中，AF-9628被用来制造具有所需爆炸轮廓的掩体炸弹。与HP-9-4-20(一种用于Massive Ordnance Penetrator武器系统的钢)相比，AF-9628是独一无二的，因为它不含钨。 尽管AF-9628的配方比传统弹药中使用的普通牌号贵，但其成本却低于其他高性能钢合金，包括Eglin Steel和HP-9-4-20。对于这些吸引人的特性，特别是其高强度，研究实验室确定AF-9628是增材制造的最佳材料。

参考文献：

1.http://www.toolingandproduction. ... itor&lk=1&sr=R&tp=Y。"Rachel's Steel:" High-Strength, Low-Cost Alloy for 3D Printing，

原文来源：An ultra-high strength martensitic steel fabricated using selective laser melting additive manufacturing: Densification, microstructure, and mechanical properties[J]，Acta Materialia，Volume 186, March 2020, Pages 199-214。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.12.037