马普所最新3D打印登《Nature》:受制造刀剑的顶级用钢的启发采用3D打印制造新型钢材!

3D打印快讯
2020
07/16
10:46
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来源:江苏激光产业技术创新战略联盟

导读:神兵利器的诞生,首先是要采用好材料来制造,然后是好的制造工艺。历史记载的制作冷兵器所使用的顶级钢是大马士革钢。采用反复折叠锻造的办法制造出软硬结合的复合层状结构来。受此启发,来自马普研究所的人利用激光增材制造技术来制备Fe-Ni-Ti合金,并通过开发出相应地快速淬火和用于DED的固有热处理技术,成功制备出强度为1.3GPa、延伸率为10%的新型钢材,这一结果发表在近日出版的《Nature》上。现在光不语带领大家一睹为快。

激光增材制造(LAM)在采用CAD文件进行制造复杂、三维的金属制品上是非常有吸引力的新型的制造技术。该技术采用数字化的技术,通过控制冷却速率和循环加热来控制工艺参数和显微组织使得控制更加容易。作者最近也报道了采用循环加热技术,又叫固有热处理技术,可以促进Ni-Al析出相在LAM制造时实现原位析出。在这里,来自马普研究所的研究人员报道了采用LAM技术对Fe19Ni5Ti(质量百分比)合金进行原位定制的研究结果。这种钢通过Ni-Ti纳米析出相的原位硬化、原位马氏体的形成来实现的,处理温度为极易实现的200摄氏度。通过在LAM过程中对纳米析出相和马氏体相变的局部控制来形成复杂层级的显微组织,通过多尺度来实现。从大约100纳米厚的层厚到纳米尺度的析出。受到古代大马士革钢的启发(一种古代制作刀剑的顶级用钢,在国外称之为大马士革钢),由软硬交互层组成,该钢在古代是由有经验的铁匠采用折叠锻造的方法来实现的。我们也采用LAM技术制造出软硬交替的层。此次制造的材料其拉伸强度达到了1.3GPa、延伸率达到10%,其优异的机械性能远远优于传统的大马士革钢。其原位析出强化的机制和局部显微组织,控制的原理还可以广泛地应用析出强化合金和不同的增材制造工艺。

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DED技术制造的Fe19Ni5Ti合金样品
图解:a, DED制造工艺的示意图,包含简单的温度曲线,该曲线包含马氏体开始的温度Ms,制造四层后,制造过程停留120s,以允许样品发生冷却 ;b,金相照片,黑色区域为样品制造时停留的区域,此处的硬度相对较高 ; c,本文中所讨论的不同区域的显微组织的层级 。

采用LAM制造的制品往往经受着复杂的热循环历史。首先是从液态快速的实现淬冷效应,紧接着是固有热处理过程,即循环的再加热,该过程包含着很多的短的温度尖峰。在直接沉积(DED)过程中,部件是采用激光层层熔化粉末来实现的。在DED工艺中,内在热处理可以为局部调控显微组织提供机会和可能。然而,新材料的定制化设计可以最大限度的发挥材料的效能,因为传统的合金成分是不能采用LAM技术发挥出最大效应的,因为传统的合金成分的设计是服务于特定的工艺过程的,如铸造、锻造等。

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不同显微尺度下的样品的显微组织
图解: a, An SE照片显示出两个硬化区域以及相应地通过硬化的区域的EBSD结果;极化图是样品的制造方向; b, 连个硬化区的金相图以及放大后的Night、Ti元素分布图; c, SE 照片及其EBSD图像

我们最近的报道也显示,内在热处理可以促使Fe-Ni-Al合金中NiAl相的析出。这一被称之为马氏体时效硬化钢的最吸引人的地方话就是有两种重要的相变造成的性质的改变。期初,一种软的富Ni马氏体结构在淬火的过程中通过奥氏体-马氏体转变来实现。这一马氏体后来通过二次相变来形成金属间化合物析出相。因此,传统工艺制造的合金以及LAM制造的商业用马氏体时效钢(如18Ni-300)需要经过费钱的时效处理过程以形成增强性能的金属间化合物析出相。Fe-Ni-Ti合金系表现出极端快速的Ni3Ti析出相动力学,从而使得该合金非常适宜通过内在热处理中开发短的温度尖峰来实现原位析出硬化。
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软的和硬的区域对马氏体和奥氏体进行的APT分析结果
a, An optical micrograph indicating the positions at which the APT analysis was performed. b, c, Ti atom maps of a 5-nm-thick slice through the reconstructed volume are shown for the soft region (b) and for the hard region (c). The left maps shows APT reconstructions from austenite and the right maps show those from martensite. Only the martensite phase forms precipitates upon IHT and only in the hard region. In the soft region, both phases are free of precipitates. d, A magnified view of the precipitates by means of Ti atom maps (left) and isocomposition surfaces encompassing regions containing more than 10 at% Ti in dark green (middle). The precipitate is the η-phase (Ni,Fe)3Ti, as can be seen from the one-dimensional composition profile (right) across a precipitate along the dashed blue rectangle. The dashed blue rectangle below the graph shows a magnified view of the rectangles to the left depicting both Fe and Ti atoms as pink and dark green spheres, respectively.

在这里,我们受制造大马士革钢的启发,我们报道了数字化控制的DED参数使得可以进行局部开发两相相变和调整显微结构以制造出新材料来。大马士革钢的层状结构早先是通过反复折叠锻造,包括硬钢和软钢的复合材料来实现的,由此使得大马士革钢呈现出优异的强度和良好的韧性。我们基于这一理念来制造了一种大马士革钢,不是通过折叠锻造的方法来实现的,而是通过快速淬火和用于DED的内在热处理技术来实现的。通过调整DED的工艺参数来调整时间-温度曲线,由此实现精准、局部调控马氏体相变和析出相的生成。由此实现机械性能的调控。我们的这一技术避免了耗时和费钱的时效热处理过程,同时为局部调显微组织提供了一种可能,这是传统的热处理不可能实现的。
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热循环历史的作用结果
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LAM制造的Fe19Ni5Ti样品的拉伸曲线结果
来源:Kürnsteiner, P., Wilms, M.B., Weisheit, A. et al. High-strength Damascus steel by additive manufacturing. Nature 582, 515–519 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2409-3

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