激光制造钢的工艺进展以及面临的挑战（1）

来源：江苏激光联盟

导读：本文探讨了激光制造钢的工艺进展以及面临的挑战。

尽管许多行业对激光增材制造(LAM)产生了浓厚的兴趣，推动了钢的需求和进步，但仍存在一些障碍，如缺陷、残余应力、分散、不充分或/和各向异性性能等，限制了当前的工业应用。为了克服这些问题，开发了几种有效的方法来控制和/或提高LAM生产的钢构件的性能。为了帮助研究人员和工程师在这一快速发展的领域获得最新的信息和知识，本文概述了当前钢的LAM研究，特别是奥氏体钢、铁素体钢、双相钢和马氏体钢的研究，重点是理解工艺、铁素体钢和马氏体钢之间的相互关系，以及显微组织与机械性能。本文还讨论了工艺参数、相互作用和后处理对合金的冶金、组织和性能的影响。此外，本文还着重介绍了钢的LAM技术的进展、面临的挑战和前景。

介绍
在过去的20年里，增材制造(AM)被认为是一种革命性的制造技术，因为它与传统的减材工艺相比具有优势，如零件从概念到市场交付速度的提高，生产具有高几何复杂性的物体的能力，在制造过程中产生的废物更少。在当前的AM工艺中，基于激光的增材制造(LAM)是一种快速发展的AM技术，用于制造复杂形状的金属部件，修复损坏的部件和快速加工航空、汽车、电子和生物医学行业。激光的诞生可以追溯到1960年Theodore Maiman发明的激光。此后，在过去的几十年里，激光被广泛应用于材料加工，如激光切割、激光焊接、激光热处理、激光熔覆、激光表面熔化和合金化。激光焊接和激光表面合金化的发展启发了快速成型的概念，旨在快速制造物理零件的比例模型。这一概念直到20世纪80年代才由Chuck Hull实现，他开发了一种使用紫外线(UV)激光将光聚合物固化成3D形状的立体光刻技术。从那时起，LAM技术经历了超过30年的发展，现在该技术已经有能力从多种材料中可靠地制造致密零件，包括各种合金，陶瓷，金属基复合材料和功能梯度材料。

通过基廷模拟棕榈树的径向密度梯度变化致密化FGAM混凝土。

FGAM可以是一种受生物启发的快速制造，模仿在自然界中发现的材料结构，如棕榈树的径向密度梯度，骨的海绵状小梁结构或肌肉的组织变化。不同密度的FGAM可以通过调整晶格排列和改变支柱几何形状来保持结构强度，但同时也减少了整体重量，从而实现轻量化结构。这可以在图2中举例说明，其中使用改进的3D打印机制作的3D打印混凝土，展示了棕榈树细胞结构的径向密度梯度概念。从坚固的外部到多孔核心的逐渐过渡导致了优异的强度与重量比，使混凝土更轻、更高效、更强。

目前报道的最常见的LAM合金包括铁合金、Ti合金、Ni合金、Cu合金和Al合金。作为几乎所有工业领域中应用最广泛的金属材料家族，LAM生产的黑色金属产品具有许多工业应用的潜力。与传统的制造方法相比，LAM的特殊特性，包括粉末原料与激光束的相互作用、快速/高冷却速度、层的逐步堆积和多次热循环，产生了独特的和有区别的显微组织和机械性能。例如，与常规生产的钢相比，LAM加工的大多数钢(如奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和双相不锈钢)表现出优异的机械性能，特别是抗拉强度。这是由于在LAM过程中产生了独特的微观结构，具有高密度位错、胞状结构、细晶粒、可调织构和相成分等特征。

此外，LAM可以实现具有复杂几何形状的钢构件的近净形状成形。因此，LAM是许多工业应用的途径，如超高强度部件、复杂结构模具、涡轮部件、加工工具、具有复杂几何特征的多孔部件和功能梯度部件。为了充分利用金属AM的优势，目前对LAM钢的研究主要集中在具有高强度和高韧性、高硬度/耐磨性、高耐蚀性、高焊接性等性能和特殊性能的钢上。普通碳素钢和其他低合金钢的动态损伤研究很少。如图1所示，研究最广泛的LAM钢是不锈钢(如奥氏体316钢、17-4 PH钢)、马氏体时效钢(如18Ni-300)和工具钢(如H13和M2)。值得注意的是，大多数此类钢产品仍处于开发的早期阶段，因为仍有一些挑战需要解决，包括确保通过LAM生产的产品具有足够的韧性和疲劳性能。与传统的铸造、锻造等生产工艺相比，由于冶金因素复杂，LAM生产的钢的组织和性能更难控制。因此，进一步的研究和开发仍在进行中。

图1 (a)发表关于各类钢材LAM的论文数量;(b)不同类别钢的LAM研究工作所占的百分比。数据来自2020年4月之前发表的论文。

在过去的几年里，发表了几篇关于金属AM的优秀评论，其中提到了钢AM，重点是不锈钢(如316L SS, 17-4 PH值)和工具钢(如H13)。这些评论有效地帮助研究人员和工程师快速获得更全面和最新的金属AM知识。然而，针对钢的文献综述较少，对铁素体钢、马氏体钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢等其他钢的AM研究成果也较为丰富。钢LAM的快速发展在过去的两年里产生了相当多的新知识。此外，LAM过程中可能有10个以上的过程变量，其中大部分在缺陷的形成、应力场和组织演化(如晶粒形貌、织构、相成分、位错形成)中发挥重要作用。然而，之前发表的评论集中在最典型的加工参数(如激光功率、扫描速度、进给速度)。此外，近年来还发展了许多提高材料性能的新方法，包括预热、后处理和混合方法。因此，对钢的LAM进行全面的综述是必要和必要的。

金属瞬变发光技术是基于粉末冶金、激光束焊接、激光表面合金化和熔覆以及原型技术发展起来的，在加工条件方面，瞬变发光技术与这些技术有一些相似之处。例如，直接激光沉积(DED) LAM技术与多道次激光焊接和激光堆焊相似，只是前者的熔化规模较小。而粉末层熔敷(PBF)过程中初始层的形成过程与激光表面合金化和熔覆过程相似。

不同的是，PBF LAM，今后称为L-PBF，总是在平面表面上工作，但激光表面合金化和熔覆可以在复杂的表面上进行。因此，这些技术具有相同的加工特征，如激光-材料相互作用、定向凝固和快速加热/冷却，因此也具有相似的冶金特征，如熔体池(或焊接池)内的细化组织和织构晶粒，沿熔池边界的热影响区和未熔合孔。因此，现有的激光焊接、激光表面合金化和熔覆方面的知识可以帮助我们更好地理解激光焊接的一些特性。

此外，LAM与焊接和表面涂层技术也有一些不同。一般来说,L-PBF过程与高扫描速度有关,通常1 m s - 1的顺序,小点尺寸(激光聚焦)100μm的顺序,和高度集中的低功率(<400 W)激光束,以确保订单的部分的尺寸精度高～100μm。然而，在激光焊接中，功率和光束尺寸通常要大得多;最大50kw和更大的光斑尺寸，可达几毫米，以在单位时间内沉积尽可能多的材料，以快速连接两个金属片。因此，与焊接相比，L-PBF通常具有更小的熔化规模(数十至数百微米)和更高的冷却速度(~ 106 K s-1)在凝固过程中。这导致了不寻常的、超细的微结构，例如Want等人报道的316L不锈钢的亚微米级胞状结构。

此外，与激光表面合金化或熔覆不同的是，当沉积了多层时，沉积材料在LAM过程中经历了更复杂的热循环。这极大地影响了材料中的相成分，包括固相到固相的转变，特别是在钢中。虽然多道次焊接过程中也有多次沉积(重复加热/熔化)，但沉积道次的数量远远低于LAM。在LAM过程中，基板作为一个有效的散热器，将热从熔池中传递出来。随着沉积层的形成，新层作为新的基底，改变了热释放，从而改变了凝固冷却速率。

因此，可以在LAM制作的零件中引入梯度组织和机械性能。此外，从所用的原材料来看，LAM中最常见的是金属粉末作为原材料，而激光焊接通常使用大块金属或金属丝。此外，焊缝两侧的熔体区被固体金属包围，而在LAM中，熔体池被基体/之前建立的下层以及当前层或周围金属粉末刚固化的熔体池包围。因此，有必要结合上述材料与热源的相互作用、快速凝固、层序叠加和多次热循环等独特的制备特点，对LAM凝固过程中的物理冶金学有一个全面的认识。这为了解LAM成形件的组织演变和性能提供了基础和新思路。

本文综述了国内外钢AM的研究进展，为读者提供了这一领域的前沿知识。重点研究了高强度钢的LAM加工工艺、LAM生产的零件的显微组织和机械性能，以及它们之间的相关性。由于出版物数量有限，普通碳素钢和普通低合金钢不包括在内。值得注意的是，功能梯度铁构件因其特殊的应用和传统以及LAM工艺制造的困难而引起了研究的关注，因此本文也对其进行了综述。本综述从LAM加工开始，研究了各个LAM加工参数及其相互作用对LAM生产钢的尺寸精度、缺陷、残余应力、组织和机械性能的影响。在此基础上，综述了近年来国内外研究最广泛的几种钢的动态相变研究进展，包括冶金机理、显微组织和机械性能等方面的讨论。在最后一节，总结和讨论了最近提出的进一步提高钢的性能的前、后和混合LAM工艺。根据作者对钢铁金属电解加工的最新知识的了解，提出了钢铁金属电解加工这一先进技术所面临的挑战和潜在问题，作为促进钢铁金属电解加工工业应用的未来研究课题。

LAM过程
LAM工艺将通常为粉末或金属丝的原料，在激光的帮助下，通过熔化和凝固，一层一层地固化成一个致密的金属部分。在过去的几十年里，人们用不同的术语来描述这一过程。因此，本节从术语解释开始，然后简要介绍两种典型的LAM过程(即粉末床融合和直接能量沉积)。金属LAM的基础知识由Gu、Shamsaei、Dirk和DebRoy进行了全面的综述，包括加工机理、原料、热源特性、传热传质原理、温度场、过程稳定性等。然而，之前的综述都没有全面地总结过程变量的影响，包括大多数单个的过程参数及其相互作用，以及一些无量纲参数。因此，本节重点讨论了工艺参数对LAM钢熔体池尺寸和性能(如孔隙率、热梯度、残余应力、变形、组织和机械性能)的影响。本文的总结和讨论也将为其他合金体系的LAM研究人员和工程师提供有价值的参考，特别是参数优化。

粉末增材制造中的热传递与熔池动力学。

如上图，对流流动将来自不同区域的液态金属混合在一起，增强了熔池内的热传递。循环模式对液态合金中的温度分布、加热和冷却速率、凝固模式以及铸体的组织和性能有重要影响。因此，三维温度场的精确计算需要传热方程和流体流动方程的全耦合解。在大多数计算中，为了使计算易于处理，都作了一些简化。例如，固体和液体金属的密度被假设为恒定的，因为这个假设节省了计算时间，但不会降低结果的准确性。沉积层的表面通常被认为是平坦的。在许多情况下，这一假设对温度场和冷却速率没有显著影响。由于合金元素汽化的热效应也被忽略，因为与来自热源的输入能量相比，这种效应通常很小。

典型LAM方法概述
在过去二十年，大量不同的术语被发明家/机构提出。然而，这些技术的原理在根本上是相似的，并在表1中进行了分类和总结。根据ASTM F2792-12a标准，金属AM在给料机理上主要涉及两大类。它们分别是粉末床融合(PBF)和直接能量沉积(DED)。前者使用高能量密度束流将预铺展粉床层扫描到所需的轮廓，然后重复铺展和扫描后续层，直到整个部分形成。而后者则是利用聚焦的高能束同时熔化和沉积给料金属，这些金属可以是金属丝(直接注入)或粉末(通过单个或多个喷嘴注入)，形成基板或现有的层。在目前的综述中，重点是基于激光的调幅技术，而调幅技术与其他能源，如电子束、等离子体或电弧不包括在内。因此，为了避免歧义，在本文中使用了L-PBF和L-DED这两个术语来专门指代基于激光的技术。

表1 LAM技术由不同的发明者/机构命名。

以选择性激光熔化(SLM)作为典型的L-PBF系统为例，简述了该技术的原理。如图2(a)所示，在SLM过程中，对聚焦的激光束进行编程，使以熔池为最小熔化单元的预铺粉床表面选择性熔化。在第一层的熔化和凝固完成后，构建板逐渐降低，并在粉末层上铺开另一层粉末层，重复这个过程，直到设计好的固体组件构建完成。L-PBF技术的优点是尺寸精度高，表面光洁度好，能够生产具有低变形的复杂部件。与L-DED相比，L-PBF系统中典型的光斑尺寸(50-180μm)相对较小，熔体池较小(图3(a))，分辨率更高，表面更光滑。此外，可以很容易地打印出网状支撑结构来支撑悬垂部分，这对于制造具有内部通道和多孔结构的复杂部件至关重要。这些支撑结构也限制了由热应力引起的3d打印组件的变形。然而，L-PBF系统也存在一些缺陷，如工艺效率低，如果工艺参数不优化，会出现球化现象或熔合缺陷。一般情况下，L-PBF制件的成球与高孔隙率有关，这可能是由于表面张力降低了表面能而导致熔迹收缩所致。根据Li和同事的研究，可以通过增加激光能量密度来抑制球化，这将在下一节中讨论。

图2 L-PBF (a)和L-DED (d)工艺示意图。

图3 (a) L-PBF，(b,c) L-DED和(d-f)激光焊接在不同工艺参数下制备的钢熔体熔池形貌的变化。(a)中的数字表示熔体池对应的激光功率(W)。

与L-PBF相比，L-DED技术在送料方式上有所不同。如图2(b)所示，在L-DED过程中，金属原料(如粉末或金属丝)通过喷嘴注入，然后在高能激光束的保护下，在惰性气氛(一般是氩气)下，在移动基板上同时熔化。然后，激光头上升，重复这一过程，直到所有的层都建成。自20世纪80年代以来，各种L-DED技术被提出和发展，如表1所示。在这些技术中，由Sandia国家实验室创新的LENS是目前实现粉状L-DED最常见的系统之一，用于研究和工业生产。L-DED技术的主要优点包括相对较高的沉积速率(对于钢，沉积速率可达5kg h-1)，以及能够生产具有梯度成分的零件。

与采用预撒粉的L-PBF系统的特点不同，L-DED工艺的原料(粉末或线材)从喷嘴送出后立即由激光熔化，使沉积速率和工艺效率更高。基于这些特点，L-DED技术更适合于制造大型零件、零件修理或表面涂层。此外，通过多个粉末输送系统，可以同时沉积不同进给速度的各种金属粉末。因此，复合材料或功能梯度材料可以很容易地用L-DED技术生产。然而，大多数L-DED机床的能量输入大于L-PBF，导致熔体池较大(见图3(b,c))，因此尺寸精度较低，表面光洁度较差，显微组织较粗糙。此外，对于L-DED系统，悬架部分只能在多轴运动(如五轴运动)的系统中打印，这需要更大的费用。

图3(d-f)显示了不同工艺参数激光焊接316不锈钢的熔体熔池形貌。对比图3(a - c)和(d-f)可知，激光焊接钢的熔池形貌与L-PBF相似，但由于L-PBF的激光功率更低，激光光斑尺寸更小，熔池尺寸更小。此外，两种方法熔体池形态的变化相似，表明两种方法熔体池的物理行为相似。随着激光能量输入的增加(增加激光功率和/或减小光斑尺寸)，熔池从“半月板”形态转变为更深的“杯状”形态。这是由于在高激光能量输入下，熔化模式由传导模式转变为小孔模式，这在金属激光焊接中已经得到了很好的证明。在传导熔融模式下，热传递主要通过熔池内的传导和对流进行，没有明显的蒸发，导致熔池稳定。而在小孔模式下，由于强激光能量的输入，金属大量蒸发，对熔池底部产生反冲压力，形成深熔池，形成杯状形貌。由于产生深窄焊缝，激光焊接通常优先采用小孔模式，但在激光焊接加工中，由于产生高孔隙率，通常避免采用小孔模式。

采用300 W的激光功率和15 mm/s的扫描速度在in718基板上沉积(a) 1层和(b) 10层in718粉末时的温度分布。激光束扫描方向为沿正x轴(c)第10层熔池的形状和大小[141](d)表面张力梯度驱动熔池内金属液的循环。

上图(a)和(b)分别为in718粉末10层高发射l过程中第1层和第10层的计算温度分布。这些图中不同的颜色表示不同的温度带。在AM中，衬底充当散热器。因此，通过基底的导热热损失随着层的沉积而逐渐减小。因此，上层的峰值温度增加。由于激光束的快速扫描，温度轮廓在热源后面被拉长，并在光束前面被压缩。图(c)显示了第10层沉积过程中熔池中部的形状和大小。只给出了熔池的一半在纵向对称面上的表面和内部的温度场和速度场。在熔池内部，靠近热源轴处温度最高，靠近熔池边界处温度最低。这种不均匀的温度导致熔池内部的表面张力梯度。从图(d)可以看出，熔池内部金属液的流动是由表面张力梯度驱动的。

到目前为止，通过考虑焊接参数、不同材料性能、传热和流体流动等因素，已经进行了许多解析、数值和实验研究来研究和预测熔体池的几何形状。这些模型一般适用于金属LAM加工，因为它们具有相似的冶金行为。这将是了解LAM过程中熔体池中的动态行为的有力工具，从而为获得致密、高质量零件的工艺参数优化提供基本指导。在下面的章节中，综合总结了LAM工艺参数/变量对熔池几何形状、钢的致密化和形态的影响，并进行了批判性评价。

LAM处理变量的影响
与传统的制造工艺相比，LAM涉及的工艺变量/参数更多，影响了产品的组织和性能。最常见的变量如图4所示。由于LAM组件的质量在很大程度上依赖于工艺设置，因此优化每种合金的参数对于当前的LAM技术至关重要，因为在大多数商业上可用的LAM系统中都缺乏闭环质量控制系统。因此，了解这些工艺参数如何影响LAM零件的性能是很重要的。到目前为止，人们对激光功率、扫描速度和进粉速度这三个主要参数进行了大量的研究。这三个变量对性能的综合影响也在之前得到了很好的回顾和讨论。

然而，几乎没有对其他LAM加工参数的影响进行全面的综述，如图4所示，尽管这些变量在控制LAM生产的钢件质量方面也发挥着重要作用。本节回顾了这一研究空白，重点讨论了它们对熔体熔池尺寸、显微组织和部件性能的影响。此外，还讨论了参数交互作用在LAM处理过程中的影响。在分析了各种来源和论文中发表的数据后，图5-8中总结了各个参数对熔体池大小、合金孔隙度和单轨形貌的影响，并在接下来的章节中深入讨论。

图4 LAM过程中的主要处理参数/变量及其常用值/类别范围的摘要。

图5 加工参数对L-DED型钢单轨尺寸的影响:扫描速度、激光功率和进给速度对420不锈钢轨道(a)宽度和(b)高度的影响;(c)进给速度对H13工具钢轨道厚度误差的影响;(d)扫描速度、(e)进给速度和(f)比能对316不锈钢轨迹高度的影响。

图6 工艺参数对L-PBF和L-DED制备的钢试样气孔率的影响:(a)激光功率;(b)粉进料速度;(c)扫描间距;(d)涂层厚度和激光功率;(e)扫描速度和层厚;(f)扫描速度

图7 不同工艺参数下L-PBF型316L不锈钢的SEM形貌:(a)扫描速度;(b)激光功率;(c-e)氧气水平;(f-h)层厚度;(i (k)扫描间距

图8 不同工艺参数下L-DED型316L不锈钢单扫描轨迹的SEM显微图:(a-d)扫描速度;(e-h)粉进料速度;(i-l)激光能量

来源：Laser additive manufacturing of steels，InternationalMaterials Reviews，doi.org/10.1080/09506608.2021.1983351
参考文献：Gibson I, Rosen DW, Stucker B. Additive manufacturing technologies.Vol. 17. Cham, Switzerland: Springer; 2014. Brandt M. Laser additivemanufacturing: materials, design, technologies, and applications. Duxford:Woodhead Publishing; 2016.