国内外六著名机构联合-增材制造超高强度钢顶刊综述！

来源: 增材制造技术前沿

超高强度钢具有优异的综合力学性能，已经广泛引起了人们对其先进制造的极大兴趣。增材制造的超高强度钢具有独特的微观结构，为实现良好机械性能提供了巨大潜力。近期中国的重庆大学的研究人员联合中山大学、英国埃克塞特大学、美国德克萨斯大学以及新加坡著名科研机构。综述了超高强度钢增材制造的最新研究进展，重点关注了增材制造超高强度钢的工艺、微观结构以及超高强度钢性能调控方法。这项工作对于科学地理解增材制造超高强度钢未来工作提供了重要且有意义的指导。相关研究成果发表于金属材料Top期刊《Journal of Alloys and Compounds》。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 838823026932#ab0010

1 简介

超高强度钢是在传统合金钢的基础上，通过添加多种合金元素来提高机械性能而开发的一系列钢。根据合金元素成分，分为低合金超高强度钢（LUHSS），中合金超高强度钢（MUHSS）和高合金超高强度钢（HUHSS）。超高强度钢具有超高强度和高延展性，具有高比强度和刚度，适应小型化，轻量化和高功能性的目标。因此超高强度钢广泛应用于航空航天，国防，矿产勘探，深海潜艇和远洋渡轮行业。近几十年来，增材制造（AM），也称为3D打印，被视为一种革命性的制造技术。它可以通过逐层沉积直接从3D模型制造出几何形状复杂的组件。增材制造技术还可以最大限度地减少材料浪费并缩短生产周期。作为一种很有前途的先进制造技术，增材制造技术生产的超高强度钢部件在工业应用中具有巨大的应用潜力。与传统制造技术相比，增材制造制备工艺具有特殊性，包括材料与高能束的相互作用，逐层积累，高冷却速率和循环加热。这些特征造就了制备的样品具有独特的微观结构，包括高密度位错、细晶粒、胞状结构，为超高强度钢带来了出色的机械性能。增材制造的超高强度钢未来趋势是向更好的综合力学性能发展，例如更高的强度，更好的延展性和更长的耐久性。特殊的微观结构与合适的后处理方法相结合，具有实现卓越综合机械性能的巨大潜力。这篇文章主要回顾了近年来对超高强度钢增材制造的研究，重点关注了增材制造超高强度钢工艺-微观结构-性能调控。

超高强度钢的性能调控方法大致可分为三类：前处理、工艺参数调控和后处理。基材预热是预处理之一，可以减少热应力和裂纹。工艺参数优化和后处理是广泛使用的调整方法，两者都可以改变微观结构并调整零件的机械性能。超高强度钢的打印过程是多个参数的协同作用，参数优化可以提高零件的机械性能。后处理工艺作为辅助工具，进一步调整微观组织和力学性能，但结果主要取决于原始的微观结构。

2 预处理

增材制造工艺中的快速加热和冷却循环会产生较大的温度梯度，导致严重的热应力和开裂。预热在金属增材制造之前被广泛应用，是主要的预处理工艺之一。预热使得增材制造中具有更均匀的温度分布，是减轻热应力和裂纹的最有效方法之一。有学者比较了AISI H10钢在200°C和250°C基体预热温度下的缺陷形成和开裂行为，在200°C的预热温度和107 J/mm3的激光能量密度下获得了少量有缺陷的微观结构。相比之下，预热温度为250 °C，能量密度为99 J/mm3时候显著改善了裂纹。因此适当的预处理可以有效提高增材制造金属零件的成型质量。预热对制造热历史的影响包括温度分布、热循环和温度梯度。为了充分理解预热机理，研究者建立了圆形薄壁零件的三维瞬态传热有限元模型（图1a）。仿真结果表明，基体预热使热循环更平滑，降低了熔池的冷却速率。熔池的最大温度梯度也随着基材预热温度的升高而减小（图1b）。基板预热对调节热应力和开裂有相对影响，而对其他缺陷影响很小或没有影响。基板预热通过降低温度梯度来降低冷却速率，这会导致更粗的晶粒和更严重的微偏析。这在一定程度上降低了增材制造微观结构的精细度。预热主要应用于使用激光或电子作为热源的增材制造技术，主要用于钛合金，低强度碳钢和一些马氏体时效钢，适用于其他超高强度钢的预处理工艺需要进一步探索。

图1 基体预热温度对成型热历史影响的有限元分析：（a）具有各种基板预热温度的薄壁部件的温度分布，（b）从第一层到第十层中间点的熔池中的轴向温度梯度。

3 成型工艺

超高强度钢的增材制造过程是许多参数的协同结果，工艺参数能够影响热历史，从而改变零件的微观结构和机械性能。通过调整工艺参数来获得高性能增材制造超高强度钢部件对于保持积极的热历史至关重要。这部分重点介绍成形过程中的热源参数、扫描策略和打印方向。

3.1 热源参数

以激光热源为例，热源参数包括激光功率、扫描速度和光斑直径。改变热源参数会引起热输入的变化，从而改变正在成型的零件的热历史。因此，热源参数对零件的机械性能有重大影响。调整热源参数可以改善材料的机械性能和成型质量。当热输入高时，热源会强力冲击熔池，熔池底部在填充之前凝固，导致高孔隙率。AF9628超高强度马氏体钢对激光器的高体积能量密度敏感。如图2a所示，研究者开发了Eagar-Tsai模型用于预测熔池的几何形状，建立了激光功率扫描速度扫描间距的最优工艺参数模型，如图2b所示。根据模型优化参数制备的试样显著降低了孔隙率，拉伸强度高达1.4 GPa，伸长率达到11%。研究发现过高的激光功率增加了熔池中的汽化和飞溅，导致高孔隙率，图3a显示了飞溅物形成的示意图。当激光功率超过130 W时，可以观察到飞溅，并且随着激光功率的增加而变得更加严重（图3b），这严重影响了成型零件的质量。

图2 激光功率和扫描速度的优化框架：（a）Eagar-tsai模型，（b）熔池几何形状的预测。

图3热源参数对飞溅的影响：（a）飞溅物形成示意图，（b）高激光功率引起的飞溅。

3.2 扫描策略
扫描策略也会影响制造过程的热历史，以调整零件的机械性能。 图4分别使用X和XY激光扫描策略打印的18%Ni300钢的微观结构上的EBSD。X扫描策略的密度和表面光洁度更高，而XY扫描策略的奥氏体相形成率接近60%。使用XY扫描策略导致柱状晶的优先生长发生在X和Y方向上，这导致较低的各向异性，较低的残余应力和高的机械性能。研究表明通过扫描策略的调整来控制马氏体时效钢的晶体织构，可以获得具有优异表面光洁度、高密度和良好机械性能的部件。根据四种增材制造沉积策略打印的H13钢试样，如图5所示。发现层间扫描方向的变化对试样的微观结构尺寸和分布影响大于融合通道扫描方向的变化。

图4 不同扫描策略的微观结构：X单向打印的侧表面（a）和顶部（b），XY双向打印的侧面（c）和顶部（d）。

图5 相邻熔体通道和夹层打印方向的四种扫描策略。

3.3 打印方向

打印方向是影响零件热历史的重要工艺参数之一。打印方向的变化会导致零件成型的熔化层数不同。在水平方向上创建圆柱形样品所需的层数少于在垂直方向上创建的层数。不同的打印方向导致不同的激光束扫描时间和热历史。学者使用LPBF技术分别沿水平和垂直方向打印18Ni300马氏体时效钢。图6a和b显示了沉积试样的微观结构，它们在打印方向上显示出细长的晶粒结构。这种晶粒结构在热处理后也没有完全消除，而是织构从<100>和<111>演变为<110>方向。
增材制造工艺是逐层沉积的，因此垂直打印的样品具有较慢的冷却速度。在垂直方向上具有较大细长晶粒导致硬度值较低，这可能导致结构各向异性。热处理可以削弱材料加工过程中产生的各向异性，打印方向在零件的耐磨性中起着积极作用。如图7a和b所示，时效处理后熔体通道之间的界面特征和细胞亚结构几乎消失，但纳米颗粒和打印取向仍然存在，可以提供高强度、抗开裂延伸和耐磨性。水平打印方向具有更高的强度、抗裂性和耐磨性，而垂直打印方向具有更好的抗裂纹扩展能力。

图6 打印方向对微观结构的影响。

图7 热处理后微观结构的SEM图像：（a）-（b）老化处理，（c）-（d）固溶处理。

增材制造工艺可以通过调整打印参数来改变能量输入，从而改变超高强度钢零件的成型热历史，改善零件微观结构和机械性能。激光功率的大小直接决定能量输入，扫描速度和扫描间距也会通过改变照射时间和照射范围改变粉末吸收的能量。增材制造中涉及的许多其他工艺参数，如扫描策略、打印方向和粉末层厚也对超高强度钢零件的成型热历史有重要影响。然而根据目前的报告。超高强度钢的增材制造工艺尚未得到充分研究。热历史中许多参数的机制尚不清楚，还有待更深入的研究。