德国马普所Nature顶刊丨高强钢的激光增材制造

来源：增材制造硕博联盟

由激光增材制造(LAM)生产的零件会经历独特的热过程。首先是从液态快速淬火，然后是固有热处理（IHT），即由多个短温度峰值组成的循环再加热。在定向能量沉积(DED)中，零件是通过激光熔化由载气通过喷嘴送入的粉末逐层构建的。在定向能量沉积制备过程中，固有热处理很明显，因此提供了局部调整微观结构的机会。然而，必须对新材料进行定制设计，以最好地利用这些特定条件。因为传统合金成分针对其他加工路线（例如铸造或锻造）进行了优化，因此无法期望其在激光增材制造过程中发挥优化作用。

最近的研究表明，固有热处理可以引发铁-镍-铝(Fe-Ni-Al)合金中的镍-铝(NiAl)沉淀。这种马氏体时效钢具有两个重要的相变特性。最初，通过奥氏体-马氏体转变在淬火时形成软的富镍马氏体显微组织。该马氏体随后通过第二相变硬化以形成金属间纳米沉淀物。因此，常规生产以及激光增材制造生产的商业马氏体时效钢（例如18Ni-300）需要进行昂贵的时效处理以形成性能增强的金属间化合物沉淀物。铁-镍-钛(Fe-Ni-Ti)合金系统显示出极快的Ni3Ti沉淀动力学，使其非常适合利用固有热处理期间的短温度峰值进行原位沉淀硬化。

定向能量沉积工艺参数的数字化控制使在局部利用这两个相变调整微观结构，以创造一种受大马士革钢启发的新材料成为可能。大马士革钢的层状结构最初是由于反复折叠和锻造由硬钢和软钢组成的宏观复合材料，并赋予复合材料优异的强度和延展性。德国的研究人员利用这一概念生产类似大马士革的马氏体时效钢，通过利用快速淬火、连续原位加热和局部相变（而不是通过折叠和锻造）来制造分层微观结构。研究人员专门设计了一种Fe19Ni5Ti(wt%)合金，以利用定向能量沉积的快速淬火和固有热处理过程。通过调整定向能量沉积工艺参数以调节制造过程中的时间-温度曲线，从而能够精确、局部地控制马氏体的形成以及沉淀，从而控制机械行为。该方法避免了耗时且昂贵的后处理时效热处理，并且还提供了局部调整微观结构的可能性，这是传统热处理无法实现的。相关研究以 “High-strength Damascus steel by additive manufacturing” 为标题发表在国际顶刊《Nature》上。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2409-3

研究人员使用定向能量沉积工艺制造了一个长方体Fe19Ni5Ti(wt%)马氏体时效钢零件。作为一种激光增材制造方法，定向能量沉积过程使用计算机控制的沉积策略，其中包括在四层块沉积之后的120秒暂停。在此暂停期间，关闭激光并冷却样品。该过程的示意图和显微照片如图1所示。停顿导致在每个块的顶部形成一个暗带，该暗带连续沉积而没有停顿。叠加的硬度分布表明，暗带比中间的四层块大约硬100HV。这些在毫米-厘米长度尺度上的暗带代表了在图1c中绘制的大马士革钢分层微观结构中最粗糙的成分。

图1 定向能量沉积的Fe19Ni5Ti样品

图2显示了激光增材制造生产的马氏体时效钢的典型显微组织，由Ni-马氏体基体组成，残余奥氏体出现在枝晶间区域。奥氏体能够稳定是因为枝晶间区域富含溶质。电子背散射衍射（EBSD）表明，硬带和较软区域都具有相似的奥氏体分数和马氏体形态（图2a）。元素映射揭示了两个不同长度尺度上Ti分布的不均匀性（图2b和2c）。(1)在熔池中的流体流动期间，预合金化的Fe20Ni（wt%）粉末与元素Ti粉末的不完全混合导致了几百微米大小的富钛区域。这些混合不均匀性对总相分数没有影响。(2)Ti在凝固过程中向枝晶间区域的微偏析导致微米级区域富集Ti。图2b显示，硬区和软区之间合金元素的分布或浓度没有明显差异。

图2 微观结构表征

图2c说明了Ti和Ni微偏析在稳定奥氏体中的作用。带有重叠EBSD图的电子显微照片显示，光滑、颜色较深的区域是奥氏体。马氏体看起来更亮，因为更粗糙的表面发射更多的二次电子。元素映射表明枝晶间区域的奥氏体富含Ti和Ni。这是违反直觉的，因为Ti通常被归类为钢中的铁素体稳定元素。然而，我们使用相图计算(CALPHAD)模拟计算了马氏体形成的驱动力，结果表明Ti富集降低了奥氏体和马氏体之间的吉布斯能量差。在这种合金中，Ti因此充当奥氏体稳定剂。由定向能量沉积期间的快速冷却产生的这些枝晶和枝晶间区域代表了图1c中所示的分级微观结构的中间成分。