馬普所最新3D打印登《Nature》：受制造刀劍的頂級用鋼的啟發(fā)采用3D打印制造新型鋼材！

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

導(dǎo)讀：神兵利器的誕生，首先是要采用好材料來制造，然后是好的制造工藝。歷史記載的制作冷兵器所使用的頂級鋼是大馬士革鋼。采用反復(fù)折疊鍛造的辦法制造出軟硬結(jié)合的復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)來。受此啟發(fā)，來自馬普研究所的人利用激光增材制造技術(shù)來制備Fe-Ni-Ti合金，并通過開發(fā)出相應(yīng)地快速淬火和用于DED的固有熱處理技術(shù)，成功制備出強(qiáng)度為1.3GPa、延伸率為10%的新型鋼材，這一結(jié)果發(fā)表在近日出版的《Nature》上�，F(xiàn)在光不語帶領(lǐng)大家一睹為快。

激光增材制造（LAM）在采用CAD文件進(jìn)行制造復(fù)雜、三維的金屬制品上是非常有吸引力的新型的制造技術(shù)。該技術(shù)采用數(shù)字化的技術(shù)，通過控制冷卻速率和循環(huán)加熱來控制工藝參數(shù)和顯微組織使得控制更加容易。作者最近也報道了采用循環(huán)加熱技術(shù)，又叫固有熱處理技術(shù)，可以促進(jìn)Ni-Al析出相在LAM制造時實現(xiàn)原位析出。在這里，來自馬普研究所的研究人員報道了采用LAM技術(shù)對Fe19Ni5Ti（質(zhì)量百分比）合金進(jìn)行原位定制的研究結(jié)果。這種鋼通過Ni-Ti納米析出相的原位硬化、原位馬氏體的形成來實現(xiàn)的，處理溫度為極易實現(xiàn)的200攝氏度。通過在LAM過程中對納米析出相和馬氏體相變的局部控制來形成復(fù)雜層級的顯微組織，通過多尺度來實現(xiàn)。從大約100納米厚的層厚到納米尺度的析出。受到古代大馬士革鋼的啟發(fā)（一種古代制作刀劍的頂級用鋼，在國外稱之為大馬士革鋼），由軟硬交互層組成，該鋼在古代是由有經(jīng)驗的鐵匠采用折疊鍛造的方法來實現(xiàn)的。我們也采用LAM技術(shù)制造出軟硬交替的層。此次制造的材料其拉伸強(qiáng)度達(dá)到了1.3GPa、延伸率達(dá)到10%，其優(yōu)異的機(jī)械性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的大馬士革鋼。其原位析出強(qiáng)化的機(jī)制和局部顯微組織，控制的原理還可以廣泛地應(yīng)用析出強(qiáng)化合金和不同的增材制造工藝。

DED技術(shù)制造的Fe19Ni5Ti合金樣品

圖解：a, DED制造工藝的示意圖，包含簡單的溫度曲線，該曲線包含馬氏體開始的溫度Ms，制造四層后，制造過程停留120s，以允許樣品發(fā)生冷卻 ；b,金相照片，黑色區(qū)域為樣品制造時停留的區(qū)域，此處的硬度相對較高 ； c,本文中所討論的不同區(qū)域的顯微組織的層級 。

采用LAM制造的制品往往經(jīng)受著復(fù)雜的熱循環(huán)歷史。首先是從液態(tài)快速的實現(xiàn)淬冷效應(yīng)，緊接著是固有熱處理過程，即循環(huán)的再加熱，該過程包含著很多的短的溫度尖峰。在直接沉積（DED）過程中，部件是采用激光層層熔化粉末來實現(xiàn)的。在DED工藝中，內(nèi)在熱處理可以為局部調(diào)控顯微組織提供機(jī)會和可能。然而，新材料的定制化設(shè)計可以最大限度的發(fā)揮材料的效能，因為傳統(tǒng)的合金成分是不能采用LAM技術(shù)發(fā)揮出最大效應(yīng)的，因為傳統(tǒng)的合金成分的設(shè)計是服務(wù)于特定的工藝過程的，如鑄造、鍛造等。

不同顯微尺度下的樣品的顯微組織

圖解： a, An SE照片顯示出兩個硬化區(qū)域以及相應(yīng)地通過硬化的區(qū)域的EBSD結(jié)果；極化圖是樣品的制造方向； b, 連個硬化區(qū)的金相圖以及放大后的Night、Ti元素分布圖； c, SE 照片及其EBSD圖像

我們最近的報道也顯示，內(nèi)在熱處理可以促使Fe-Ni-Al合金中NiAl相的析出。這一被稱之為馬氏體時效硬化鋼的最吸引人的地方話就是有兩種重要的相變造成的性質(zhì)的改變。期初，一種軟的富Ni馬氏體結(jié)構(gòu)在淬火的過程中通過奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變來實現(xiàn)。這一馬氏體后來通過二次相變來形成金屬間化合物析出相。因此，傳統(tǒng)工藝制造的合金以及LAM制造的商業(yè)用馬氏體時效鋼（如18Ni-300）需要經(jīng)過費錢的時效處理過程以形成增強(qiáng)性能的金屬間化合物析出相。Fe-Ni-Ti合金系表現(xiàn)出極端快速的Ni3Ti析出相動力學(xué)，從而使得該合金非常適宜通過內(nèi)在熱處理中開發(fā)短的溫度尖峰來實現(xiàn)原位析出硬化。

軟的和硬的區(qū)域?qū)︸R氏體和奧氏體進(jìn)行的APT分析結(jié)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.

在這里，我們受制造大馬士革鋼的啟發(fā)，我們報道了數(shù)字化控制的DED參數(shù)使得可以進(jìn)行局部開發(fā)兩相相變和調(diào)整顯微結(jié)構(gòu)以制造出新材料來。大馬士革鋼的層狀結(jié)構(gòu)早先是通過反復(fù)折疊鍛造，包括硬鋼和軟鋼的復(fù)合材料來實現(xiàn)的，由此使得大馬士革鋼呈現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和良好的韌性。我們基于這一理念來制造了一種大馬士革鋼，不是通過折疊鍛造的方法來實現(xiàn)的，而是通過快速淬火和用于DED的內(nèi)在熱處理技術(shù)來實現(xiàn)的。通過調(diào)整DED的工藝參數(shù)來調(diào)整時間-溫度曲線，由此實現(xiàn)精準(zhǔn)、局部調(diào)控馬氏體相變和析出相的生成。由此實現(xiàn)機(jī)械性能的調(diào)控。我們的這一技術(shù)避免了耗時和費錢的時效熱處理過程，同時為局部調(diào)顯微組織提供了一種可能，這是傳統(tǒng)的熱處理不可能實現(xiàn)的。

熱循環(huán)歷史的作用結(jié)果

LAM制造的Fe19Ni5Ti樣品的拉伸曲線結(jié)果

來源：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