解析：增材制造鋼的組織和性質(zhì)

來源：激光天地

導(dǎo)讀：如今，大量的鋼制品已經(jīng)開始采用增材制造藝來制造。由于基體材料顯微組織的不同、相組成的差異（奧氏體、鐵素體、馬氏體）以析出相的類型有別（金屬間化合物析出相、碳化物析出相），從而導(dǎo)致鋼的增材制造組織和性能的變化非常廣泛。

將增材制造鋼同傳統(tǒng)制造的鋼相比，就更是如此。然而，鋼在增材制造過程中所經(jīng)歷的時間-溫度變化過程同傳統(tǒng)制造工藝相比是極大的不同。由此造成增材制造所得到的組織同傳統(tǒng)工藝相比就極為不同。這包括由于快速凝固所造成的非平衡凝固使得組織的細(xì)化、形貌的變化、晶體結(jié)晶的變化等。這一顯微結(jié)構(gòu)的變化，反過來，需要額外的或者后熱處理和合金成分的設(shè)計來進(jìn)行調(diào)整。在本綜述中，我們首先綜述了采用增材制造進(jìn)行制造的不同類型的鋼以及他們的顯微組織、機(jī)械性能、腐蝕性能、熱處理以及相應(yīng)地應(yīng)用。合金類型包括奧氏體、雙相鋼、馬氏體、析出強(qiáng)化鋼、TRIP/TWIP鋼、馬氏體失效硬化鋼、碳素軸承鋼以及氧化物彌散強(qiáng)化鋼（ODS）。同時對前期文獻(xiàn)所沒有涉及的增材制造鋼也做了 介紹。對鐵基功能材料的性能以及潛在的應(yīng)用也做了介紹。

圖1 綜述中所涉及到的鋼的機(jī)械性能，可以從圖中清晰的看出傳統(tǒng)制造工藝的鋼同AM制造的鋼的性能的差異，AM以LPBF和LMD為主，其他的AM工藝本圖不涉及

金屬增材制造的優(yōu)點同傳統(tǒng)合成與成形工藝相比，在于它可以在短時期內(nèi)生產(chǎn)出復(fù)雜形狀的個性化產(chǎn)品。舉例來說，應(yīng)用于個性化人體植入物的定制已經(jīng)得到應(yīng)用�？梢钥焖俚闹圃斐鲂螤顝�(fù)雜、滿足個性化需求的關(guān)鍵部件且可實現(xiàn)減重，或者將AM技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)關(guān)鍵高附加值部件的修復(fù)等。在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用，合金一般是生物相容性材料、高溫材料、輕質(zhì)材料，如Ti、Ni、Al以及鎂合金等。于是，關(guān)于增材制造技術(shù)所用合金的綜述也都集中在以上材料上。除了有兩篇文獻(xiàn)時例外之外。很少有綜述來對鋼的增材制造來進(jìn)行綜述。這兩篇含有鋼的增材制造的綜述也同本文不一樣。

然而，從3000多年前的鐵器時代開始，應(yīng)用最為廣泛同時也是最成功的合金就是鋼了。從增材制造的角度來對合金設(shè)計、顯微組織、性能和工藝來對鋼進(jìn)行綜述，還沒有引起業(yè)界相應(yīng)的關(guān)注。

圖2 綜述中所涉及到的不同類型的鋼的典型顯微組織的總結(jié)圖

在本綜述中，我們致力于將當(dāng)今增材制造的不同類型的鋼都能涉及到。我們主要聚焦于組織、性能和電化學(xué)性能。尤其是聚焦于增材制造過程中的工藝過程（熱的和化學(xué)）對組織和性能的影響。同F(xiàn)ayazfar等人的綜述不同，我們并不詳細(xì)的介紹增材制造的工藝參數(shù)的影響。我們只聚焦于熔化型的增材制造，尤其是激光增材制造（LPBF、LMD）和電子束增材制造（EPBF）。

圖3 LPBF制造316奧氏體不銹鋼時在不同顯微尺度下的顯微組織圖

在這里，我們并不直接對基材材料進(jìn)行介紹。尤其是對于直接能量沉積，進(jìn)行熔覆或者表面強(qiáng)化的工藝，已經(jīng)有大量的二次強(qiáng)化相添加進(jìn)去并得到應(yīng)用。如果將這些也給予介紹的話，那本論文就太長了。此外，我們在本文中主要討論化學(xué)成分均勻的材料，這就意味著我們并不會涉及功能梯度材料或者多材料的增材制造。需要注意的是功能梯度材料同焊接中的異種材料的連接相比，其內(nèi)含的道理是相似的。這一領(lǐng)域雖然在焊接的時候經(jīng)過了多年的研究，但在增材制造領(lǐng)域，還存在一定的挑戰(zhàn)。

圖4 （a）（b）熔池邊界和柱狀晶在Y-Z方向的組織；（c）（d）EBSD反極圖（Z方向）（材料為316L）

總的來說，鋼作為一種工程材料，主要應(yīng)用于有下述需要的應(yīng)用場合：
1.苛刻環(huán)境中要求耐腐蝕、耐磨和硬度的場合；
2.需要物美價廉的場合；
3.無與倫比的顯微結(jié)構(gòu)，需要從超硬度的馬氏體到多相合金的場合；
4.功能性需求的場合，如鐵磁材料或柯伐合金。

為了滿足上述苛刻環(huán)境對耐久性的需求，不銹鋼是一個教佳的選擇。因此，這類合金尤其是316L合金，得到了廣泛的應(yīng)用。且多用于中等溫度的腐蝕環(huán)境的條件下。要求耐蝕性又有較高機(jī)械性能和硬度的服役場合，馬氏體析出強(qiáng)化不銹鋼則比較合適，如17-4PH鋼、15-5PH鋼。這一類型的合金多用于海洋工程、電力和擠壓模具工業(yè)中。

圖5 LPBF制造的316L奧氏體不銹鋼同傳統(tǒng)制造工藝得到的316L的拉伸強(qiáng)度的對比圖

在工具和壓鑄工業(yè)中需要拉伸強(qiáng)度高、硬度高、耐磨損的材料，滿足這一要求的模具鋼應(yīng)運而生。AM對這一類型的合金應(yīng)用的最大優(yōu)勢就是可以制造光滑的靠近外表面的復(fù)雜的內(nèi)冷卻通道。如在擠壓模具工業(yè)中應(yīng)用時，可以使得熱迅速的消散，從而提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和模具的使用壽命。傳統(tǒng)工業(yè)制造的模具鋼由于碳含量較高，容易出現(xiàn)裂紋而不易制造。因此，模具鋼的增材制造就急需不含碳的馬氏體時效硬化鋼，尤其是18Ni-300這一類型的鋼。

不銹鋼適當(dāng)?shù)膬r格和易于加工的優(yōu)點，使得奧氏體不銹鋼成為增材制造不銹鋼中的優(yōu)先材料。

在以上剛的主要分類中，增材制造中還涉及到其他合金，如馬氏體不銹鋼、TRIP/TWIP鋼和ODS鋼等。功能材料所用的電磁合金或柯伐合金等，如Fe-Si、Fe-Ni或Fe-Co合金等。

為了讓讀者更好的理解和掌握本文的知識，我們將鋼依據(jù)室溫時的顯微組織來進(jìn)行分類，從奧氏體不銹鋼開始、到TRIP/TWIP，這是一類從奧氏體不銹鋼到雙向鋼的轉(zhuǎn)變，這一鋼種同時含奧氏體和馬氏體兩種結(jié)構(gòu)。接著，介紹了馬氏體和析出強(qiáng)化不銹鋼。這只是一類如果采用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行生產(chǎn)制造的話，得到的是完全的馬氏體與之相似，馬氏體和碳素軸承鋼則用于時效/回火態(tài)的馬氏體。最后，對ODS合金也進(jìn)行了介紹，這一顆粒增強(qiáng)鐵素體不銹鋼。這一分類同室溫時的顯微組織相關(guān)，尤其是按照傳統(tǒng)工藝所得到的顯微組織相關(guān)。這樣讀者讀起來就非常非常清晰了。

每一章節(jié)，我們介紹了材料的顯微組織、在沉積態(tài)和熱處理狀態(tài)下的相組成以及其晶體結(jié)構(gòu)。對其靜態(tài)的機(jī)械性能也進(jìn)行了總結(jié)，同時還包括疲勞性能。在適當(dāng)?shù)臅r候，還對某些特殊的其他性能也進(jìn)行了介紹，如鐵磁材料和耐腐蝕材料。結(jié)尾處對其未來的發(fā)展也進(jìn)行了展望。

文獻(xiàn)來源：
P.Bajaj,A.Hariharan,A.Kini1P.Kürnsteiner,D.Raabe,E.A.Jägle.Steels in additive manufacturing: A review of their microstructure and properties[J].Materials Science and Engineering: A，Volume 772, 20 January 2020, 138633.

https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138633