解析：增材制造鋼的組織和性質

來源：激光天地

導讀：如今，大量的鋼制品已經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化、形貌的變化、晶體結晶的變化等。這一顯微結構的變化，反過來，需要額外的或者后熱處理和合金成分的設計來進行調整。在本綜述中，我們首先綜述了采用增材制造進行制造的不同類型的鋼以及他們的顯微組織、機械性能、腐蝕性能、熱處理以及相應地應用。合金類型包括奧氏體、雙相鋼、馬氏體、析出強化鋼、TRIP/TWIP鋼、馬氏體失效硬化鋼、碳素軸承鋼以及氧化物彌散強化鋼（ODS）。同時對前期文獻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用也做了介紹。

圖1 綜述中所涉及到的鋼的機械性能，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生產出復雜形狀的個性化產品。舉例來說，應用于個性化人體植入物的定制已經得到應用�？梢钥焖俚闹圃斐鲂螤顝碗s、滿足個性化需求的關鍵部件且可實現(xiàn)減重，或者將AM技術應用于飛機發(fā)動機關鍵高附加值部件的修復等。在這些領域中的應用，合金一般是生物相容性材料、高溫材料、輕質材料，如Ti、Ni、Al以及鎂合金等。于是，關于增材制造技術所用合金的綜述也都集中在以上材料上。除了有兩篇文獻時例外之外。很少有綜述來對鋼的增材制造來進行綜述。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計、顯微組織、性能和工藝來對鋼進行綜述，還沒有引起業(yè)界相應的關注。

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圖

在本綜述中，我們致力于將當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）對組織和性能的影響。同F(xiàn)ayazfar等人的綜述不同，我們并不詳細的介紹增材制造的工藝參數的影響。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行介紹。尤其是對于直接能量沉積，進行熔覆或者表面強化的工藝，已經有大量的二次強化相添加進去并得到應用。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，其內含的道理是相似的。這一領域雖然在焊接的時候經過了多年的研究，但在增材制造領域，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，主要應用于有下述需要的應用場合：
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.無與倫比的顯微結構，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械性能和硬度的服役場合，馬氏體析出強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的拉伸強度的對比圖

在工具和壓鑄工業(yè)中需要拉伸強度高、硬度高、耐磨損的材料，滿足這一要求的模具鋼應運而生。AM對這一類型的合金應用的最大優(yōu)勢就是可以制造光滑的靠近外表面的復雜的內冷卻通道。如在擠壓模具工業(yè)中應用時，可以使得熱迅速的消散，從而提高了產品的生產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。

不銹鋼適當的價格和易于加工的優(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，我們將鋼依據室溫時的顯微組織來進行分類，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變，這一鋼種同時含奧氏體和馬氏體兩種結構。接著，介紹了馬氏體和析出強化不銹鋼。這只是一類如果采用傳統(tǒng)工藝進行生產制造的話，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合金也進行了介紹，這一顆粒增強鐵素體不銹鋼。這一分類同室溫時的顯微組織相關，尤其是按照傳統(tǒng)工藝所得到的顯微組織相關。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構。對其靜態(tài)的機械性能也進行了總結，同時還包括疲勞性能。在適當的時候，還對某些特殊的其他性能也進行了介紹，如鐵磁材料和耐腐蝕材料。結尾處對其未來的發(fā)展也進行了展望。

文獻來源：
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