頂刊《Acta Mater》3D打印出迄今為止最高強度1.4GPa超高強度鋼

導(dǎo)讀：材料學(xué)頂刊《Acta Materialia》近日報道，美國 Texas A&M大學(xué)研究人員采用激光選擇性熔化（SLM）打印出迄今為止最高強度超高強度鋼，強度達(dá)到1.4GPa的馬氏體不銹鋼，韌性達(dá)到11%。如下激光天地帶大家一探究竟。

論文首頁截圖

馬氏體不銹鋼由于具有超高的屈服強度和合理的韌性而重新在汽車、航空航天、國防等領(lǐng)域得到高度重視。最新研制的低合金高強度馬氏體不銹鋼AF9628，其強度可以達(dá)到1.5GPa，其韌性可以達(dá)到10%。這主要是因為ε-碳化物強化相形成的原因。在致力于制造高強度部件且尺寸精度控制精準(zhǔn)的過程中，本文報道了選擇性激光熔化（SLM）工藝參數(shù)對制造這一新型高強不銹鋼組織和性能的影響。采用優(yōu)化的工藝框架圖來確定制備無氣孔缺陷的部件。這一工藝框架圖采用并不費錢的Eager-Tsai模型來校準(zhǔn)單道熔覆的實驗結(jié)果，從而預(yù)測熔池形狀。建立的熔池準(zhǔn)則用來確定掃描時可允許的最大間距，從而用來避免熔池不充分形成氣孔。采用這一工藝框架圖，可以在較寬的工藝參數(shù)范圍內(nèi)獲得完全致密的樣品。打印的AF9628樣品，其抗拉強度可以達(dá)到1.4GPa，是目前為止公開報道的強度最高的3D打印金屬樣品。其延伸率可以達(dá)到11%。本文所顯示的較靈活的參數(shù)選擇，均可以保證樣品的致密度。為制造局部區(qū)域晶粒細(xì)化的樣品和為提高3D打印樣品機械性能提供了一個新的思路。這一優(yōu)化的工藝框架圖可以為成功打印新材料起到加速的作用。

論文的Graphic Abstract

鋪粉激光選擇性熔化（SLM）是一種可以制造復(fù)雜形狀金屬部件的高新技術(shù)。SLM為精準(zhǔn)控制工藝參數(shù)來獲取組織和性能的部件提供了一個很好的途徑。這一技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用于大多數(shù)合金的打印，如Ti6Al4V、鎳基合金、Al-Si-Mg合金、奧氏體不銹鋼等。

最近，人們將目光投向于研究SLM成型馬氏體合金上。Dilop等人使用SLM制備出完全致密的高強度低合金HY100合金。他們報道了在打印樣品中獲得了全部的馬氏體結(jié)構(gòu)。在顯微組織中含交替的回火和非回火馬氏體。對沉積態(tài)度來說，拉伸強度和屈服強度同傳統(tǒng)工藝制造的同等合金幾乎相當(dāng)。Jelis等人采用SLM技術(shù)制備了AISI4340合金，并研究了部件在基板上的位置同機械性能之間的關(guān)系進行了研究。同時對顯微組織和機械性能之間的各向異性也進行了研究。他們的研究中獲得了細(xì)小的晶粒組織。他們還報道了在屈服強度和拉伸強度稍低時，材料的延伸率可以實現(xiàn)比變形的AISI4340合金還好的情形。這這一現(xiàn)象的物理解釋就導(dǎo)致了人們對獲得無氣孔缺陷和特定機械性能的制品打印的興趣。而且，小的參數(shù)變化有可能帶來完全不同的部件性能和一定程度的氣孔。目前對在何種區(qū)域范圍內(nèi)會獲得無缺陷的打印制品并不清晰。

圖1 綜合數(shù)值模擬、實驗來制造無氣孔缺陷的工藝流程圖

前面所提到的工作同樣報道了后熱處理以獲得期望的機械性能。然而，已有相當(dāng)一部分研究報道了通過采用優(yōu)化工藝參數(shù)的辦法來提高打印制品的機械性能，而不是通過熱處理來改善的。報道中的機械性能存在差別也主要是部件的致密度存在差別。另外一方面，也有許多研究工作是關(guān)于SLM部件顯微組織差別的原因研究。目前對馬氏體不銹鋼打印時的工藝參數(shù)和顯微組織與機械性能之間的關(guān)系并不清楚。為了研究工藝參數(shù)對獲得致密樣品的所有工藝參數(shù)范圍都能給予確定，換言之，需要建立可以獲得無缺陷樣品的工藝參數(shù)圖。

圖2 工藝參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)圖

對工藝參數(shù)進行優(yōu)化以制備出無氣孔缺陷的樣品，常采用的辦法就是在較寬的范圍內(nèi)不斷改變工藝參數(shù)進行實驗來獲得，這一方法雖然效果是可信可靠的，但卻相當(dāng)費時和費錢。目前已經(jīng)有好幾種模型用于熔池尺寸的預(yù)測，這些模型對就減少實驗步驟以獲得有效的實驗參數(shù)有一定的幫助。這些模型采用的是基于大量的且費時較大的計算來完成的。然而，關(guān)于如何將熔池尺寸的預(yù)測同無氣孔缺陷的制備建立起來的研究還很少見。有研究指出可以通過優(yōu)化熔池尺寸的辦法是來對掃描間距進行優(yōu)化。這一辦法依然需要大量的實驗來確定最優(yōu)值。而且還不能將氣孔形成機制如球化或匙孔效應(yīng)關(guān)聯(lián)起來。建立一種模型來獲得無氣孔缺陷的制品的工藝框架圖就顯得非常有必要了。

圖3 不同參數(shù)下打印AF9628合金超高強度馬氏體鋼的橫截面金相組織

Abrahams等人研究了一種價格低廉、低合金的超高強度馬氏體不銹鋼，代號AF9628。該合金充分發(fā)揮了超高強度鋼中ε-碳化物強化相析出的優(yōu)點。該合金的拉伸強度可以超過1.5GPa，延伸率約10%。經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕M織細(xì)化，強度甚至還可以超過2.0GPa。由于該合金制造容易而且合金元素價格比較低廉，AF9628一問世就受到工業(yè)界的青睞。同時人們正在研究如何利用該合金制造復(fù)雜形狀的部件。然而，目前尚未見有報道增材制造AF9628合金工藝-顯微組織-性能之間關(guān)系的公開報道。這一關(guān)系的系統(tǒng)研究對獲得這一新型馬氏體材料的增材制造參數(shù)對顯微組織演化和機械性能之間的關(guān)系非常有用。

圖4 美國空軍研究基地對AF9628 打印樣品進行了氣孔、機械強度和沖擊韌性等研究，顯示器機械性能非常好（文獻(xiàn)1）

本文報道了采用Eagar-Tsai分析模型進行熔池預(yù)測，結(jié)合單道實驗和掃描間距實驗，來對SLM AF9628進行參數(shù)變化的研究。最終是獲得致密化的AF9628樣品。對得到的樣品進行了顯微組織和機械性能的表征，從而確定SLM AF9628的可行性。同時研究工藝參數(shù)對機械性能的重要性。數(shù)值模擬和實驗方案見圖1。

圖5 美國空軍研究基地對打印的AF9628部件進行熱分析（文獻(xiàn)1）

據(jù)激光天地了解，AF-9628由AFRL的Rachel Abrahams博士開發(fā)，是一種具有高強度和韌性的鋼合金。在最初的開發(fā)中，AF-9628被用來制造具有所需爆炸輪廓的掩體炸彈。與HP-9-4-20(一種用于Massive Ordnance Penetrator武器系統(tǒng)的鋼)相比，AF-9628是獨一無二的，因為它不含鎢。 盡管AF-9628的配方比傳統(tǒng)彈藥中使用的普通牌號貴，但其成本卻低于其他高性能鋼合金，包括Eglin Steel和HP-9-4-20。對于這些吸引人的特性，特別是其高強度，研究實驗室確定AF-9628是增材制造的最佳材料。

參考文獻(xiàn)：

1.http://www.toolingandproduction. ... itor&lk=1&sr=R&tp=Y。"Rachel's Steel:" High-Strength, Low-Cost Alloy for 3D Printing，

原文來源：An ultra-high strength martensitic steel fabricated using selective laser melting additive manufacturing: Densification, microstructure, and mechanical properties[J]，Acta Materialia，Volume 186, March 2020, Pages 199-214。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.12.037