綜述：鋼鐵材料增材制造過程中的研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)-馬氏體不銹時效硬化鋼

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文主要介紹了增材制造馬氏體時效硬化鋼的顯微組織，機(jī)械性能以及熱處理方面的最新進(jìn)展。

用于AM制造的工具鋼主要有兩大類，分別稱之為無碳的馬氏體硬化鋼和含碳的馬氏體硬化鋼。對于這兩種工具鋼來說，最終的顯微組織均主要包括析出相的馬氏體。然而，在含碳馬氏體工具鋼中，在淬火過程中得到的馬氏體基材沒有析出相的時候會比較硬且脆性比較大，而退火則通過在馬氏體基材上以碳化物的形式析出含碳析出相而使得其重新獲得韌性。對于高Ni含量的馬氏體鋼，另一方面，淬火會導(dǎo)致相對軟和韌性的馬氏體結(jié)構(gòu)，這就使得其強(qiáng)度通過時效析出金屬間化合物相的析出相而獲得強(qiáng)度。由于AM制造工藝過程中的冷卻速率典型的屬于比較快的特點(diǎn)，馬氏體的形成在以上兩種類型的鋼鐵中進(jìn)行AM制造的時候均會形成。因此，具有韌性的馬氏體結(jié)構(gòu)的馬氏體鋼非常容易進(jìn)行AM制造，而含碳的工具鋼具有脆性的馬氏體結(jié)構(gòu)則由于在AM制造過程中的熱應(yīng)力的存在導(dǎo)致其具有生成裂紋的傾向。一定數(shù)量的關(guān)于含碳的軸承鋼的文獻(xiàn)主要集中在找到優(yōu)化的工藝參數(shù)來獲得無裂紋的，致密的樣品的制備上。與之相反，大多數(shù)關(guān)于馬氏體工具鋼的研究則主要針對優(yōu)化顯微組織，機(jī)械性能和后熱處理上。

1. 馬氏體時效硬化鋼（Maraging steels）

1.1. 馬氏體時效硬化鋼的沉積態(tài)的顯微組織
對于馬氏體時效硬化鋼來說，廣泛應(yīng)用于AM制造的合金類型主要是18Ni-300 (1.2709, X3NiCoMoTi 18-9-5)。而其他類型的應(yīng)用AM進(jìn)行制造的馬氏體時效硬化鋼在文獻(xiàn)中則比較少，主要有：18Ni-250 (1.6359 (~1.2706), X2NiCoMo18-8-5), 14Ni-200 以及Fe–Ni–Al 類型的馬氏體時效硬化鋼等。在余下的文字中，我們主要聚焦在18Ni-300這一類型的馬氏體時效硬化鋼上。

無裂紋的且相對密度大于99%的馬氏體時效硬化鋼可以通過AM技術(shù)來制造。同傳統(tǒng)變形工藝制造的馬氏體時效硬化鋼幾乎完全是馬氏體相相比較，AM制造的馬氏體時效硬化鋼則呈現(xiàn)出顯著不同的顯微組織。SLM類型的AM制造的主要呈現(xiàn)出胞狀/枝晶的凝固顯微組織，如下圖1所示，而DED工藝制造的則也差不多是如此的，其中SLM工藝得到的胞晶尺寸大約為 0.3–2 μm，而DED工藝得到的胞晶尺寸大約為 5μm。先生成的奧氏體晶粒在DED工藝進(jìn)行制造的時候，當(dāng)晶粒直徑大到1mm的時候是相對比較粗大的。在這一凝固組織中，馬氏體相變就會發(fā)生。得到的顯微結(jié)構(gòu)看起來同傳統(tǒng)的制造工藝顯著不同：當(dāng)他們經(jīng)常被殘余的奧氏體沿著晶粒邊界限制的時候，塊狀的馬氏體板條主要在單個凝固胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)，殘余奧氏體是枝晶間由于凝固造成的微觀上的偏離造成的合金元素的富集形成的，見圖2。富集的Ni穩(wěn)定化奧氏體至室溫。因此，AM制造的馬氏體時效硬化鋼包含一定數(shù)量的奧氏體 (6–11%, 取決于工藝過程的狀態(tài))

圖1. SLM制造的18Ni-300馬氏體時效硬化鋼的胞狀/枝晶凝固組織的SEM圖

圖2. DED制造18Ni-300 馬氏體時效硬化鋼的EBSD圖及其相應(yīng)的EDS元素

成分在枝晶區(qū)域富集的合金元素穩(wěn)定化

1.2.沉積態(tài)的織構(gòu)
殘余奧氏體晶粒呈現(xiàn)出一種纖維的織構(gòu)，其結(jié)晶學(xué)<001>方向平行于制造的方向。同在其他鋼鐵中一樣，這是歸因于在凝固過程中沿著最大熱溫度梯度方向擇優(yōu)生長造成的。同在奧氏體不銹鋼中不一樣的是，在馬氏體時效硬化鋼中的固態(tài)馬氏體相變導(dǎo)致其織構(gòu)的顯著的弱化，這是因?yàn)閵W氏體晶粒的方向?qū)е铝艘欢ǔ潭鹊鸟R氏體的變化和由此造成了結(jié)晶學(xué)方向的變化。圖3為幾乎為隨機(jī)的晶粒方向在沒有特定的織構(gòu)特征時，要么是EBSD的圖像或要么為相應(yīng)的極圖的結(jié)果。

圖3. SLM制造 8Ni-300 馬氏體時效硬化鋼的EBSD分析結(jié)果（樣品的垂直截面）

1.3. 馬氏體時效硬化鋼的熱處理

在通常的時效溫度 (490–530 °C)進(jìn)行時效處理時，胞狀的顯微組織會被殘余而留存下來。在較高的時效溫度下，如 600 °C，大量的奧氏體回復(fù)現(xiàn)象會發(fā)生。胞狀的顯微組織在經(jīng)歷固溶處理（通常處理溫度在 815 到840 °C之間，此時的鋼鐵材料為完全奧氏體）會完全消失，在淬火時并被完全馬氏體所取代。同沉積態(tài)的合金相比較，這就導(dǎo)致硬度下降和強(qiáng)度降低。

如前面所提到的，在時效熱處理過程中由于金屬間化合物析出相造成的馬氏體組織的硬化，造成馬氏體時效硬化鋼所具有的優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性的組合。在SLM制造得到的沉積態(tài)，沒有析出相或小的原子簇在18Ni-300中被觀察到，表明冷卻速率足夠高以至于可以抑制析出相的析出。然而，在DED制造的產(chǎn)品中，發(fā)現(xiàn)有早期的析出相的跡象存在，伴隨著硬度的提高。這一現(xiàn)象是在沉積過程中不斷重復(fù)加熱的結(jié)果，這是一種稱之為內(nèi)在熱處理的過程。一個簡單的Fe–Ni–Al三元馬氏體時效硬化鋼，特殊設(shè)計用來在DED過程中由于內(nèi)在熱處理造成析出的合金，在AM制造之后，沒有經(jīng)歷額外的熱處理過程，呈現(xiàn)出較高數(shù)量的金屬間NiAl析出相。

AM制造后在時效熱處理SLM制造的馬氏體時效硬化鋼中的析出順序同傳統(tǒng)工藝制造的馬氏體時效硬化鋼幾乎相當(dāng)：首先是球形的 Ni3X 析出相 (η-相) 隨著X（X=Ti, Al, Mo ）的含量變化而形成，隨后是Fe7Mo6 (μ-相) 的析出，見圖4。

圖4

▲圖解：在SLM制造18Ni-300 馬氏體時效硬化鋼，經(jīng)歷時效熱處理510 °C@ 2h之后，不同類型的析出相 (Ni3Ti (η 相) and Fe7Mo6 (μ相))的原子探針層析重建圖像

1.4. 馬氏體時效硬化鋼的拉伸強(qiáng)度

總的來說，AM制造的馬氏體時效硬化鋼的機(jī)械性能同傳統(tǒng)工藝的機(jī)械性能幾乎相當(dāng)，但并不完全一樣。SLM工藝制造的材料，在沒有進(jìn)行時效處理時，盡管SLM工藝得到的顯微組織變得細(xì)小，其拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度等于或者稍微高于傳統(tǒng)工藝制造的同成分的材料。在經(jīng)歷時效熱處理（均經(jīng)過或者不經(jīng)歷固溶處理），其顯微硬度得到顯著提升（如從381 提升到 645 HV)），其拉伸強(qiáng)度也得到了提升，伴隨著韌性略有下降。

同析出相一起，在時效后，在殘余奧氏體周圍的胞晶邊界可以觀察到奧氏體回復(fù)。在傳統(tǒng)工藝制造的馬氏體時效硬化鋼，沒有奧氏體，既沒有殘余奧氏體也沒有回復(fù)奧氏體被觀察到，這是同AM制造的產(chǎn)品在時效狀態(tài)下相比較，傳統(tǒng)工藝制造的產(chǎn)品具有較高的硬度的原因。在時效熱處理后，同傳統(tǒng)工藝制造的產(chǎn)品相比較，SLM制造的產(chǎn)品其韌性顯著的降低并且比傳統(tǒng)工藝的要低。Tan等人研究發(fā)現(xiàn)其機(jī)械性能具有各向同性。

有研究人員得出結(jié)論認(rèn)為，SLM制造的樣品經(jīng)歷固溶處理是沒有必要的，結(jié)果是AM制造的產(chǎn)品的沉積態(tài)可以直接進(jìn)行時效。如圖5所示，為樣品在時效前后的拉伸強(qiáng)度的對比圖。他們發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體并不會對斷裂起到重要的作用，同金屬間析出相的強(qiáng)化效應(yīng)相比較，回復(fù)奧氏體則起到非常小的作用。與之相反，Tan等人認(rèn)為在經(jīng)歷固溶和時效處理后，斷裂機(jī)制比直接時效要明顯，由此建議固溶處理應(yīng)該執(zhí)行。

圖5 SLM制造的18Ni-300馬氏體時效硬化鋼在時效處理前后的拉伸缺陷，時效處理?xiàng)l件為460 °C @8h

▲圖解：時效處理?xiàng)l件為460 °C @8h，SLM制造的18Ni-300馬氏體時效硬化鋼在時效處理前后的拉伸缺陷

1.5. 馬氏體時效硬化鋼的疲勞型性能

Croccolo 等人發(fā)現(xiàn)靜拉伸載荷作用下的疲勞極限為600MPa，其疲勞性能是各向異性，同傳統(tǒng)工藝制造的馬氏體時效硬化鋼幾乎相一致。Becker等人則發(fā)現(xiàn)時效材料的峰值疲勞裂紋速率生長為各向異性，等同于傳統(tǒng)工藝制造的材料。各向異性是由于材料的馬氏體相變的結(jié)果造成的弱的織構(gòu)而形成的。盡管AM工藝可以得到無缺陷的樣品，韌性和斷裂行為仍然強(qiáng)烈的受到材料中存在的任何缺陷性能的影響，即缺陷的方向，形貌和排列等。

未完待續(xù)

文章來源：Steels in additive manufacturing: A review of their microstructure and properties，Materials Science and Engineering: A，Volume 772, 20 January 2020, 138633，https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138633