技術(shù)突破：3D打印高強度無缺陷馬氏體鋼，達1.4 GPa拉伸強度

來源：中國先進技術(shù)制造

高強度3D打印馬氏體鋼技術(shù)取得突破！這項技術(shù)是美國德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)工程學(xué)院與美國空軍研究實驗室科學(xué)家合作的結(jié)果，可能會在航空航天、汽車和國防工業(yè)中得到應(yīng)用。

用于3D打印的馬氏體鋼粉。插圖顯示了鋼粉的放大視圖。

幾千年來，冶金學(xué)家一直在精心調(diào)整鋼的成分以增強其性能。直到今天，有一種叫做馬氏體鋼的產(chǎn)品在其鋼鐵類別中脫穎而出，因為它的強度更高且更具成本效益。
馬氏體鋼非常適用于航空航天，汽車和國防工業(yè)等需要制造高強度、輕質(zhì)零件而又不增加成本的應(yīng)用。但是，對于這些和其他應(yīng)用，必須將金屬構(gòu)建為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時將強度和耐用性損失降至最低。得克薩斯州A＆M大學(xué)的研究人員與空軍研究實驗室的科學(xué)家合作，現(xiàn)已探索出工藝，可以將馬氏體鋼3D打印到幾乎任何形狀的非常堅固、無缺陷的零件。

一種低合金馬氏體鋼，AF9628，由于形成了ε-碳化物相，其強度大于1.5 GPa，拉伸延展性超過10％。使用研究選擇性激光熔化（SLM）對這種新型鋼的組織和力學(xué)性能的影響。介紹了一種用于確定無孔零件制造過程參數(shù)的優(yōu)化工藝。該工藝?yán)�用了計算成本低廉的Eagar-Tsai模型，并通過單軌實驗對其進行了校準(zhǔn)，預(yù)測熔池的幾何形狀。為了避免在打印部件中產(chǎn)生由熔合引起的孔隙率，還開發(fā)了一種用于確定最大允許艙口間距的幾何標(biāo)準(zhǔn)。使用該工藝，可以在各種工藝參數(shù)上成功制造出全密度樣品，從而可以構(gòu)建AF9628的SLM工藝圖。打印后的樣品顯示出高達1.4 GPa的拉伸強度，這是迄今為止任何3D打印合金中報道的最高強度，伸長率高達11％。在保持全密度的同時，在工藝參數(shù)選擇方面表現(xiàn)出的靈活性也為局部微結(jié)構(gòu)改進和參數(shù)優(yōu)化提供了可能性，以改善打印零件的機械性能。

雪佛龍一世教授兼材料部負(fù)責(zé)人易卜拉欣·卡拉曼說：“強韌鋼具有廣泛的應(yīng)用，但最堅固的鋼通常很昂貴，其中一個例外是相對便宜的馬氏體鋼，每磅成本不到一美元�！� “我們已經(jīng)開發(fā)出一種工藝，以便可以將這些硬鋼進行3D打印成任何所需的幾何形狀，并且最終的物體幾乎沒有缺陷�！�

盡管最初開發(fā)的工藝是針對馬氏體鋼的，但得克薩斯州A＆M的研究人員表示，他們已將技術(shù)變得足夠通用，因此同一3D打印管道也可以用于由其他金屬和合金建造復(fù)雜的物體。這項研究的結(jié)果發(fā)表在 2019年 12月的“ Acta Materialia ”雜志上 ，題目是“An ultra-high strength martensitic steel fabricated using selective laser melting additive manufacturing: Densification, microstructure, and mechanical properties”

鋼由鐵和少量其他元素（包括碳）制成。當(dāng)將鋼加熱到極高的溫度然后迅速冷卻時，就會形成馬氏體鋼。突然的冷卻自然地將碳原子限制在鐵晶體中，使馬氏體鋼具有其標(biāo)志性的強度。

為了具有多種用途，需要根據(jù)特定應(yīng)用將馬氏體鋼，特別是稱為低合金馬氏體鋼的類型組裝成具有不同形狀和尺寸的物體。那時，增材制造（通常稱為3D打�。┨峁┝藢嵱玫慕鉀Q方案。使用這項技術(shù)，可以通過使用高能激光束按照圖案將單層金屬粉末加熱并熔化，從而逐層構(gòu)建復(fù)雜的零件。連接并堆疊的所有這些層打印出最終的3D打印對象。

但是，使用激光的3D打印馬氏體鋼會產(chǎn)生材料內(nèi)的孔隙形式的缺陷。

卡拉曼說：“孔隙是微小的孔，即使3D打印所用的原材料非常堅固，它們也可以大大降低最終3D打印對象的強度。” “要找到新型馬氏體鋼的實際應(yīng)用，我們需要回到基礎(chǔ)源頭上，研究哪種激光設(shè)置可以防止這些缺陷。”

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

對于他們的實驗，Karaman和Texas A＆M團隊首先選擇了一個受焊接啟發(fā)的現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型，以預(yù)測在不同的激光速度和功率設(shè)置下，單層馬氏體鋼粉將如何熔化。通過將他們在單條熔融粉末中觀察到的缺陷的類型和數(shù)量與模型的預(yù)測值進行比較，他們可以略微更改其現(xiàn)有參數(shù)，從而改善后續(xù)的預(yù)測。

經(jīng)過幾次這樣的迭代之后，如果一組未經(jīng)測試的新激光設(shè)置會導(dǎo)致馬氏體鋼中的缺陷，那么它們的工藝就可以正確預(yù)測，而無需進行其他實驗。研究人員表示，這樣會更省時。

美國空軍研究基地對打印的AF9628部件進行熱分析

“測試激光設(shè)置的整個范圍以評估哪些設(shè)置可能導(dǎo)致缺陷是非常耗時的，有時甚至是不切實際的，” 工程學(xué)院的研究生，該研究的主要作者Raiyan Seede說。。“通過結(jié)合實驗和建模，我們能夠開發(fā)出一種簡單，快速，循序漸進的程序，可用于確定哪種設(shè)置最適合馬氏體鋼的3D打印。”

Seede還指出，盡管制定了指導(dǎo)方案以確�？梢源蛴〔蛔冃蔚鸟R氏體鋼，但其工藝可以用于與任何其他金屬一起打印。他說，這種擴展的應(yīng)用是因為它們的框架可以適應(yīng)任何給定金屬的單軌實驗觀察結(jié)果。

卡拉曼說：“盡管我們從專注于馬氏體鋼的3D打印開始，但此后我們創(chuàng)建了一個更通用的打印方案。” “此外，我們的指南簡化了3D打印金屬的工藝，使最終產(chǎn)品沒有氣孔，這對于所有類型的金屬增材制造行業(yè)來說都是一項重要的發(fā)展，無論是螺絲一樣簡單的零件，還是到起落架、變速箱等更復(fù)雜的零件或渦輪機�！�
這項研究的其他貢獻者包括材料科學(xué)與工程系的Austin Whitt和RaymundoArróyave。工業(yè)和系統(tǒng)工程系的 David Shoukr，Bing Zhang和Alaa Elwany ；佛羅里達空軍研究實驗室的Sean Gibbons和Philip Flater。這項研究由陸軍研究辦公室和空軍研究實驗室資助。