頂刊長篇綜述《IMR》IF=19.56：鋼的激光增材制造！

來源：材料科學(xué)與工程

近日，國際材料領(lǐng)域頂級綜述期刊《International Materials Reviews》在線發(fā)表了澳大利亞昆士蘭大學(xué)張明星教授（通訊作者，H-index=57）團(tuán)隊的長篇綜述“Laser additive manufacutring of steels”。昆士蘭大學(xué)的博士后尹宇和譚啟玚為該論文的共同第一作者。

本文系統(tǒng)的概述了高性能鋼的激光增材制造 (LAM) 研究現(xiàn)狀。以典型高性能鋼種為例，重點討論了LAM工藝、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間的內(nèi)在關(guān)系；提出了當(dāng)前鋼材LAM中的各類問題；概括了用于進(jìn)一步提高LAM鋼材性能的相關(guān)技術(shù)；最后指出了鋼材 LAM 所面臨的挑戰(zhàn)和前景。

論文鏈接：https://doi.org/10.1080/09506608.2021.1983351

【內(nèi)容梗概】

目前，基于激光的增材制造技術(shù) (LAM) 能夠用于制造復(fù)雜形狀的部件、修復(fù)損壞的零件以及航空、汽車、電子和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)的快速加工。LAM技術(shù)經(jīng)歷了 30 多年的發(fā)展已經(jīng)能夠用于制造各類金屬部件。目前最常見的 LAM 合金有鋼鐵材料、鈦合金、鎳合金、銅合金和鋁合金 。作為各工業(yè)部門中使用最廣泛的金屬材料，鋼鐵材料具備較大的工業(yè)應(yīng)用潛力，在LAM領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。與傳統(tǒng)的制造方法相比，LAM 的特殊性包括原料與激光束的相互作用、快速冷卻、逐層堆積和多次熱循環(huán)，因此產(chǎn)生了獨特的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，同時可實現(xiàn)具有復(fù)雜幾何形狀部件的近凈成形。為充分發(fā)揮金屬增材制造的優(yōu)勢，目前對鋼鐵 LAM 的研究側(cè)重于那些具有優(yōu)異或特殊性能的材料，如高強(qiáng)度和韌性、高硬度/耐磨性、高耐腐蝕性和高焊接性。LAM 領(lǐng)域的研究最廣泛的鋼種包括不銹鋼（例如奧氏體 316 鋼、17-4 PH 鋼等）、馬氏體時效鋼（例如 18Ni-300）和工具鋼（例如 H13 和 M2）等。值得注意的是，大部分LAM鋼鐵產(chǎn)品仍處于研究的早期階段。與鑄造和鍛造等傳統(tǒng)制造工藝相比，由于復(fù)雜的冶金因素，LAM生產(chǎn)的鋼的微觀結(jié)構(gòu)和綜合性能更難以控制。因此，對鋼材的 LAM研究進(jìn)展進(jìn)行全面的總結(jié)分析具有重要的理論和實踐意義。

本文首先簡述了兩種典型LAM（L-PBF和L-DED）的特點，討論了不同 LAM 工藝參數(shù)對鋼部件的尺寸精度、缺陷、殘余應(yīng)力、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響。并以典型的奧氏體鋼、鐵素體鋼、雙相鋼和馬氏體鋼等為例，重點討論了LAM工藝、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間的內(nèi)在關(guān)系。指出了當(dāng)前鋼材LAM中的問題，如缺陷、殘余應(yīng)力、性能波動以及各向異性等。概括了用于進(jìn)一步增強(qiáng)LAM鋼材性能的相關(guān)技術(shù)，包括預(yù)處理，混合增材制造和后處理技術(shù)。最后，文章提出了鋼材 LAM 所面臨的持續(xù)挑戰(zhàn)和前景。

文章指出目前兩種典型的 LAM 系統(tǒng)（L-PBF和L-DED）均可以制造致密的鋼部件。與傳統(tǒng)工藝制造的部件相比， LAM 過程中的復(fù)雜熱歷史（高熱梯度、快速冷卻速率、重復(fù)熱循環(huán)）導(dǎo)致鋼中的形成異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)（細(xì)晶，胞狀結(jié)構(gòu)、微尺度偏析、高密度的位錯、納米級氧化物等）。因此，盡管 LAM 生產(chǎn)的大多數(shù)鋼都可以達(dá)到高強(qiáng)度（有些甚至比鍛造鋼更高），但 LAM 生產(chǎn)的鋼部件的低延展性和抗疲勞性仍然是一個持續(xù)存在的問題。這歸因于零件中的缺陷（氣孔和裂紋）和高殘余應(yīng)力。馬氏體鋼的脆性尤其顯著，如馬氏體不銹鋼和工具鋼，表明它們的打印性較低。此外，與其他金屬的增材制造一樣，鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量密切依賴于 LAM 加工參數(shù)。因此，優(yōu)化 LAM 處理參數(shù)仍然是必不可少的。此外，沿構(gòu)建方向的柱狀晶粒通常會導(dǎo)致性能各向異性，特別是在奧氏體、沉淀硬化和雙相不銹鋼中。

LAM鋼部件的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能在很大程度上取決于加工參數(shù)。LAM 過程中的多數(shù)變量及其相互作用會顯著影響冶金過程和熱歷史（例如能量密度、冷卻速率、熱梯度）。特定鋼的凝固和固態(tài)相變可以通過調(diào)整 LAM 加工參數(shù)（例如 DSS 和 PH SS 中的相變，馬氏體時效鋼中的原位析出）來改變。因此，加工參數(shù)的多種組合導(dǎo)致熔池幾何形狀、微觀結(jié)構(gòu)（缺陷、相成分、晶粒形態(tài)、織構(gòu)等）的可變性，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能的分散性。因此，優(yōu)化 LAM 處理參數(shù)仍然是必不可少的。另一方面，這也可能為鋼鐵產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)控制提供一種簡單可行的策略，以實現(xiàn)其定制化的性能。此外，另外一些鋼，如奧氏體和鐵素體不銹鋼，特別適合 LAM，因其可以產(chǎn)生獨特的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能。然而，一些鋼，如大多數(shù)馬氏體鋼，尤其是 M2 工具鋼，仍然面臨 LAM 的挑戰(zhàn)。

此外，目前提出的用于增強(qiáng)LAM部件質(zhì)量和性能的工藝（包括預(yù)熱、混合工藝和后處理工藝）被證實是有效的，盡管每種技術(shù)都有其局限性。例如，一些混合 LAM 方法（例如在 LAM 過程中進(jìn)行機(jī)械加工和重熔）不可避免地會增加制造時間，有些可能會顯著降低強(qiáng)度，例如 HIP。有些可能會導(dǎo)致樣品在加工過程中被污染，例如噴丸強(qiáng)化和激光強(qiáng)化。因此，建議選擇適當(dāng)?shù)墓に噥硖岣吡慵�的質(zhì)量，以滿足應(yīng)用和性能要求。

基于上述內(nèi)容，作者提出了一些可能值得未來研究關(guān)注的主題。

(1) 提高不同鋼種的可打印性：目前，只有少數(shù)商用鋼可以使用 LAM 工藝制造。但是，它們的可打印性不同。馬氏體鋼（例如 M2 工具鋼、馬氏體 SS）通常對應(yīng)于低可打印性，而奧氏體鋼則更具可打印性。為了拓寬LAM在鋼材上的應(yīng)用，有必要研究和了解控制鋼材打印性的因素，并開發(fā)提高其打印性的技術(shù)�？梢钥紤]廣泛應(yīng)用的微合金化方法或孕育處理，其中一些嘗試已經(jīng)有所報道（例如 420 馬氏體不銹鋼的原位微合金化 ）。值得注意的，通過少量添加或原位形成異質(zhì)形核顆粒，可以在凝固過程中細(xì)化晶粒，這幾乎不會改變商業(yè)合金的成分。
(2) LAM專用新型鋼種的開發(fā)：除了現(xiàn)有的商業(yè)鋼種，結(jié)合LAM工藝特點設(shè)計開發(fā)LAM專用新鋼材可能會在該領(lǐng)域取得突破。例如，熱循環(huán)引起的原位熱處理不足以在 馬氏體時效鋼的LAM 過程產(chǎn)生足夠的沉淀物，導(dǎo)致強(qiáng)度低，YS 通常低于 1 GPa。然而，通過增加馬氏體時效鋼 (如Fe-19Ni-xAl)中的 Al 含量，在 LAM 過程中誘導(dǎo)產(chǎn)生了大量納米沉淀。在為 LAM定制的 Fe19Ni5Ti 鋼中也報道了類似的策略，其中使用原位沉淀強(qiáng)化和局部微觀結(jié)構(gòu)控制打印出交替的軟硬層異質(zhì)結(jié)構(gòu)部件。此外，目前由 LAM 生產(chǎn)的鐵素體不銹鋼由于其精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)異的機(jī)械性能，這可能為我們提供一種策略來開發(fā)具有高機(jī)械性能的新型鋼材。
(3) 復(fù)雜幾何形狀LAM鋼構(gòu)件的工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系：目前，大部分已發(fā)表的工作是基于從具有簡單形狀的特殊試樣中獲得的實驗室實驗數(shù)據(jù)。此類樣品的工藝、微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系已得到很好的理解。然而，將這種關(guān)系直接應(yīng)用于具有復(fù)雜形狀的實際工程部件仍然具有挑戰(zhàn)性。如文中所述，由 LAM 生產(chǎn)的部件的微觀結(jié)構(gòu)和性能也依賴于部件的尺寸和幾何形狀。由于相關(guān)的文獻(xiàn)或數(shù)據(jù)庫較少，因此值得對此進(jìn)行更多研究，以加速鋼鐵 LAM的工業(yè)應(yīng)用。

【圖文導(dǎo)讀】

圖 1 (a) 已發(fā)表的有關(guān)各類鋼的 LAM 的論文數(shù)目；(b) 不同類別鋼的 LAM 研究工作的百分比。數(shù)據(jù)來自 2020 年 4 月之前發(fā)表的論文。

圖2 L-PBF (a) 和 L-DED (b)示意圖。

圖 4 LAM 過程中的主要加工參數(shù)/變量及其類別/范圍

圖 6 加工參數(shù)對 L-PBF 和 L-DED 制備的鋼樣品孔隙率的影響：(a) 激光功率；(b) 粉末進(jìn)給率；(c) 掃描間隔；(d) 層厚和激光功率；(e) 掃描速度和層厚；(f) 掃描速度

圖7 不同加工參數(shù)下L-PBF打印的316L不銹鋼的SEM形貌：(a)掃描速度；(b) 激光功率；(c-e) 氧氣水平；(f-h) 層厚；(i-k) 掃描間距

圖8 不同加工參數(shù)下L-DED構(gòu)建的316L不銹鋼單道掃描軌跡的SEM顯微照片：（a-d）掃描速度；(e-h) 送粉速度；(i-l) 激光能量 [94]。

圖 9 激光功率分別為 380 W (a) 和 950 W (b) 的 L-PBF 構(gòu)建的 316L 不銹鋼樣品的微觀結(jié)構(gòu) (a-f) 和拉伸性能 (g)

圖 12  LAM 中使用的四種掃描策略

圖19 L-PBF 構(gòu)建的 316L 薄壁樣品在構(gòu)建方向上的 EBSD 取向圖: 不同的厚度（a）和傾斜角（b）

圖24 EBM 構(gòu)建的 Ti-6Al-4V (a) 和 L-PBF 構(gòu)建的 316L 不銹鋼 (b) 的標(biāo)準(zhǔn)化處理圖

圖25 (a)使用不同的激光功率和激光掃描速度組合（55 J/mm3 恒定能量密度）打印的Al-12Si 樣品的相對密度；(b) 不同工藝參數(shù)下L-PBF 打印的 904L 鋼單道橫截面顯微結(jié)構(gòu)

圖 26 (a-c) L-DED 構(gòu)建和 (d-e) L-PBF 構(gòu)建的 316L 不銹鋼樣品中熔池和胞狀結(jié)構(gòu)的典型形態(tài)；(g) L-PBF 構(gòu)建的 316L 鋼樣品橫截面的 SEM 圖像；(h) 胞狀結(jié)構(gòu)的明場 TEM 圖像；(i)暗場 STEM 圖像；(j) 胞狀結(jié)構(gòu)的 TEM-EDS 圖

圖 27 L-PBF 制造的 AISI 441 鋼的微觀結(jié)構(gòu)（激光功率為 60 W，掃描速度為 120 mm/s）：（a）EBSD 取向圖，虛線表示熔體池邊界；(b) 高倍SEM顯微照片，顯示由剛玉顆粒裝飾的胞狀結(jié)構(gòu)（紅色箭頭）和Nb偏析（藍(lán)色箭頭）；(c) HAADF 顯微照片和相應(yīng)的 EDS 圖

圖 28 L-PBF 構(gòu)建的 2205 DSS 試樣的 EBSD 取向圖 (a, c) 和相圖 (b, d)（激光功率 250 W，掃描速度 850 mm/s，層厚 0.05 mm) 在 (a, b) 和 (c, d) 熱處理之前 (a, b) 和之后 (c, d) 以 1000 °C/60 分鐘進(jìn)行熱處理：相圖中鐵素體相呈紅色，奧氏體相呈藍(lán)色；TEM 圖像顯示 L-PBF 構(gòu)建的 2507 DSS 樣品（激光功率為 190 W，掃描速度為 750 mm/s，層厚為 0.02 mm）中的高密度位錯 (e) 和氮化鉻 (f) )。

圖 29 (a-b) 兩種不同的 L-PBF 制造的 17-4 PH 鋼獲得的 EBSD 相圖：奧氏體（紅色）、鐵素體（黃色）、馬氏體（藍(lán)色）[276]；(c-d) 具有馬氏體 (c) [272] 和鐵素體基體 (d) [277] 的 L-PBF 構(gòu)建的 17-4 PH 鋼的 EBSD 取向圖；(e) L-PBF 構(gòu)建的 17-4 PH 鋼的 HAADF STEM 圖像和 EDS 圖 [265]

圖 30 (a-b) L-PBF 420 馬氏體不銹鋼在 60 W 激光功率和 120 mm/s 掃描速度下的頂層 (a) 和內(nèi)部區(qū)域 (b) SEM 圖像 [287]；(c-d) 激光功率為 2500 W 且掃描速度為 10 mm/s 的 L-DED 制造的 420 馬氏體不銹鋼EBSD 取向圖和相圖 [284]。

圖 32 (a-b) L-PBF 18Ni-300 馬氏體時效鋼中的胞狀結(jié)構(gòu)（激光功率為 285W，掃描速度為 960mm/s，層厚為 0.04mm）[325]；L-DED 18Ni-300 馬氏體時效鋼（激光功率 800 W，掃描速度 10 mm/s， 0.42 毫米的層厚）[319]。

圖 35 (a-c) L-PBF 構(gòu)建的 H13 鋼橫截面的 SEM 圖像；(d) L-PBF 制造的 H13 鋼的 TEM 圖像顯示板條馬氏體和 M23C6 碳化物 [349, 355]；L-PBF 制造的 H13 鋼的 EBSD 相圖 (e) 和取向圖 (f) [343, 355]；(g) L-DED 構(gòu)建的 H13 樣品中微觀結(jié)構(gòu)；(h-i) L-DED H13 樣品微觀結(jié)構(gòu)：(h) 頂部，(i) 中間 [346]

圖 37 (a-c) 隨機(jī)分布的兩相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和 (d) L-DED 制造的 H13/Cu FGM 樣品的孔隙率（激光功率 440 W，掃描速度 6.2 mm/s，層厚 0.3 mm和 0.4 毫米的艙口空間）[370]；（e）由 L-DED（激光功率為 910 W，層厚為 0.5 mm）制造的 FGM 樣品（304L 鋼和 Inconel 625 合金）中裂紋的 BSE 圖像和 EDS 結(jié)果[369]；304L/V梯度組件裂紋區(qū)域附近的EBSD取向圖(f)、相圖(g)和EDS圖(h)；(i) 304L/V/Ti-6Al-4V 梯度組件裂紋表面的 X 射線衍射結(jié)果（激光功率 600 W，掃描速度 12.7 mm/s，層厚 0.381 mm）[373]

圖 38 (a) 與鑄態(tài)和鍛態(tài)材料相比，兩種 L-PBF 制造的 316L SS 的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；L-PBF 制造的 316L 不銹鋼在不同拉伸應(yīng)變下的微觀結(jié)構(gòu)：(b) ~3% (b), (c) ~12% (c) 和 (d) ~36% [20]

圖 39 用于提高 LAM鋼性能的相關(guān)技術(shù)分類。

圖 40 (a-c) L-PBF 制造 M2 零件：90℃ (a)、150℃ (b) 和 200℃ (c)預(yù)熱溫度 [362]；(d) 304 鋼零件第一層的熱應(yīng)力 (MPa)，在 L-DED 工藝之前在距熔池邊界 0.5 毫米處預(yù)熱基材 [414]；(e) 材料密度隨粉末床預(yù)熱溫度的變化；(f) L-PBF 構(gòu)建的 316L 不銹鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線 [418]

圖 42 (a) LAM-rolling 混合方法示意圖；(b) 增材制造和混合軋制增材不銹鋼部件的拉伸應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線 [432]；(c) 采用和不采用混合軋制工藝（軋制壓下量 = 0.5 毫米）單道沉積層；(d-e) 沉積層縱向截面的微觀結(jié)構(gòu)對比 [433]

圖 43 (a) 金屬 LAM 過程中超聲振動示意圖；(b-c) IPF 圖對比了未采用 (b) 和采用 (c) 超聲振動的 LAM 316L 不銹鋼的晶粒結(jié)構(gòu) [451, 452]。

圖 45 (a) 3D 激光沖擊強(qiáng)化示意圖；(b) 通過噴丸強(qiáng)化 (SP)、激光沖擊強(qiáng)化 (LSP) 和 3D LSP [439] 對 L-PBF 構(gòu)建部件中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力示意圖；(c) L-PBF 后 UP 處理示意圖；(d) UP 處理的、L-PBF 構(gòu)建的 316L 樣品的顯微結(jié)構(gòu)；(e) 經(jīng)和未經(jīng) UP 處理的 L-PBF 構(gòu)建的 316L 樣品的拉伸應(yīng)變-應(yīng)力曲線 [436]