鋼鐵材料的增材制造綜述：取得的成就與面臨的挑戰(zhàn)（一）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文主要介紹采用SLM和LMD制造鋼鐵材料時所取得的成就以及所面臨的挑戰(zhàn)，此次為全文的第一部分。

摘要
本論文旨在回顧AM鋼在獲得傳統(tǒng)制造工藝無法獲得的優(yōu)異性能方面取得的成就，這得益于AM鋼獨特的微觀結(jié)構(gòu)演變。還將闡述AM遇到的挑戰(zhàn)，并提供克服這些挑戰(zhàn)的建議（如適用）。由于這SLM和LMD兩種方法是目前增材制造鋼的最常用的AM方法，因此我們重點關(guān)注激光粉末床熔融（SLM）和定向能沉積（LMD）。主要關(guān)注奧氏體不銹鋼和馬氏體時效/沉淀硬化（PH）鋼，這是AM中迄今為止使用最廣泛的兩類鋼，然后總結(jié)了其他類別鋼AM的最新技術(shù)。AM可以加工多種鋼鐵材料。與傳統(tǒng)制造工藝相比較，AM鋼獨特的微觀結(jié)構(gòu)特征，包括分層（亞）晶粒和細(xì)小沉淀，導(dǎo)致AM鋼的強度、耐磨性和耐腐蝕性增強。在AM鋼中，實現(xiàn)可接受的延展性和疲勞性能仍然是一個挑戰(zhàn)。AM還作為一種固有熱處理，觸發(fā)“原位”相變，包括不同等級鋼（如PH鋼和工具鋼）中的回火和其他沉淀現(xiàn)象。本文對AM鋼的性能與這些獨特的微觀結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系進(jìn)行了全面的討論。

增材制造合金和鋼鐵材料的概述
增材制造（AM），通常被稱為3D打印，最近在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都獲得了巨大的興趣，其市場價值預(yù)計到2020年底將達(dá)到210億美元。

隨著時間的推移，AM已成功應(yīng)用于不同的金屬系統(tǒng)，包括鈦合金、鎳基高溫合金、鋁合金和鋼。各種金屬和合金組現(xiàn)在可以通過AM進(jìn)行加工，鋼材目前約占金屬AM文獻(xiàn)中所有出版物的1/3。然而，鑒于用于工程目的的所有金屬零件中幾乎80%（重量百分比）由鋼制成，這一比例仍然太小。鋼材仍然主要通過傳統(tǒng)的途徑進(jìn)行加工，包括鑄造、鍛造和機加工。盡管文獻(xiàn)中對AM的可持續(xù)性進(jìn)行了有爭議的討論，但通過AM生產(chǎn)復(fù)雜形狀的鋼件可能會減少溫室氣體排放，從而避免傳統(tǒng)能源效率低下的生產(chǎn)路線產(chǎn)生大量排放。此外，AM突破了前所未有的設(shè)計自由度（例如，復(fù)雜的幾何形狀或空心結(jié)構(gòu)，很難通過傳統(tǒng)制造），轉(zhuǎn)化為高性能部件重量減輕�？紤]到鋼材是100%可回收金屬，因此，AM可以通過從回收粉末中生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，并在新產(chǎn)品中實現(xiàn)AM副產(chǎn)品的再利用，從而在循環(huán)經(jīng)濟中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

雖然AM最近經(jīng)歷了重大的發(fā)展，但它仍然沒有被許多行業(yè)廣泛采用。如果我們認(rèn)為最終產(chǎn)品的成本是材料成本、模具成本、設(shè)備成本和間接成本的函數(shù)，那么在材料成本、設(shè)備成本和間接成本方面，AM需要比傳統(tǒng)制造更進(jìn)一步的工作和取得更多的進(jìn)步，如在文獻(xiàn)中詳細(xì)描述的。另一個關(guān)鍵問題是，盡管AM的物理冶金與鑄造、焊接、粉末冶金和熱機械加工過程中觀察到的現(xiàn)象具有共性，但許多傳統(tǒng)制造的既定教科書理論可能在AM中是失敗的。

因此，AM研究人員目前的工作范圍是充分了解AM過程中的微觀結(jié)構(gòu)和性能演變，以實現(xiàn)再現(xiàn)性，并將技術(shù)改進(jìn)到獲得行業(yè)認(rèn)可的程度。AM鋼似乎仍處于成熟和采用的中間階段，預(yù)計未來將設(shè)計出更適合AM工藝且性能更好的新鋼種。因此，概述當(dāng)前AM鋼在性能方面如何與傳統(tǒng)工藝制造的鋼鐵材料競爭，將為正在進(jìn)行的AM鋼研究提供寶貴的見解。

本綜述的目的和結(jié)構(gòu)
總的來說，在研究AM金屬和合金的機械和腐蝕性能方面已經(jīng)做了大量的工作。已有許多論文綜述了增材金屬的加工-顯微組織-性能，包括機械性能和腐蝕行為。目前最全面的兩個關(guān)于鋼鐵AM的評論是由Fayazfar等人和等人進(jìn)行的。Fayazfar等人全面總結(jié)了不同粉末采用AM技術(shù)對鋼材的加工過程。介紹了粉末床、粉末輸送和粘結(jié)劑噴射調(diào)質(zhì)鋼的基本工藝，并對調(diào)質(zhì)鋼的凝固組織進(jìn)行了討論。Bajaj等人綜述了AM過程中鋼組織的演變。這些作者概述了在AM工藝中使用的不同系列鋼，并回顧了這些鋼的組織-性能關(guān)系。然而，這些有價值的評論都沒有關(guān)注AM如何以及在哪里能夠制造出比傳統(tǒng)減材制造更優(yōu)越的性能的鋼部件。這是當(dāng)前綜述的重點。

了解AM鋼與傳統(tǒng)加工鋼相比的獨特的顯微結(jié)構(gòu)特征，盡管在理解這些顯微結(jié)構(gòu)特征方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但對于這些特征如何可能導(dǎo)致先進(jìn)性能的研究還缺乏概述。當(dāng)前的評論旨在填補這一空白，提供了一個全面的總結(jié)，目前在文獻(xiàn)報道的AM鋼的獨特性能。我們主要專注于有相關(guān)數(shù)據(jù)的鋼的機械性能、腐蝕性能和磨損性能。如果其它性能是相應(yīng)鋼種的重要性能，如磁學(xué)性能和氫脆性能也會被討論。然而，我們不綜述AM鋼復(fù)合材料，如AM氧化物分散強化(ODS)和WC分散馬氏體時效鋼。我們也不討論不同AM過程的細(xì)節(jié)(關(guān)于這方面的詳細(xì)概述請參閱本文的文獻(xiàn))，而且我們打算在AM綜述期間只簡要地討論微觀結(jié)構(gòu)演變，如果必要，為了解釋屬性的差異。

在對典型AM組織做了一些必要的說明之后，我們將從AM環(huán)境中最流行的兩種鋼開始，即奧氏體不銹鋼(有大量關(guān)于316L的文獻(xiàn))和馬氏體時效/沉淀硬化(PH)鋼。然后，我們將繼續(xù)討論各種其他類型的鋼材，已處理的AM鋼鐵材料迄今為止。這些材料包括雙相不銹鋼、鐵素體-馬氏體鋼、碳素工具鋼和相變/孿晶誘導(dǎo)塑性(TRIP/ TWIP)鋼。

關(guān)于典型AM微結(jié)構(gòu)的幾點注意事項
AM能夠通過連續(xù)添加厚度為幾十微米的粉末原材料來構(gòu)建材料，因此能夠定制出特定地點的微結(jié)構(gòu)機械和腐蝕性能是很難或不可能通過傳統(tǒng)制造實現(xiàn)的。在這方面，理解在AM期間的微觀結(jié)構(gòu)演變是至關(guān)重要的。金屬在AM期間經(jīng)歷的熱歷史與傳統(tǒng)制造非常不同。AM組織通過快速的凝固速率(dT/ dT: 1 0�。澹�ｐ（3）-10ｅｘｐ（8）K / s)1，高的熱梯度(dT/dx: 1 0ｅｘｐ（3）-10ｅｘｐ（7）K / m)，以及隨后幾個層的熔化和沉積引起的顯著的熱循環(huán)而形成。所有這些工藝參數(shù)都影響著凝固形態(tài)、偏析、晶胞、晶粒結(jié)構(gòu)(尺寸和形狀)、晶體織構(gòu)、組織穩(wěn)定性、二次相、缺陷和夾雜物等關(guān)鍵組織特征的演變。在AM組織中，凝固細(xì)胞是取向相似的亞晶粒，由合金元素的偏析和位錯在其邊界處的聚集所決定。晶粒是由不同的方向定義的，它們被高角度的晶界分開。

AM微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出多種晶粒形態(tài)。圖1給出了這種差異的一個例子是316L不銹鋼。因此，從橫向(垂直于制造方向的平面)可以觀察到熔體池邊界處的細(xì)小等軸晶粒，其中單個熔體池內(nèi)的晶粒呈柱狀(圖1a)。與橫切面相比，AM中常見的是制造方向上的大柱狀顆粒，如圖1b所示。這種柱狀晶粒形貌歸因于AM固有的過冷條件，可能會改變凝固模式從平面到柱狀和/或外延生長。LPBF過程中冷卻速率和前一層重熔程度是控制晶粒尺寸的主要因素。

例如，LPBF 316L不銹鋼在使用高激光功率(圖1c)時，由于外延生長，形成了非常大的、高長徑比的柱狀晶粒。一般來說，如果不是外延生長，LPBF鋼的晶粒是細(xì)的，這是與傳統(tǒng)的同類材料相比的一個顯著特征，這是LPBF過程中快速凝固的結(jié)果。所建立的織構(gòu)主要取決于熔體池的大小，局部熱流的方向和生產(chǎn)[過程中發(fā)生的競爭性晶粒生長。我們可以在AM制造的過程中通過施加掃描策略的變化來控制晶粒的結(jié)構(gòu)，例如不同層之間的旋轉(zhuǎn)和/或所謂的點熱源策略，熔化的區(qū)域是在“點”的圖案，在個別點之間留下一些空間。

在過去的幾年里，AM在生產(chǎn)高密度零件方面取得了很大的進(jìn)步;然而，缺陷的形成仍然是一個挑戰(zhàn)。其中孔隙率、分層和球化仍然是最為著名金屬增材制造過程中常見的缺陷類型。文獻(xiàn)報道了兩種類型的孔隙:(1)球形或氣體所導(dǎo)致的孔隙;(2)非球形或凝固過程所導(dǎo)致的孔隙。前者被認(rèn)為是由于粉末顆粒之間存在氣體滯留，在熔化過程中釋放氣體，在凝固過程中鎖定氣體。球形孔的另一個來源是在粉末材料的制備過程中，氣體被困在粉末原料內(nèi)部。然后，這些包裹的氣體被轉(zhuǎn)移到該部位，導(dǎo)致氣致孔隙度的形成。另一方面，非球形氣孔，又稱不規(guī)則、不融合(LOF)或當(dāng)應(yīng)用的激光能量密度不足以完全熔化粉末時，通常會形成過程誘導(dǎo)氣孔。這導(dǎo)致未熔化的粉末顆粒被困在這些孔隙中。此外，在一個被稱為鎖孔形成的過程中，高激光能量密度也被觀察到誘導(dǎo)不規(guī)則形狀的孔。

圖1電子背散射衍射(EBSD)分析獲得的LPBF 316L奧氏體不銹鋼的典型晶粒結(jié)構(gòu)。用150 W激光功率沿制造方向x-z平面加工的LPBF 316L奧氏體不銹鋼的反極圖(IPF)圖。(a)所示同一樣品的ＩＰＦ圖，但從橫向(垂直于制造)方向，x-y平面。另一種用1000 W激光加工的LPBF 316L奧氏體不銹鋼的LPBF圖(a)中，與使用較低激光功率加工的試樣相比，樣品中出現(xiàn)了更細(xì)長的柱狀晶粒。(d)中還展示了傳統(tǒng)工藝加工的316L奧氏體不銹鋼的LPBF圖，以供比較。ａｂｄ圖中的標(biāo)尺是相同的。

圖１－０　相對于制造方向和他們的極化圖所得到的RBSD　IPF彩色圖a, c 380 W 的樣品 b, d 950 W 樣品e.模擬結(jié)果所得到的 動力學(xué)Monte Carlo Isometric and front views（等軸測視圖和前視圖）結(jié)果，其中 e, f 380 W的 樣品 g, h 950 W 的激光樣品，　 a, b 中的標(biāo)尺軍為 200 μm

分層，這是定義為分離相鄰層在一個AM中的部分，主要是由于不完全熔化的相鄰層。相對于LOF是一種可以通過后處理過程消除的微觀內(nèi)部缺陷，分層是一種不能通過后處理修復(fù)的宏觀裂紋樣缺陷。因此，為了避免分層，必須仔細(xì)調(diào)整工藝參數(shù)。球團現(xiàn)象是AM零件的另一個嚴(yán)重的加工缺陷。當(dāng)熔池由于高原-瑞利不穩(wěn)定性而失去其連續(xù)性，然后分離為獨立的球狀島嶼時，就會發(fā)生球化。這主要歸因于液體的高粘度，這又導(dǎo)致液體流動受到明顯抑制，液體對粉末表面潤濕不夠。粉末顆粒在表面張力作用下容易團聚，從而產(chǎn)生球團現(xiàn)象。增加激光功率或降低掃描速度有助于減少在AM期間的球化現(xiàn)象。

圖１－１模擬結(jié)果

由于快速凝固速率，AM零件中產(chǎn)生了遠(yuǎn)離平衡條件的微觀結(jié)構(gòu)。例如，在AM奧氏體不銹鋼中，通常可以獲得非常精細(xì)的胞狀微觀結(jié)構(gòu)，胞狀尺寸為1微米或更小，如圖2a、b所示。如圖2c中的透射電子顯微鏡（TEM）和能量色散光譜（EDS）圖所示，一些元素如Cr和Mo在細(xì)胞壁上分離。夾雜物被認(rèn)為在AM鋼的一系列性能中起著重要作用]。例如，AM奧氏體不銹鋼中普遍存在氧化物夾雜，其顯示為球形，尺寸在幾十納米到幾微米之間，主要富集O、Mn和Si（圖2c）。這與傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼中較大（>1μm）且形狀不規(guī)則的氧化物夾雜物形成對比。

圖１－２(a,b) 球形氣孔； (c,d) 不規(guī)則形狀/未熔合（LOF）氣孔

奧氏體不銹鋼
奧氏體不銹鋼由于其優(yōu)異的耐腐蝕性、生物相容性和延展性，是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)合金之一，這使它們適合應(yīng)用于各種行業(yè)，如生物醫(yī)學(xué)、航空航天、國防、石油和天然氣、石化等。這些鋼是在AM中使用最廣泛的鋼。在這里，AM已經(jīng)被證明提供了一些有前途的屬性，而許多挑戰(zhàn)仍然存在。文獻(xiàn)中有大量關(guān)于奧氏體不銹鋼AM的文章。單獨瀏覽所有這些內(nèi)容會使本節(jié)過于冗長。因此，我們將回顧其在機械性能和腐蝕性能方面的進(jìn)展和挑戰(zhàn)。這里應(yīng)該注意的是，大多數(shù)關(guān)于奧氏體不銹鋼AM的文獻(xiàn)集中在316L級，這是許多工業(yè)應(yīng)用中最常見的材料選擇。然而，其他種類的奧氏體不銹鋼，如304L級，也將在這里審查，如果有任何成就或挑戰(zhàn)在不同的性能報告。316L和304L之間最重要的區(qū)別在于它們的化學(xué)成分，316L中添加了近2 wt%的Mo以提高其耐腐蝕性。

機械性能
由于其獨特的微觀結(jié)構(gòu)，AM奧氏體不銹鋼在拉伸測試中表現(xiàn)出與傳統(tǒng)生產(chǎn)零件不同的有趣的行為。例如，LPBF生產(chǎn)的316L不銹鋼比鍛造/鑄造不銹鋼更強(LPBF的極限抗拉強度(UTS)為640-700 MPa，而傳統(tǒng)的為450-555 MPa;屈服強度(YS)為450-590 MPa，而常規(guī)LPBF為160-365 MPa)，同時仍保持延展性(延伸率為36-59%，而常規(guī)LPBF為30-43%)。LPBF 316L不銹鋼的這種優(yōu)越的拉伸性能的例子如圖3a所示。這主要是由于存在大量阻礙位錯運動的納米夾雜物，以及密度大的低角度晶界。316L奧氏體不銹鋼在強度和塑性方面的非凡結(jié)合，是考慮到傳統(tǒng)的局限性而取得的巨大成就制造在克服強度-延性的困境。

圖2 LPBF 316L不銹鋼的非平衡組織。a, b　低倍和高倍下晶粒內(nèi)凝固細(xì)胞的亮場TEM圖像。c　EDS分析表明合金元素Mo和Cr在熔點處發(fā)生偏析細(xì)胞壁。(c)中的球形暗區(qū)是富含Mn、Si和O.的納米夾雜物。

有報告顯示，LPBF 316L奧氏體不銹鋼具有良好的疲勞性能，可與其常規(guī)加工對應(yīng)物相媲美。LPBF 304奧氏體不銹鋼在高周疲勞狀態(tài)下也表現(xiàn)出類似的抗疲勞性，在低周疲勞狀態(tài)下表現(xiàn)出更高的抗疲勞性[53]，如圖3b中的應(yīng)變-壽命疲勞曲線所示。AM 316L不銹鋼已被證明在室溫下比其常規(guī)對應(yīng)物具有更好的耐磨性如圖3c、d中摩擦系數(shù)與滑動距離曲線所示，干燥滑動條件下，甚至在高達(dá)400°C的高溫下保持這一趨勢。這歸因于AM 316L奧氏體不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)中的胞狀亞晶粒通過阻礙位錯運動抵抗亞表面變形的作用。對于LPBF 316L奧氏體不銹鋼在模擬車身溶液中進(jìn)行濕磨損試驗時的更好摩擦學(xué)性能，也得出了類似的結(jié)論。

圖3 AM奧氏體不銹鋼具有代表性的獨特機械性能。LPBF 316L奧氏體不銹鋼的a  Tensile工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表明AM生產(chǎn)不銹鋼的能力，同時提高強度和延展性。316L不銹鋼拉伸性能的最低要求用黃色虛線表示。b  LPBF 304L應(yīng)變壽命疲勞性能的比較奧氏體不銹鋼與鍛造304L不銹鋼。與（d）傳統(tǒng)316 L不銹鋼相比，LPBF 316L奧氏體不銹鋼的磨損性能表現(xiàn)為摩擦系數(shù)（COF）與滑動距離，表明LPBF 316L奧氏體不銹鋼在高達(dá)400℃的溫度下具有可比的耐磨性。

圖３－０　SLM工藝制備的３１６L不銹鋼的S-N曲線

腐蝕性能
人們普遍認(rèn)為，不銹鋼的腐蝕性能取決于其微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。鋼中的鐵素體、金屬/非金屬夾雜物和沉淀物等相都會影響其耐腐蝕性。AM不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)特征對其腐蝕特性的影響（取決于AM加工條件）將在下文中討論。

硫化物夾雜物，尤其是硫化錳（MnS），對所有等級不銹鋼的抗點蝕性都是有害的。在傳統(tǒng)的減材制造中，消除有害的MnS夾雜物是不可行的，因為S通常作為合金元素添加到不銹鋼中，目的是提高可加工性。改變MnS夾雜物的化學(xué)成分，即通過將硫化物中的Mn替換為Cr，已證明是一種提高抗點蝕性的有效方法，盡管在三氯化鐵溶液等嚴(yán)重腐蝕環(huán)境中并非如此。還發(fā)現(xiàn)，通過快速凝固或激光表面重熔來減小MnS夾雜物的尺寸可以提高抗點蝕性。在這方面，AM已被證明能夠生產(chǎn)具有優(yōu)異抗點蝕性能的奧氏體不銹鋼，如圖4a所示。這主要歸因于快速增長限制MnS夾雜物形成的AM固有凝固。

圖４AM奧氏體不銹鋼具有獨特的腐蝕特性。在0.1 M NaCl溶液中記錄的電位動態(tài)極化曲線表明，與鍛造樣品相比，LPBF(=選擇性激光熔化，SLM) 316L奧氏體不銹鋼具有極高的點蝕耐蝕性。b射流沖擊裝置在0.6 M NaCl溶液中記錄的恒電位極化曲線顯示，LPBF 316L奧氏體不銹鋼的耐腐蝕侵蝕能力低于常規(guī)材料。在0.5 M H2SO4和0.01 M KSCN中記錄的雙環(huán)電化學(xué)電位動力學(xué)再活化(DL-EPR)試驗，以及敏化值的程度(插圖)，顯示出顯著更高的IGC電阻與傳統(tǒng)的316L奧氏體不銹鋼相比，LPBF 316L奧氏體不銹鋼在橫向和建筑平面上都是如此。為敏化目的，試樣在700℃下進(jìn)行熱處理加熱60小時，然后水淬火。d - g聚焦離子束掃描電鏡對316L奧氏體不銹鋼試樣腐蝕晶界的后DL- EPR圖像，表明常規(guī)316L奧氏體不銹鋼存在廣泛的晶間腐蝕。而lpbf316l奧氏體不銹鋼沿晶界的腐蝕較淺。

鑒于優(yōu)異的點蝕性、高硬度和高耐磨性，如前所述，AM奧氏體不銹鋼與傳統(tǒng)的同類相比，有望表現(xiàn)出更強的抗沖蝕性。然而,Laleh等人報道了LPBF 316L奧氏體不銹鋼出乎意料的較低的耐侵蝕性(圖4b)，這是由于與常規(guī)加工的LPBF 316L奧氏體不銹鋼相比，其再鈍化能力較弱。這與其他研究很一致。這種行為背后的機制是還不清楚;而AM鋼內(nèi)部氣孔的存在和組織的不均勻性是造成這一現(xiàn)象的主要原因。在這方面，Kong等人最近的一項研究表明，通過消除孔隙率(<0.03 vol%)， LPBF 316L奧氏體不銹鋼的再硬化潛力與其傳統(tǒng)同類產(chǎn)品相似。

不銹鋼的晶間腐蝕(IGC)是一種沿著晶界進(jìn)行的局部腐蝕形式，通常發(fā)生在高溫(500 - 800℃)或焊接過程中。沿晶界形成富鉻碳化物、σ 和χ相等二次析出相，使相鄰區(qū)域在隨后的腐蝕環(huán)境中更容易受到腐蝕。AM不銹鋼的IGC仍處于爭議之中。一些研究報告了LPBF 316L的界面腐蝕加速，而另一些研究則顯示了相反的行為。LPBF 316L奧氏體不銹鋼(圖4c - g)抗IGC增強的原因是存在大量的低角度晶界和孿晶界，這些晶界被認(rèn)為對IGC不敏感。在AM不銹鋼IGC行為方面存在的分歧可能與敏化條件(熱處理溫度，冷卻條件)和/或IGC測試方法有關(guān)。

研究表明，與傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼相比，LPBF 316L奧氏體不銹鋼具有更好的抗氫損傷能力，這表明LPBF 316L奧氏體不銹鋼可以作為氫燃料電池的一種選擇。這主要是由于在LPBF 316L奧氏體不銹鋼中，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的程度較低，因此在充氫4 h后，馬氏體的體積分?jǐn)?shù)較低，因為在這些鋼中馬氏體相的耐腐蝕性比奧氏體低。Baek等人也得出了類似的結(jié)論，他們報告說，與傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼相比，AM 304L奧氏體不銹鋼在高壓H氣氛下具有更高的抗氫脆化能力。主要是從載荷應(yīng)力作用下奧氏體相不轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相的穩(wěn)定性來討論的。這些結(jié)果表明，AM奧氏體不銹鋼在H充注過程中具有抵抗再次相變的能力;然而，背后的機制這一現(xiàn)象在文獻(xiàn)中尚不明確，需要在今后的工作中加以澄清。

挑戰(zhàn)
盡管AM提供了上述有前景的性能，但仍然有許多重要的挑戰(zhàn)固有的奧氏體不銹鋼的AM阻礙其廣泛的工業(yè)應(yīng)用。下面將回顧AM目前在奧氏體不銹鋼制造中遇到的最重要的挑戰(zhàn)。它們包括殘余應(yīng)力、各向異性、氣孔形成和熱處理后處理。

與AM相關(guān)的急劇熱梯度產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致零件變形。這將影響機械性能，降低抗應(yīng)力腐蝕開裂能力，甚至惡化零件的最終幾何形狀。對基底或原料材料進(jìn)行預(yù)熱是降低溫度梯度，從而減少殘余應(yīng)力的最常見方法�？刂茠呙璨呗允墙档蜌堄鄳�(yīng)力的另一種方法。除了這些控制殘余應(yīng)力的“原位”方法外，熱處理后處理在釋放殘余應(yīng)力方面也有報道。

各向異性在AM是一個關(guān)鍵的問題，可以分為兩種類型:第一，各向異性，產(chǎn)生于在不同的方向構(gòu)建一個部分和第二，各向異性，產(chǎn)生于沿不同軸的屬性測量。眾所周知，制造方向(制造件的長軸與水平面之間的尖角)會導(dǎo)致AM奧氏體不銹鋼零件的組織和力學(xué)性能的各向異性。沿制造方向的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)和強晶體織構(gòu)被認(rèn)為是AM奧氏體不銹鋼零件力學(xué)性能各向異性的主要影響因素。例如，已有研究表明，水平構(gòu)建試件(加載方向平行于微觀結(jié)構(gòu)中的層)的UTS比垂直構(gòu)建試件高近20%。這種行為與AM制造過程中，在連續(xù)層之間優(yōu)先形成缺陷有關(guān)，這隨后導(dǎo)致在加載時強度降低方向垂直于層。

在高密度試樣的制備過程中，各向異性并沒有成為AM奧氏體不銹鋼腐蝕性能的關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)的重點是不同平面(即橫向平面和建筑平面)對各種腐蝕的響應(yīng)，大多數(shù)研究報告了在所有平面上的點蝕和晶間耐腐蝕性能方面相似的腐蝕特征。研究還表明，在干滑動磨損試驗中，建筑方向?qū)�LPBF 316L奧氏體不銹鋼的摩擦學(xué)性能沒有顯著影響。

在AM奧氏體不銹鋼中已經(jīng)報道了不同類型的孔隙。LOF孔隙比球形氣孔更不利于磨損性能、抗疲勞性能和耐腐蝕性能，因為在拉伸測試中，LOF孔隙是裂紋的起始部位，在腐蝕環(huán)境中浸泡后，LOF孔隙是凹坑形成的部位。圖5給出了AM奧氏體不銹鋼在腐蝕環(huán)境下LOF孔隙處凹坑發(fā)展的例子，這是通過動電位極化測試和三維計算機層析分析顯示的。結(jié)果表明，LOF孔隙作為坑的形成位點，其抗點蝕性會降低。球形氣孔根據(jù)其頂部外表面的幾何形狀也分為開放氣孔和覆蓋氣孔。研究發(fā)現(xiàn)，與半覆蓋的氣體相比，開放的球形氣孔不太容易形成穩(wěn)定的凹坑，這是由于暴露在腐蝕環(huán)境中離子擴散速率的差異。

在AM過程中，熱源和原料之間的相互作用導(dǎo)致大量的快速加熱和冷卻循環(huán)，這可能導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離平衡條件。在這方面，后處理包括應(yīng)力消除熱處理和熱等靜壓(HIP)已被普遍用于消除這些問題。目前奧氏體不銹鋼的熱處理標(biāo)準(zhǔn)都是針對鑄造和鍛造材料而制定的，沒有針對AM部件進(jìn)行優(yōu)化。因此，研究此類熱處理對AM零件性能的影響以及優(yōu)化AM產(chǎn)品的熱處理路線是至關(guān)重要的。

以腐蝕性能為例，在1010 ~ 1120°C通常用于常規(guī)奧氏體不銹鋼，通過將碳化物溶解到基體的固溶體中來提高耐蝕性�？偨Y(jié)LPBF 316L奧氏體不銹鋼的點蝕電位對后處理熱處理的依賴關(guān)系。在大多數(shù)情況下，熱處理在1000°C導(dǎo)致耐點蝕性下降，說明常規(guī)奧氏體不銹鋼常用的溶液退火熱處理可能不適用于AM 316L奧氏體不銹鋼。

有研究表明，在1000℃以上進(jìn)行熱處理大大降低了點蝕性能，這表明在要求高點蝕性能的應(yīng)用中，這種熱處理對AM奧氏體不銹鋼是不實際的。在溫度超過1000℃后，耐點蝕性能急劇下降的機理仍未達(dá)成一致，盡管一些作者認(rèn)為有害的MnS夾雜物的形成是導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因，而另一些作者認(rèn)為壓縮殘余應(yīng)力的釋放導(dǎo)致了這種行為。顯然，高溫?zé)崽幚頃��?dǎo)致一些現(xiàn)有的夾雜物部分/完全轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌�化學(xué)成分的夾雜物，甚至?xí)�形成一些在建成狀態(tài)下不存在的新夾雜物[48,64]。這種高溫?zé)崽幚磉^程中夾雜轉(zhuǎn)變的機理尚不清楚。

馬氏體時效和沉淀硬化不銹鋼

已研制出許多能夠通過析出非碳化物的相進(jìn)行時效硬化的鋼。這兩類合金已經(jīng)被廣泛地分析過適合通過AM生產(chǎn)的有沉淀硬化(PH)不銹鋼和馬氏體時效(即馬氏體和時效)鋼。雖然PH不銹鋼也可能有奧氏體或半奧氏體的基體相，但本節(jié)討論的PH不銹鋼僅被歸類為馬氏體，因為這些是AM領(lǐng)域研究最廣泛的。這兩種合金表現(xiàn)出相似的析出相強化行為。他們具有低的炭含量，以抑制碳化物析出，這對不銹鋼的耐腐蝕性能尤其不利。PH值馬氏體不銹鋼Ni含量適中(4-11 wt%)[105]，而馬氏體時效鋼Ni含量較高(17-25 wt%)[7]。從奧氏體相場淬滅后，這些合金的室溫組織以馬氏體為主，但也可能含有一些殘余奧氏體關(guān)于所研究的鋼的成分和淬火溫度。這些沉淀硬化鋼的高強度使得它們被用作工具。此外，馬氏體時效鋼的高強度重量比和良好的韌性特別適用于航空航天(從起落架部件到飛機配件)、汽車和國防。

圖5 LOF氣孔在AM奧氏體不銹鋼點蝕中的作用利用微電化學(xué)池對LPBF 304L不銹鋼在0.6 M NaCl溶液中的電位動態(tài)極化曲線進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，含LOF孔的測試區(qū)抗點蝕性能低于不含孔的測試區(qū)。b - f LPBF 316L奧氏體不銹鋼試樣在6 wt%氯化鐵溶液中浸泡一周前后的三維計算機斷層成像，表明LOF孔隙內(nèi)腐蝕的發(fā)展。b目標(biāo)LOF孔隙的總體概況。外部表面由虛線白線表示。進(jìn)入LOF結(jié)構(gòu)的入口點也分別通過腐蝕前后的E1和E2。c，d LOF孔;從這個角度只能看到入口點E1。c以灰白色和青色顯示兩種主要的LOF結(jié)構(gòu)。d表明，在腐蝕后，這些結(jié)構(gòu)通過LOF孔隙連接起來，表明腐蝕在結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳播。e, f分別顯示了腐蝕前后粉末床平面內(nèi)LOF結(jié)構(gòu)。兩個線形之間的間距約為40lm，略大于30lm的粉床厚度。入口點E1和E2也顯示出來了。在腐蝕之后，所有這些獨立的特征都有相同的顏色，表明它們是連接在一起的。白色橢圓表示腐蝕從灰白色LOF結(jié)構(gòu)向青色LOF結(jié)構(gòu)傳播的位置。

圖５－０　未熔合缺陷造成的局部腐蝕的CT掃描結(jié)果

迄今為止，在AM研究中最常用的PH不銹鋼是17-4 PH不銹鋼，由于其良好的印刷適性和不同的應(yīng)用范圍，由于其高強度和耐蝕性。在傳統(tǒng)工藝中，鑄造后17-4 PH值的零件進(jìn)行溶液退火熱處理。這通常是在1040°C為1小時，盡管對于較厚的樣品需要較長的溶液退火時間。經(jīng)固溶退火和室溫淬火后，馬氏體組織在Cu中處于過飽和狀態(tài)。在此條件下(稱為條件A)，對零件進(jìn)行熱時效處理，誘導(dǎo)富cu析出物在納米尺度上析出。PH值為17-4的最常用的老化處理是482°C處理1小時，因為這已被證明在這些部位產(chǎn)生最高的強度。這被稱為H900條件。在這種情況下，零件的UTS通常在1380 MPa左右。

15-5 PH不銹鋼是一種類似于17-4 PH的合金。盡管很少被使用，這種合金也在許多研究中被評估為AM的適用性。雖然它仍然是馬氏體沉淀硬化不銹鋼，但由于組織中d-鐵素體水平的減少，改變合金成分使其具有比17-4 PH更高的鍛造韌性[110]。Cu析出動力學(xué)與17-4 PH非常相似，導(dǎo)致兩種合金在H900熱處理后均達(dá)到峰值時效硬化。

一種廣泛討論的適用于AM的馬氏體時效鋼是18ni300馬氏體時效鋼。淬火后從奧氏體相場形成馬氏體組織，時效溫度在400 ~ 500℃之間導(dǎo)致Ni3(Ti, Mo)和Fe7Mo6相的析出[112-114]。在482°C處理6 h, 18Ni300馬氏體時效鋼件的UTS可超過2200 MPa。這種高強度使得這種合金可以用于一系列軍事和航空航天應(yīng)用。

另一種重要的沉淀硬化不銹鋼是CX不銹鋼，在最近的研究中發(fā)現(xiàn)其適用于增材制造。EOS GmbH最近開發(fā)并商業(yè)化生產(chǎn)了這種材料作為粉末。使用LPBF生產(chǎn)的CX不銹鋼部件在建造條件下比LPBF 17-4 PH和316L鋼具有更好的韌性，這可能為在某些應(yīng)用中使用CX替代這些鋼鋪平了道路。熱老化處理在530°C處理3小時后，在馬氏體基體中形成棒狀/針狀NiAl基納米沉淀物，無論之前是否進(jìn)行了固溶熱處理。通過這些熱處理，LPBF生產(chǎn)的CX不銹鋼的UTS可達(dá)1601 MPa。由于相對缺乏文獻(xiàn)來討論它，CX鋼將不會在接下來的章節(jié)中進(jìn)一步討論。

本節(jié)將總結(jié)評估AM生產(chǎn)PH不銹鋼和馬氏體時效鋼對其性能影響的文獻(xiàn)。大多數(shù)文獻(xiàn)集中在PH值為17-4的不銹鋼和馬氏體時效鋼的18Ni300。

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來源：Haghdadi, N., Laleh, M., Moyle, M. et al. Additive manufacturing of steels: a review of achievements and challenges. J Mater Sci 56, 64–107 (2021). https://doi.org/10.1007/s10853-020-05109-0
參考文獻(xiàn)：
１.Two and three-dimensional characterisation of localised corrosion affected by lack-of-fusion pores in 316L stainless steel produced by selective laser melting［Ｊ］，Corrosion Science，Volume 165, 1 April 2020, 108394，https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.108394
２.Sun, Z., Tan, X., Tor, S.B. et al. Simultaneously enhanced strength and ductility for 3D-printed stainless steel 316L by selective laser melting. NPG Asia Mater 10, 127–136 (2018). https://doi.org/10.1038/s41427-018-0018-5