武漢理工陳斐課題組：激光工程凈成形馬氏體/奧氏體功能梯度材料的制造及力學(xué)性能

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文報道了武漢理工大學(xué)陳斐課題組近期發(fā)表在期刊《Journal of Materials Research and Technology》上的研究：激光工程凈成形馬氏體/奧氏體功能梯度材料的制造及力學(xué)性能。

激光工程凈成形(LENS)是一種結(jié)合快速成型和同步送粉技術(shù)的先進增材制造技術(shù)。其多粉末進料輸送系統(tǒng)能夠在一次沉積中構(gòu)建多種材料，適用于功能梯度材料(FGMs)的增材制造。在本研究中，利用LENS制造了馬氏體不銹鋼/奧氏體不銹鋼梯度功能材料，其成分從100%馬氏體不銹鋼梯度過渡到100%奧氏體不銹鋼梯度，成分梯度為25%。MSS/ASS功能梯度材料的維氏硬度范圍為358～170 HV。硬度的降低與奧氏體量增加時的晶粒長大區(qū)有關(guān)。所獲得的MSS/ASS功能梯度材料樣品顯示出669 MPa的抗拉強度和19%的伸長率。另外，MSS/ASS功能梯度材料在拉伸試驗中的斷裂位置在100% ASS區(qū)域，該區(qū)域以奧氏體組織為主。最后，引入ScheileGulliver模型驗證了MSS/ASS功能梯度材料失效區(qū)域的階段性形成。實驗和模擬結(jié)果表明，奧氏體組織中α-鐵素體的析出導(dǎo)致MSS/ASS功能梯度材料的延性降低。

圖０功能梯度材料的廣泛的應(yīng)用及其一個設(shè)計案例

1.背景介紹

在過去的十年中，新興技術(shù)增材制造(AM)已經(jīng)應(yīng)用于制造具有復(fù)雜設(shè)計的部件。它主要是在20世紀80年代為制造快速原型而發(fā)明的。增材制造為制造非常復(fù)雜的幾何形狀的部件提供了獨特的可能性，這是通過常規(guī)加工路線無法實現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，AM通過預(yù)定的順序?qū)崿F(xiàn)了層到層的沉積，在快速制造中提供了具有更高精度的近凈形部件。

在工業(yè)中，鐵合金和特殊的不銹鋼作為最常見的原材料被用于通過AM制造部件。MSS的特性保證了其在高要求應(yīng)用中的性能，如機器部件、手術(shù)器械。因為馬氏體在其體心四方(BCＣ)晶體結(jié)構(gòu)中幾乎沒有可操作的滑移系統(tǒng)，所以MSS堅固但易碎。ASS是一種重要的金屬材料，具有優(yōu)良的機械強度和耐腐蝕性。它已廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，包括海洋環(huán)境、核電站。MSS和ASS的結(jié)合有可能獲得強度和韌性最佳的材料。直接連接這兩種材料是困難的，因為它們的機械和物理特性有很大的不同。

FGM由從材料的一部分到另一部分的一維或多維漸變以及由此產(chǎn)生的關(guān)于物理和化學(xué)性質(zhì)的可調(diào)結(jié)構(gòu)來定義。這一特性使得功能梯度材料能夠?qū)崿F(xiàn)所含材料的優(yōu)點之間的平衡。祖羅布等人研究脫碳制造的成分梯度馬氏體鋼的彎曲行為。通過這種方法獲得了強度和彎曲能力的最佳組合。在Zurob等人的其他相關(guān)研究中，通過脫碳也獲得了具有改善的斷裂性能的高強度功能梯度馬氏體鋼。米希納等人研究了放電等離子燒結(jié)法制備的ZrO2/ AISI　316L功能梯度材料的力學(xué)性能。功能梯度材料的斷裂韌性和磨損特性很強受各層厚度的影響。Watanebe等人探索了應(yīng)用反應(yīng)離心鑄造技術(shù)制備功能梯度結(jié)構(gòu)鎳鋁化物/鋼復(fù)合管的可行性。

最近對不銹鋼的研究集中在機械性能上。與傳統(tǒng)方法不同，AM工藝獨特的熱場將成為提高材料力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。Saeidi等人研究SS 316L顯著提高的機械性能。結(jié)果表明，SLM沉積的SS 316L鋼的多級精細組織導(dǎo)致了性能的改善。賽巴斯-蒂恩等人報告了各向異性行為通過研究激光粉末床熔合(L-PBF) SS316L的各種構(gòu)建方向，熱處理顯示出能夠降低各向異性行為。Jamshidinia等人報告了工藝參數(shù)對由L-PBF沉積的420不銹鋼的性能的影響。在Hosemann等人的相關(guān)研究中，SS 316L和C300馬氏體時效鋼對通過DED(定向能量沉積)連接并進行熱處理。機械性能與SS 316L相似。然而，梯度結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)演變的影響卻鮮有報道。

本研究的目的如下:第一，在兩種合金之間建立一個合適的梯度過渡，成功地用ＬＥＮＳ制作出MSS/ASS功能梯度材料。第二，研究相形成對力學(xué)性能的影響。最后，提供熱力學(xué)模型的基本觀點，以驗證實驗結(jié)果。

圖1.(a)MSS粉末的SEM圖像，(b)MSS粉末的顆粒分布，(c)ASS粉末的SEM圖像，(d)ASS粉末的顆粒分布。

圖2.(a)ＬＥＮＳ系統(tǒng)，(b)MSS/ASS功能梯度材料制造的示意圖，(c)MSS/ASS功能梯度材料橫截面前視圖，(d)刀具路徑策略。

2.實驗策略
2.1.原材料和透鏡系統(tǒng)
兩種金屬粉末均購自Avimetal粉末冶金公司，粒度范圍為15至53微米。如所示圖1。粉末呈球形，分布均勻，適合于透鏡系統(tǒng)。此外，顆粒尺寸主要分布在20μm和52 μm之間。在這項研究中，MSS/ASS功能梯度材料由ＬＥＮＳ系統(tǒng)進行增材制造。使用ASS (0Cr18Ni9)和MSS (0Cr16Ni5Mo1)粉末在SS304L襯底上制備MSS/ASS功能梯度材料。LENS是一個帶有多粉末進料器的AM系統(tǒng)。該特征的概念類似于基于DED的系統(tǒng)，此外，其多功能性使得能夠同時沉積不同的材料。

圖3.拉伸試樣示意圖及尺寸

圖4.不同質(zhì)量分數(shù)區(qū)域的MSS/ASS功能梯度材料的光學(xué)圖像:(a) 100% MSS，(b) 75% MSS +25% ASS，(c) 50% MSS +50% ASS，(d) 25% MSS +75% ASS，(e) 100% ASS。

2.2.材料準備

圖2(a)示出了用400W光纖激光器在ＬＥＮＳ150系統(tǒng)上進行的制造過程。為了避免氧化和促進沉積，系統(tǒng)室填充有氬氣，將氧氣含量保持在100 ppm以下。ASS和MSS粉末由氬氣送入熔池。激光光斑尺寸為2毫米，基材厚度為10毫米。樣品的其他重要加工參數(shù)見原文，感興趣的朋友可以聯(lián)系江蘇激光聯(lián)盟的激光紅。圖2(b)顯示了MSS/ASS　FGMs的示意圖，其中25%的成分從MSS過渡到ASS。MSS/ASS功能梯度材料制造為48× 20 × 20毫米的正方形結(jié)構(gòu)展示于圖. 2(ｃ)。

首先在襯底上沉積前75層100% MSS，隨后沉積30層75% MSS +25% ASS。以下區(qū)域的層是30，除了100%的ＡＳＳ沉積有75層。在隨后的過渡區(qū)中，隨著ASS增加25 %, MSS/ASS功能梯度材料成功沉積。此外，純MSS和ASS樣品以相同的尺寸進行制造，以便在拉伸試驗中與MSS/ASS功能梯度材料進行比較。加工參數(shù)對于純MSS和ASS樣品，MSS/ASS FGMs中的100%MSS和100% ASS成分分別相同。連續(xù)沉積導(dǎo)致熱量積聚并降低冷卻速度，尤其是在上層。隨著冷卻速度的減慢，熱量的積累可能會導(dǎo)致新沉積的熔融金屬滴下。為了避免這種現(xiàn)象，在沉積過程中應(yīng)用了層旋轉(zhuǎn)90度的平行刀具路徑策略，如所示圖 2(ｄ)。

圖5　圖２（ｂ）所示的不同區(qū)域的MSS/ASS功能梯度材料的XRD圖譜　


圖6.不同質(zhì)量分數(shù)區(qū)域的MSS/ASS功能梯度材料的微觀結(jié)構(gòu):(a) 100% ASS，(b) 75% ASS +25% MSS，(c) 50% MSS +50% ASS，(d) 75% MSS +25% ASS，(e) 100% MSS。

2.3.微觀結(jié)構(gòu)表征

為了研究樣品的微觀結(jié)構(gòu)特征和相態(tài)，制備了沉積狀態(tài)的樣品。按照一般的金相程序，對樣品進行拋光。對于樣品的蝕刻，使用3毫升HCl+2克FeCl3+7毫升H2O的酸性溶液。使用光學(xué)顯微鏡(OM)表征金相預(yù)拉伸試樣上的三維誘導(dǎo)金相特征削去橫截面。顯微結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成是在帶有能量分散X射線光譜(EDX)附件的掃描電子顯微鏡(SEM)上進行的。Ｘ射線衍射(XRD)分析通過保持步長為每分鐘2°從30到100°進行。EBSD由EDAX-TSL公司在20kV的加速電壓、70°傾斜角和150 nm步長下進行。

2.4.機械性能表征

用Wilson Tukon1202在1.98 N負載(HV0.2)下測量制造樣品的輪廓的顯微硬度，保持時間為15 s。單軸拉伸試樣通過電火花線切割加工(Wire-EDM)制備。機械性能測試是在美國制造商Instron的Instron-2663上進行的�；�于E8 ASTM標準，加工出用于拉伸試驗的試樣。試件的切割方向平行于試件的建造方向的高度MSS/ASS FGMs為48 mm，如所示圖3。制備了三種類型的樣品:MSS、ASS和MSS/ASS功能梯度材料。對于每種情況，至少測試三個樣品，伸長率為0.1毫米/分鐘。

圖7.不同質(zhì)量分數(shù)區(qū)域的MSS/ASS功能梯度材料的元素濃度:(a) 100% ASS，(b) 75% ASS +25% MSS，(c) 50% MSS +50% ASS，(d) 75% MSS +25% ASS，(e) 100% MSS。

2.5.熱力學(xué)建模

ScheileGulliver模型通常用于描述金屬及其合金非平衡凝固過程中的溶質(zhì)再分布�；�于固/液界面上溶質(zhì)種類的分離現(xiàn)象。從成分變化的熔體中析出的固相可以用ScheileGulliver凝固模型預(yù)測。實質(zhì)上，ScheileGulliver認為固化在固體中沒有擴散，而是在液體中完全混合。在本文中，ScheileGulliver模型應(yīng)用于Thermo-Calc，以證明拉伸試驗中斷裂位置所在的100% ASS區(qū)域的相析出情況

3.結(jié)果和討論

3.1.MSS/ASS功能梯度材料的熔池形態(tài)

圖4 顯示了不同質(zhì)量分數(shù)區(qū)域的MSS/ASS功能梯度材料的光學(xué)圖像。觀察到熔池呈現(xiàn)典型的網(wǎng)狀形貌。這種網(wǎng)狀形態(tài)在整個MSS/ASS功能梯度材料中是一致的。在這個特征中，它包含水平和垂直彎曲薄層帶。垂直和水平層帶的形態(tài)通常是不規(guī)則的或不規(guī)則的。

3.2.MSS/ASS功能梯度材料的顯微組織和相析出

圖5 顯示了每個區(qū)域沉積態(tài)MSS/ASS功能梯度材料構(gòu)建方向上的XRD衍射峰(如所示圖2(b))。(110)、(200)和(211)面是馬氏體的典型峰，而(111)、(200)、(220)和(311)是奧氏體。雖然形成了一個完整地馬氏體微觀結(jié)構(gòu)是預(yù)期的，值得注意的是，100%　MSS區(qū)域顯示了主要的馬氏體相分布，帶有少量奧氏體，這與相關(guān)研究一致。本研究中制造的MSS/ ASS功能梯度材料揭示了大量體積分數(shù)的其他微成分，即殘余奧氏體，這是由于材料在AM工藝中連續(xù)加熱和冷卻循環(huán)期間經(jīng)歷了復(fù)雜的熱場。先前已在添加制造的420 MSS零件的微觀結(jié)構(gòu)中報告了殘余奧氏體和其他相的形成。隨著奧氏體成分的增加，可以觀察到馬氏體峰強度的下降。如所示，100% ASS的主要相分布是奧氏體，以及少量的α-鐵素體相。

圖6 顯示了從在環(huán)境溫度下制造的MSS/ASS功能梯度材料的不同區(qū)域獲得的SEM圖像從側(cè)視圖(沿建筑方向)準備。如同展出于圖6(a)觀察到，在100% ASS區(qū)，以奧氏體嵌入薄帶鐵素體沉淀為主的顯微組織。微觀結(jié)構(gòu)特征包括鐵素體，并表明鐵素體向奧氏體型轉(zhuǎn)變。鐵素體到奧氏體的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致骨架鐵素體和板條形態(tài)中的SEM圖像。圖6(b)揭示了25% MSS+75% ASS區(qū)域在奧氏體基體中包含鐵素體以及少量胞狀結(jié)構(gòu)。如所示圖6(c)50% MSS+50% ASS區(qū)域的形態(tài)非常不同，大量的胞狀結(jié)構(gòu)沉淀在樣品表面上，分散在奧氏體相周圍。在75% MSS +25% ASS的范圍內(nèi)，形態(tài)以板條馬氏體結(jié)構(gòu)為主，在馬氏體結(jié)構(gòu)中嵌入了一些胞狀結(jié)構(gòu)，可如圖6(ｄ)。由于冷卻速度快，在100%MSS區(qū)域形成了相對較細的板條馬氏體結(jié)構(gòu)，如所示圖 6(e)。

圖8.不同質(zhì)量分數(shù)區(qū)域的MSS/ASS功能梯度材料的元素分布

MSS/ASS功能梯度材料中殘余奧氏體和鐵素體的形成對其力學(xué)性能具有重要意義。由于加熱循環(huán)的過程，發(fā)生了相變。在凝固過程中，由于擴散過程，奧氏體需要時間形成。多次加熱循環(huán)會導(dǎo)致嚴重的熱量積聚，因此，在制造過程中有可能形成回復(fù)奧氏體。S. Shamsdini等人之前的研究中顯示粉末顆粒由7.4%的奧氏體部分組成，通過添加制造工藝降低到4.6～5.1%。這也與Jagle等人的相關(guān)研究相一致。表明加熱循環(huán)導(dǎo)致低體積的奧氏體形成。由于不同層的冷卻速率不同，鐵素體含量和形態(tài)多種多樣。在冷卻速度較慢的頂層，鐵素體由大量的骨架鐵素體組成。相變現(xiàn)象顯示出與圖中所示的XRD結(jié)果很好的一致性，如圖 5。

在圖 7(aeb)里，值得注意的是Cr似乎完全且均勻地覆蓋鐵素體枝晶。

在相關(guān)研究中，Cr23C6碳化物的存在歸因于鉻的存在。據(jù)報道，Cr23C6在300系列不銹鋼中的奧氏體-鐵素體相界面或奧氏體晶界處析出，并且具有從幾百納米到幾微米的尺寸，在邊界處均勻分布。在圖 7(ce)中，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的鐵素體沉淀，元素分布均勻。為了量化鐵、鉻和鎳的含量，用重量百分比表示，如所示圖8。鐵、鉻和鎳的檢測在整個MSS/ASS FGMs中進行。元素檢測區(qū)域?qū)��?yīng)于具有不同成分的區(qū)域，如所示圖7。在100% MSS區(qū)，F(xiàn)e、Cr和Ni的體積分數(shù)分別為75.8%、15.9%和5.8%。在100% ASS區(qū)，F(xiàn)e的體積分數(shù)降低到66.0%，而Cr和Ni的體積分數(shù)分別增加到19.3%和11.7%。在從100% MSS到100% ASS的轉(zhuǎn)變過程中，F(xiàn)e的含量逐漸降低，而Cr和Ni的含量隨著體積的平穩(wěn)而增加。

圖9 顯示了沿構(gòu)建方向沉積的MSS/ASS功能梯度材料的EBSD圖和粒度分布，所有樣品都沒有明顯的擇優(yōu)取向。它清楚地顯示了從MSS側(cè)到ASS側(cè)晶粒尺寸的劇烈變化。在圖. 9(ae)中，觀察到透鏡產(chǎn)生的材料沿構(gòu)建方向有輕微拉長的U形晶粒。在圖9(a)和圖9(b)在奧氏體占優(yōu)勢的區(qū)域可以觀察到大晶粒。50% MSS +50% ASS區(qū)域是晶粒尺寸開始如圖 9(ｃ)所示增長。在圖9(e)和(d)里，值得注意的是這兩個區(qū)域的晶粒為細晶粒，具有等軸晶粒形態(tài)，表明晶粒生長現(xiàn)象從100% MSS過渡到100% ASS。材料的強度隨著晶粒尺寸的增大而降低。從圖 10中，它清楚地顯示了從ASS側(cè)到MSS側(cè)的明顯的相位變化。EBSD相圖顯示100% ASS中的主要相是奧氏體，如所示圖 10(ａ)。在圖 10(bec)，從75% MSS+25% ASS區(qū)的主要奧氏體到兩相區(qū)有一個過渡奧氏體和馬氏體在50% MSS+50% ASS區(qū)域。在圖 10(d)隨著MSS的增加，馬氏體變?yōu)槌跎�相，并伴有少量奧氏體。這是值得注意的是，在100% MSS區(qū)域可以清楚地觀察到殘留的奧氏體，如圖 10(e)所示。

圖9.不同質(zhì)量分數(shù)區(qū)域MSS/ASS功能梯度材料的IPF圖和粒度分布:(a) 100% ASS，(b)75% ASS +25% MSS，(c) 50% MSS +50% ASS，(d) 75% MSS +25% ASS，(e) 100% MSS。


圖10 .不同質(zhì)量分數(shù)區(qū)域的MSS/ASS功能梯度材料的相分布:(a) 100% ASS，(b) 75% ASS +25% MSS，(c) 50% MSS +50% ASS，(d) 75% MSS +25% ASS，(e) 100% MSS。

3.3.MSS/ ASS功能梯度材料的力學(xué)性能和斷口形貌

圖 11顯示了MSS/ASS功能梯度材料橫截面的顯微硬度結(jié)果。沉積樣品在100% MSS側(cè)具有358 HV的最大硬度。原因可能是由于FGM結(jié)構(gòu)的梯度區(qū)域中的等軸晶粒結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸更細也可以由EBSD的結(jié)果直接表現(xiàn)出來，如圖 9(e)。隨著ASS的增加，MSS/ASS梯度材料的硬度相應(yīng)降低。在100% ASS側(cè)觀察到試樣的最小硬度范圍為170-190 HV。顯微硬度結(jié)果與奧氏體的增加有關(guān)。隨著奧氏體的增加，會形成晶粒長大區(qū)。晶粒生長區(qū)類似于粗晶粒熱影響區(qū)。在熱影響區(qū)，發(fā)現(xiàn)了一種典型的軟化現(xiàn)象，這在低碳鋼焊接中很常見。一般來說，從100% MSS側(cè)到100%ASS側(cè)，隨著奧氏體的增加，硬度幾乎立即開始降低。

圖11.MSS/ASS功能梯度材料橫截面的顯微硬度分布圖。

圖12 分別顯示了MSS、ASS和MSS/ASS功能梯度材料試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在這種情況下，構(gòu)建和拉伸方向是一致的。如所示圖12，MSS樣品具有大約1173 MPa的抗拉強度和14%的伸長率。ASS試樣具有542 MPa的抗拉強度和29.5%的伸長率，類似于通過DED存放ASS的相關(guān)研究。沉積態(tài)MSS/ASS FGMs樣品具有669 MPa的抗拉強度和19%的伸長率。顯而易見，圖11與ASS試樣相比，MSS/ASS FGMs試樣的強度提高了127 MPa。此外，與MSS試樣相比，MSS/ASS FGMs試樣的延性提高了35.7%。

圖12. MSS試樣、ASS試樣和MSS/ASS FGMs試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖１３．沉積樣品的拉伸斷裂形貌：(a) 100% MSS, (b) 100% ASS, (c) MSS/ASS FGMs。　

圖１４．　拉伸測試的MSS/ASS FGMs樣品在斷裂區(qū)域的凝固路徑

4.結(jié)論

在這項研究中，使用激光工程凈成形(LENS)系統(tǒng)，通過90度在每層旋轉(zhuǎn)和平行刀具路徑策略，在SS304L基板上成功制造了馬氏體不銹鋼(MSS)/奧氏體不銹鋼(ASS)功能梯度材料(FGMs)。通過對沉積態(tài)MSS/ASS功能梯度材料的機加工試樣進行顯微組織和力學(xué)性能測試。此外，基于Calphad的沙伊爾-格利佛模型用于預(yù)測破壞區(qū)域的階段形成。基于熱力學(xué)模型和實驗結(jié)果，在100% ASS側(cè)，凝固開始于從液體中析出α-鐵素體，并在奧氏體轉(zhuǎn)變后結(jié)束，100% ASS區(qū)域的最終微觀結(jié)構(gòu)由奧氏體基體中的α-鐵素體組成。沉積態(tài)MSS/ASS FGMs試樣的極限抗拉強度(抗拉強度)提高到669 MPa，伸長率分別為19%。與沉積態(tài)的MSS試樣相比，其延伸率提高了35.7%。此外，沉積態(tài)試樣的抗拉強度提高了127 MPa，抗拉強度為542 MPa。MSS/ASS功能梯度材料試樣拉伸試驗中的失效位置是100% ASS區(qū)域。這也歸因于100% ASS區(qū)域中的晶粒生長和最小硬度。鐵素體相作為位錯運動的阻礙因素，并導(dǎo)致沉積態(tài)MSS/ASS功能梯度材料的延性降低。

圖１５　多晶結(jié)構(gòu)的設(shè)計及其一個具體的應(yīng)該案例，以上這種是傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)或者很難實現(xiàn)的

文章來源：Additive manufacturing and mechanical properties of martensite/austenite functionally graded materials by laser engineered net shaping,Journal of Materials Research and TechnologyVolume 17, March–April 2022, Pages 1570-1581,https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.01.111
參考資料：www.sheffield.ac.uk/materials和ｍｅｔａｌ－ＡＭ；
Additive manufacturing of functionally graded metallic materials: A review of experimental and numerical studies，Journal of Materials Research and Technology，Volume 13, July–August 2021, Pages 1628-1664，https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.05.022