德國馬普所Nature頂刊丨高強(qiáng)鋼的激光增材制造

來源：增材制造碩博聯(lián)盟

由激光增材制造(LAM)生產(chǎn)的零件會(huì)經(jīng)歷獨(dú)特的熱過程。首先是從液態(tài)快速淬火，然后是固有熱處理（IHT），即由多個(gè)短溫度峰值組成的循環(huán)再加熱。在定向能量沉積(DED)中，零件是通過激光熔化由載氣通過噴嘴送入的粉末逐層構(gòu)建的。在定向能量沉積制備過程中，固有熱處理很明顯，因此提供了局部調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)。然而，必須對新材料進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，以最好地利用這些特定條件。因?yàn)閭鹘y(tǒng)合金成分針對其他加工路線（例如鑄造或鍛造）進(jìn)行了優(yōu)化，因此無法期望其在激光增材制造過程中發(fā)揮優(yōu)化作用。

最近的研究表明，固有熱處理可以引發(fā)鐵-鎳-鋁(Fe-Ni-Al)合金中的鎳-鋁(NiAl)沉淀。這種馬氏體時(shí)效鋼具有兩個(gè)重要的相變特性。最初，通過奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變在淬火時(shí)形成軟的富鎳馬氏體顯微組織。該馬氏體隨后通過第二相變硬化以形成金屬間納米沉淀物。因此，常規(guī)生產(chǎn)以及激光增材制造生產(chǎn)的商業(yè)馬氏體時(shí)效鋼（例如18Ni-300）需要進(jìn)行昂貴的時(shí)效處理以形成性能增強(qiáng)的金屬間化合物沉淀物。鐵-鎳-鈦(Fe-Ni-Ti)合金系統(tǒng)顯示出極快的Ni3Ti沉淀動(dòng)力學(xué)，使其非常適合利用固有熱處理期間的短溫度峰值進(jìn)行原位沉淀硬化。

定向能量沉積工藝參數(shù)的數(shù)字化控制使在局部利用這兩個(gè)相變調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)，以創(chuàng)造一種受大馬士革鋼啟發(fā)的新材料成為可能。大馬士革鋼的層狀結(jié)構(gòu)最初是由于反復(fù)折疊和鍛造由硬鋼和軟鋼組成的宏觀復(fù)合材料，并賦予復(fù)合材料優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性。德國的研究人員利用這一概念生產(chǎn)類似大馬士革的馬氏體時(shí)效鋼，通過利用快速淬火、連續(xù)原位加熱和局部相變（而不是通過折疊和鍛造）來制造分層微觀結(jié)構(gòu)。研究人員專門設(shè)計(jì)了一種Fe19Ni5Ti(wt%)合金，以利用定向能量沉積的快速淬火和固有熱處理過程。通過調(diào)整定向能量沉積工藝參數(shù)以調(diào)節(jié)制造過程中的時(shí)間-溫度曲線，從而能夠精確、局部地控制馬氏體的形成以及沉淀，從而控制機(jī)械行為。該方法避免了耗時(shí)且昂貴的后處理時(shí)效熱處理，并且還提供了局部調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)的可能性，這是傳統(tǒng)熱處理無法實(shí)現(xiàn)的。相關(guān)研究以 “High-strength Damascus steel by additive manufacturing” 為標(biāo)題發(fā)表在國際頂刊《Nature》上。

論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2409-3

研究人員使用定向能量沉積工藝制造了一個(gè)長方體Fe19Ni5Ti(wt%)馬氏體時(shí)效鋼零件。作為一種激光增材制造方法，定向能量沉積過程使用計(jì)算機(jī)控制的沉積策略，其中包括在四層塊沉積之后的120秒暫停。在此暫停期間，關(guān)閉激光并冷卻樣品。該過程的示意圖和顯微照片如圖1所示。停頓導(dǎo)致在每個(gè)塊的頂部形成一個(gè)暗帶，該暗帶連續(xù)沉積而沒有停頓。疊加的硬度分布表明，暗帶比中間的四層塊大約硬100HV。這些在毫米-厘米長度尺度上的暗帶代表了在圖1c中繪制的大馬士革鋼分層微觀結(jié)構(gòu)中最粗糙的成分。

圖1 定向能量沉積的Fe19Ni5Ti樣品

圖2顯示了激光增材制造生產(chǎn)的馬氏體時(shí)效鋼的典型顯微組織，由Ni-馬氏體基體組成，殘余奧氏體出現(xiàn)在枝晶間區(qū)域。奧氏體能夠穩(wěn)定是因?yàn)橹�晶間區(qū)域富含溶質(zhì)。電子背散射衍射（EBSD）表明，硬帶和較軟區(qū)域都具有相似的奧氏體分?jǐn)?shù)和馬氏體形態(tài)（圖2a）。元素映射揭示了兩個(gè)不同長度尺度上Ti分布的不均勻性（圖2b和2c）。(1)在熔池中的流體流動(dòng)期間，預(yù)合金化的Fe20Ni（wt%）粉末與元素Ti粉末的不完全混合導(dǎo)致了幾百微米大小的富鈦區(qū)域。這些混合不均勻性對總相分?jǐn)?shù)沒有影響。(2)Ti在凝固過程中向枝晶間區(qū)域的微偏析導(dǎo)致微米級區(qū)域富集Ti。圖2b顯示，硬區(qū)和軟區(qū)之間合金元素的分布或濃度沒有明顯差異。

圖2 微觀結(jié)構(gòu)表征

圖2c說明了Ti和Ni微偏析在穩(wěn)定奧氏體中的作用。帶有重疊EBSD圖的電子顯微照片顯示，光滑、顏色較深的區(qū)域是奧氏體。馬氏體看起來更亮，因?yàn)楦�粗糙的表面發(fā)射更多的二次電子。元素映射表明枝晶間區(qū)域的奧氏體富含Ti和Ni。這是違反直覺的，因?yàn)門i通常被歸類為鋼中的鐵素體穩(wěn)定元素。然而，我們使用相圖計(jì)算(CALPHAD)模擬計(jì)算了馬氏體形成的驅(qū)動(dòng)力，結(jié)果表明Ti富集降低了奧氏體和馬氏體之間的吉布斯能量差。在這種合金中，Ti因此充當(dāng)奧氏體穩(wěn)定劑。由定向能量沉積期間的快速冷卻產(chǎn)生的這些枝晶和枝晶間區(qū)域代表了圖1c中所示的分級微觀結(jié)構(gòu)的中間成分。