德國馬普所Nature頂刊丨高強鋼的激光增材制造

來源：增材制造碩博聯(lián)盟

由激光增材制造(LAM)生產的零件會經歷獨特的熱過程。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，因此提供了局部調整微觀結構的機會。然而，必須對新材料進行定制設計，以最好地利用這些特定條件。因為傳統(tǒng)合金成分針對其他加工路線（例如鑄造或鍛造）進行了優(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。這種馬氏體時效鋼具有兩個重要的相變特性。最初，通過奧氏體-馬氏體轉變在淬火時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)生產以及激光增材制造生產的商業(yè)馬氏體時效鋼（例如18Ni-300）需要進行昂貴的時效處理以形成性能增強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沉淀動力學，使其非常適合利用固有熱處理期間的短溫度峰值進行原位沉淀硬化。

定向能量沉積工藝參數的數字化控制使在局部利用這兩個相變調整微觀結構，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構最初是由于反復折疊和鍛造由硬鋼和軟鋼組成的宏觀復合材料，并賦予復合材料優(yōu)異的強度和延展性。德國的研究人員利用這一概念生產類似大馬士革的馬氏體時效鋼，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）來制造分層微觀結構。研究人員專門設計了一種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。通過調整定向能量沉積工藝參數以調節(jié)制造過程中的時間-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，從而控制機械行為。該方法避免了耗時且昂貴的后處理時效熱處理，并且還提供了局部調整微觀結構的可能性，這是傳統(tǒng)熱處理無法實現的。相關研究以 “High-strength Damascus steel by additive manufacturing” 為標題發(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長方體Fe19Ni5Ti(wt%)馬氏體時效鋼零件。作為一種激光增材制造方法，定向能量沉積過程使用計算機控制的沉積策略，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。停頓導致在每個塊的頂部形成一個暗帶，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構中最粗糙的成分。

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的馬氏體時效鋼的典型顯微組織，由Ni-馬氏體基體組成，殘余奧氏體出現在枝晶間區(qū)域。奧氏體能夠穩(wěn)定是因為枝晶間區(qū)域富含溶質。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數和馬氏體形態(tài)（圖2a）。元素映射揭示了兩個不同長度尺度上Ti分布的不均勻性（圖2b和2c）。(1)在熔池中的流體流動期間，預合金化的Fe20Ni（wt%）粉末與元素Ti粉末的不完全混合導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數沒有影響。(2)Ti在凝固過程中向枝晶間區(qū)域的微偏析導致微米級區(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 微觀結構表征

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，因為更粗糙的表面發(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，因為Ti通常被歸類為鋼中的鐵素體穩(wěn)定元素。然而，我們使用相圖計算(CALPHAD)模擬計算了馬氏體形成的驅動力，結果表明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因此充當奧氏體穩(wěn)定劑。由定向能量沉積期間的快速冷卻產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構的中間成分。