導讀：雷射增材製造的部件經歷了大量的循環再加熱，研究者可以利用快速淬火、順序原位加熱和局部相變來製造層狀微觀結構，實現對馬氏體形成和析出的精確、局部控制，從而控制了機械行為。研究的材料具有1300MPa的抗拉強度和10%的延伸率。採用的原位沉澱強化和局部組織控制原理可廣泛應用於沉澱硬化合金和不同添加劑的製造工藝，避免了耗時和昂貴的後處理時效熱處理，也提供了局部調整微觀結構的可能性，這是傳統熱處理不可能做到的。
雷射增材製造對於利用計算機輔助設計模型從金屬粉末中生產複雜的三維部件極具吸引力。例如，通過使用高冷卻速率和循環再加熱，該方法可以實現加工參數的數位化控制，從而產生合金的組織。
近日，來自德國馬普所的Philipp Kürnsteiner、Dierk Raabe 等研究者最近研究表明，這種循環再加熱，即所謂的本徵熱處理，可以在雷射增材製造過程中在鐵鎳鋁合金中觸發鎳鋁沉澱。在這裡，研究者們報告了為雷射增材製造量身定做的Fe19Ni5Ti(重量百分比)鋼。相關論文以題為「High-strength Damascus steel by additive manufacturing」於北京時間6月25日發表在Nature上。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2409-3
由雷射增材製造(LAM)的部件經歷了特定的熱過程。首先是從液態快速淬火，然後是內在熱處理(IHT)，即由大量短的溫度峰值組成的循環再加熱。在定向能沉積(DED)中，零件是由雷射熔化粉末由載氣通過噴嘴輸送。在DED中，提供了局部調整微觀結構的機會。然而，新材料必須是量身定製的，以最好地利用這些特殊條件，因為傳統的合金成分不能被期望有效地發揮作用，因為它們已經被優化為其他加工路線，例如鑄造或鍛造。
研究表明， IHT可以在鐵鎳鋁(Fe-Ni-Al)合金中觸發鎳鋁(NiAl)沉澱。這種所謂的馬氏體時效鋼的性能來自兩個重要的相變。首先，在經過奧氏體-馬氏體轉變的淬火過程中形成柔軟的富鎳馬氏體組織。隨後，該馬氏體通過第二次相變硬化，形成金屬間納米沉澱物。因此，以常規方式生產的和用LAM-生產的商業馬氏體時效鋼(例如18Ni-300)需要進行昂貴的時效處理，以形成增強性能的金屬間析出物。鐵-鎳-鈦(Fe-Ni-Ti)合金體系具有極快的Ni3Ti析出動力學，使其非常適合利用IHT期間的短溫度峰進行原位析出硬化。
在這裡，DED工藝參數的數位化控制允許研究者在局部利用這兩種相變，並調整微觀結構，以創造一種靈感來自大馬士革鋼的新材料。大馬士革鋼的層狀結構最初是由於反覆摺疊和鍛造由硬鋼和軟鋼組成的大複合材料而產生的，這給複合材料帶來了優異的強度和延性。研究者利用這一概念，通過利用快速淬火、順序原位加熱和局部相變來製造層狀微觀結構，而不是通過摺疊和鍛造來生產類似馬氏體的馬氏體時效鋼。
研究者專門設計了一種Fe19Ni5Ti (wt%)合金，以利用快速淬火和超前高溫。通過調整了DED工藝參數，以調節製造過程中的時間溫度分布，從而實現了對馬氏體形成和析出的精確、局部控制，從而控制了機械行為。研究的材料具有1300MPa的抗拉強度和10%的延伸率，顯示出比古大馬士革鋼更加優異的機械性能。這裡所採用的原位沉澱強化和局部組織控制原理可廣泛應用於沉澱硬化合金和不同添加劑的製造工藝。該方法避免了耗時和昂貴的後處理時效熱處理，也提供了局部調整微觀結構的可能性，這是傳統熱處理不可能做到的。
圖1 DED-製造Fe19Ni5Ti (wt%)樣品。
圖2 不同長度尺度下的微觀結構表徵。
圖3 軟區和硬區馬氏體和奧氏體的APT分析。
圖4 熱歷史的影響。
圖5 2個Fe19Ni5Ti (wt%)鋼試樣的拉伸試驗。
綜上所述，本文提出的方法適用於廣泛的增材製造工藝。此外，利用內在熱處理（IHT）進行的原位硬化可以擴展到其他沉澱硬化合金。局部定製微結構和機械性能的機會為製造業提供了新的可能性。（文：水生）
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