雷射天地導讀：材料學頂刊《Acta Materialia》近日報導，美國 Texas A&M大學研究人員採用雷射選擇性熔化（SLM）列印出迄今為止最高強度超高強度鋼，強度達到1.4GPa的馬氏體不鏽鋼，韌性達到11%。如下雷射天地帶大家一探究竟。
論文首頁截圖
馬氏體不鏽鋼由於具有超高的屈服強度和合理的韌性而重新在汽車、航空航天、國防等領域得到高度重視。最新研製的低合金高強度馬氏體不鏽鋼AF9628，其強度可以達到1.5GPa，其韌性可以達到10%。這主要是因為ε-碳化物強化相形成的原因。在致力於製造高強度部件且尺寸精度控制精準的過程中，本文報導了選擇性雷射熔化（SLM）工藝參數對製造這一新型高強不鏽鋼組織和性能的影響。採用優化的工藝框架圖來確定製備無氣孔缺陷的部件。這一工藝框架圖採用並不費錢的Eager-Tsai模型來校準單道熔覆的實驗結果，從而預測熔池形狀。建立的熔池準則用來確定掃描時可允許的最大間距，從而用來避免熔池不充分形成氣孔。採用這一工藝框架圖，可以在較寬的工藝參數範圍內獲得完全緻密的樣品。列印的AF9628樣品，其抗拉強度可以達到1.4GPa，是目前為止公開報導的強度最高的3D列印金屬樣品。其延伸率可以達到11%。本文所顯示的較靈活的參數選擇，均可以保證樣品的緻密度。為製造局部區域晶粒細化的樣品和為提高3D列印樣品機械性能提供了一個新的思路。這一優化的工藝框架圖可以為成功列印新材料起到加速的作用。
論文的Graphic Abstract
鋪粉雷射選擇性熔化（SLM）是一種可以製造複雜形狀金屬部件的高新技術。SLM為精準控制工藝參數來獲取組織和性能的部件提供了一個很好的途徑。這一技術已經成功的應用於大多數合金的列印，如Ti6Al4V、鎳基合金、Al-Si-Mg合金、奧氏體不鏽鋼等。
最近，人們將目光投向於研究SLM成型馬氏體合金上。Dilop等人使用SLM製備出完全緻密的高強度低合金HY100合金。他們報導了在列印樣品中獲得了全部的馬氏體結構。在顯微組織中含交替的回火和非回火馬氏體。對沉積態度來說，拉伸強度和屈服強度同傳統工藝製造的同等合金幾乎相當。Jelis等人採用SLM技術製備了AISI4340合金，並研究了部件在基板上的位置同機械性能之間的關係進行了研究。同時對顯微組織和機械性能之間的各向異性也進行了研究。他們的研究中獲得了細小的晶粒組織。他們還報導了在屈服強度和拉伸強度稍低時，材料的延伸率可以實現比變形的AISI4340合金還好的情形。這這一現象的物理解釋就導致了人們對獲得無氣孔缺陷和特定機械性能的製品列印的興趣。而且，小的參數變化有可能帶來完全不同的部件性能和一定程度的氣孔。目前對在何種區域範圍內會獲得無缺陷的列印製品並不清晰。
圖1 綜合數值模擬、實驗來製造無氣孔缺陷的工藝流程圖
前面所提到的工作同樣報導了後熱處理以獲得期望的機械性能。然而，已有相當一部分研究報導了通過採用優化工藝參數的辦法來提高列印製品的機械性能，而不是通過熱處理來改善的。報導中的機械性能存在差別也主要是部件的緻密度存在差別。另外一方面，也有許多研究工作是關於SLM部件顯微組織差別的原因研究。目前對馬氏體不鏽鋼列印時的工藝參數和顯微組織與機械性能之間的關係並不清楚。為了研究工藝參數對獲得緻密樣品的所有工藝參數範圍都能給予確定，換言之，需要建立可以獲得無缺陷樣品的工藝參數圖。
圖2 工藝參數選擇標準圖
對工藝參數進行優化以製備出無氣孔缺陷的樣品，常採用的辦法就是在較寬的範圍內不斷改變工藝參數進行實驗來獲得，這一方法雖然效果是可信可靠的，但卻相當費時和費錢。目前已經有好幾種模型用於熔池尺寸的預測，這些模型對就減少實驗步驟以獲得有效的實驗參數有一定的幫助。這些模型採用的是基於大量的且費時較大的計算來完成的。然而，關於如何將熔池尺寸的預測同無氣孔缺陷的製備建立起來的研究還很少見。有研究指出可以通過優化熔池尺寸的辦法是來對掃描間距進行優化。這一辦法依然需要大量的實驗來確定最優值。而且還不能將氣孔形成機制如球化或匙孔效應關聯起來。建立一種模型來獲得無氣孔缺陷的製品的工藝框架圖就顯得非常有必要了。
編輯
圖3 不同參數下列印AF9628合金超高強度馬氏體鋼的橫截面金相組織
Abrahams等人研究了一種價格低廉、低合金的超高強度馬氏體不鏽鋼，代號AF9628。該合金充分發揮了超高強度鋼中ε-碳化物強化相析出的優點。該合金的拉伸強度可以超過1.5GPa，延伸率約10%。經過適當的組織細化，強度甚至還可以超過2.0GPa。由於該合金製造容易而且合金元素價格比較低廉，AF9628一問世就受到工業界的青睞。同時人們正在研究如何利用該合金製造複雜形狀的部件。然而，目前尚未見有報導增材製造AF9628合金工藝-顯微組織-性能之間關係的公開報導。這一關係的系統研究對獲得這一新型馬氏體材料的增材製造參數對顯微組織演化和機械性能之間的關係非常有用。
圖4 美國空軍研究基地對AF9628 列印樣品進行了氣孔、機械強度和衝擊韌性等研究，顯示器機械性能非常好（文獻1）
本文報導了採用Eagar-Tsai分析模型進行熔池預測，結合單道實驗和掃描間距實驗，來對SLM AF9628進行參數變化的研究。最終是獲得緻密化的AF9628樣品。對得到的樣品進行了顯微組織和機械性能的表徵，從而確定SLM AF9628的可行性。同時研究工藝參數對機械性能的重要性。數值模擬和實驗方案見圖1。
圖5 美國空軍研究基地對列印的AF9628部件進行熱分析（文獻1）
據雷射天地了解，AF-9628由AFRL的Rachel Abrahams博士開發，是一種具有高強度和韌性的鋼合金。在最初的開發中，AF-9628被用來製造具有所需爆炸輪廓的掩體炸彈。與HP-9-4-20(一種用於Massive Ordnance Penetrator武器系統的鋼)相比，AF-9628是獨一無二的，因為它不含鎢。 儘管AF-9628的配方比傳統彈藥中使用的普通牌號貴，但其成本卻低於其他高性能鋼合金，包括Eglin Steel和HP-9-4-20。對於這些吸引人的特性，特別是其高強度，研究實驗室確定AF-9628是增材製造的最佳材料。
參考文獻：
1.http://www.toolingandproduction.com/cms/tap/opens/articleview.php?nid=3&bid=952&aid=117099&eid=Website%20Visitor&lk=1&sr=R&tp=Y。"Rachel's Steel:" High-Strength, Low-Cost Alloy for 3D Printing，
原文來源：An ultra-high strength martensitic steel fabricated using selective laser melting additive manufacturing: Densification, microstructure, and mechanical properties[J]，Acta Materialia，Volume 186, March 2020, Pages 199-214。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.12.037