顶刊长篇综述《IMR》IF=19.56：钢的激光增材制造

本体裁系的概述了高性能钢的激光增材制造 (LAM) 研究现状。

以范例高性能钢种为例，重点谈论了LAM工艺、微不雅观构造和机器性能之间的内在关系；提出了当前钢材LAM中的各种问题；概括了用于进一步提高LAM钢材性能的干系技能；末了指出了钢材 LAM 所面临的寻衅和前景。

论文链接：

https://doi.org/10.1080/09506608.2021.1983351

【内容梗概】

目前，基于激光的增材制造技能 (LAM) 能够用于制造繁芜形状的部件、修复破坏的零件以及航空、汽车、电子和生物医学行业的快速加工。
LAM技能经历了 30 多年的发展已经能够用于制造各种金属部件。
目前最常见的 LAM 合金有钢铁材料、钛合金、镍合金、铜合金和铝合金 。
作为各工业部门中利用最广泛的金属材料，钢铁材料具备较大的工业运用潜力，在LAM领域受到越来越多的关注。
与传统的制造方法比较，LAM 的分外性包括质料与激光束的相互浸染、快速冷却、逐层堆积和多次热循环，因此产生了独特的微不雅观构造和机器性能，同时可实现具有繁芜几何形状部件的近净成形。
为充分发挥金属增材制造的上风，目前对钢铁 LAM 的研究侧重于那些具有精良或分外性能的材料，如高强度和韧性、高硬度/耐磨性、高耐堕落性和高焊接性。
LAM 领域的研究最广泛的钢种包括不锈钢（例如奥氏体 316 钢、17-4 PH 钢等）、马氏体时效钢（例如 18Ni-300）和工具钢（例如 H13 和 M2）等。
值得把稳的是，大部分LAM钢铁产品仍处于研究的早期阶段。
与铸造和铸造等传统制造工艺比较，由于繁芜的冶金成分，LAM生产的钢的微不雅观构造和综合性能更难以掌握。
因此，对钢材的 LAM研究进展进行全面的总结剖析具有主要的理论和实践意义。

本文首先简述了两种范例LAM（L-PBF和L-DED）的特点，谈论了不同 LAM 工艺参数对钢部件的尺寸精度、毛病、残余应力、微不雅观构造和机器性能的影响。
并以范例的奥氏体钢、铁素体钢、双相钢和马氏体钢等为例，重点谈论了LAM工艺、微不雅观构造和机器性能之间的内在关系。
指出了当前钢材LAM中的问题，如毛病、残余应力、性能颠簸以及各向异性等。
概括了用于进一步增强LAM钢材性能的干系技能，包括预处理，稠浊增材制造和后处理技能。
末了，文章提出了钢材 LAM 所面临的持续寻衅和前景。

文章指出目前两种范例的 LAM 系统（L-PBF和L-DED）均可以制造致密的钢部件。
与传统工艺制造的部件比较， LAM 过程中的繁芜热历史（高热梯度、快速冷却速率、重复热循环）导致钢中的形成异质微不雅观构造（细晶，胞状构造、微尺度偏析、高密度的位错、纳米级氧化物等）。
因此，只管 LAM 生产的大多数钢都可以达到高强度（有些乃至比铸造钢更高），但 LAM 生产的钢部件的低延展性和抗疲倦性仍旧是一个持续存在的问题。
这归因于零件中的毛病（气孔和裂纹）和高残余应力。
马氏体钢的脆性尤其显著，如马氏体不锈钢和工具钢，表明它们的打印性较低。
此外，与其他金属的增材制造一样，钢铁产品的质量密切依赖于 LAM 加工参数。
因此，优化 LAM 处理参数仍旧是必不可少的。
此外，沿构建方向的柱状晶粒常日会导致性能各向异性，特殊是在奥氏体、沉淀硬化和双相不锈钢中。

LAM钢部件的微不雅观构造和机器性能在很大程度上取决于加工参数。
LAM 过程中的多数变量及其相互浸染会显著影响冶金过程和热历史（例如能量密度、冷却速率、热梯度）。
特定钢的凝固和固态相变可以通过调度 LAM 加工参数（例如 DSS 和 PH SS 中的相变，马氏体时效钢中的原位析出）来改变。
因此，加工参数的多种组合导致熔池几何形状、微不雅观构造（毛病、相身分、晶粒形态、织构等）的可变性，从而导致其力学性能的分散性。
因此，优化 LAM 处理参数仍旧是必不可少的。
另一方面，这也可能为钢铁产品的微不雅观构造掌握供应一种大略可行的策略，以实现其定制化的性能。
此外，其余一些钢，如奥氏体和铁素体不锈钢，特殊适宜 LAM，因其可以产生独特的微不雅观构造和精良的力学性能。
然而，一些钢，如大多数马氏体钢，尤其是 M2 工具钢，仍旧面临 LAM 的寻衅。

此外，目前提出的用于增强LAM部件质量和性能的工艺（包括预热、稠浊工艺和后处理工艺）被证明是有效的，只管每种技能都有其局限性。
例如，一些稠浊 LAM 方法（例如在 LAM 过程中进行机器加工和重熔）不可避免地会增加制造韶光，有些可能会显著降落强度，例如 HIP。
有些可能会导致样品在加工过程中被污染，例如喷丸强化和激光强化。
因此，建议选择适当的工艺来提高零件的质量，以知足运用和性能哀求。

基于上述内容，作者提出了一些可能值得未来研究关注的主题。

(1) 提高不同钢种的可打印性：目前，只有少数商用钢可以利用 LAM 工艺制造。
但是，它们的可打印性不同。
马氏体钢（例如 M2 工具钢、马氏体 SS）常日对应于低可打印性，而奥氏体钢则更具可打印性。
为了拓宽LAM在钢材上的运用，有必要研究和理解掌握钢材打印性的成分，并开拓提高其打印性的技能。
可以考虑广泛运用的微合金化方法或孕育处理，个中一些考试测验已经有所宣布（例如 420 马氏体不锈钢的原位微合金化 ）。
值得把稳的，通过少量添加或原位形成异质形核颗粒，可以在凝固过程中细化晶粒，这险些不会改变商业合金的身分。

(2) LAM专用新型钢种的开拓：除了现有的商业钢种，结合LAM工艺特点设计开拓LAM专用新钢材可能会在该领域取得打破。
例如，热循环引起的原位热处理不敷以在 马氏体时效钢的LAM 过程产生足够的沉淀物，导致强度低，YS 常日低于 1 GPa。
然而，通过增加马氏体时效钢 (如Fe-19Ni-xAl)中的 Al 含量，在 LAM 过程中勾引产生了大量纳米沉淀。
在为 LAM定制的 Fe19Ni5Ti 钢中也宣布了类似的策略，个中利用原位沉淀强化和局部微不雅观构造掌握打印出交替的软硬层异质构造部件。
此外，目前由 LAM 生产的铁素体不锈钢由于其风雅的微不雅观构造而具有精良的机器性能，这可能为我们供应一种策略来开拓具有高机器性能的新型钢材。

(3) 繁芜几何形状LAM钢构件的工艺-构造-性能关系：目前，大部分已揭橥的事情是基于从具有大略形状的分外试样中得到的实验室实验数据。
此类样品的工艺、微不雅观构造和性能之间的关系已得到很好的理解。
然而，将这种关系直接应用于具有繁芜形状的实际工程部件仍旧具有寻衅性。
如文中所述，由 LAM 生产的部件的微不雅观构造和性能也依赖于部件的尺寸和几何形状。
由于干系的文献或数据库较少，因此值得对此进行更多研究，以加速钢铁 LAM的工业运用。

【图文导读】

图 1 (a) 已揭橥的有关各种钢的 LAM 的论文数目；(b) 不同种别钢的 LAM 研究事情的百分比。
数据来自 2020 年 4 月之前揭橥的论文。

图2 L-PBF (a) 和 L-DED (b)示意图。

图 4 LAM 过程中的紧张加工参数/变量及其种别/范围

图 6 加工参数对 L-PBF 和 L-DED 制备的钢样品孔隙率的影响：(a) 激光功率；(b) 粉末进给率；(c) 扫描间隔；(d) 层厚和激光功率；(e) 扫描速率和层厚；(f) 扫描速率

图7 不同加工参数下L-PBF打印的316L不锈钢的SEM描述：(a)扫描速率；(b) 激光功率；(c-e) 氧气水平；(f-h) 层厚；(i-k) 扫描间距

图8 不同加工参数下L-DED构建的316L不锈钢单道扫描轨迹的SEM显微照片：（a-d）扫描速率；(e-h) 送粉速率；(i-l) 激光能量 [94]。

图 9 激光功率分别为 380 W (a) 和 950 W (b) 的 L-PBF 构建的 316L 不锈钢样品的微不雅观构造 (a-f) 和拉伸性能 (g)

图 12 LAM 中利用的四种扫描策略

图19 L-PBF 构建的 316L 薄壁样品在构建方向上的 EBSD 取向图: 不同的厚度（a）和倾斜角（b）

图24 EBM 构建的 Ti-6Al-4V (a) 和 L-PBF 构建的 316L 不锈钢 (b) 的标准化处理图

图25 (a)利用不同的激光功率和激光扫描速率组合（55 J/mm3 恒定能量密度）打印的Al-12Si 样品的相对密度；(b) 不同工艺参数下L-PBF 打印的 904L 钢单道横截面显微构造

图 26 (a-c) L-DED 构建和 (d-e) L-PBF 构建的 316L 不锈钢样品中熔池和胞状构造的范例形态；(g) L-PBF 构建的 316L 钢样品横截面的 SEM 图像；(h) 胞状构造的明场 TEM 图像；(i)暗场 STEM 图像；(j) 胞状构造的 TEM-EDS 图

图 27 L-PBF 制造的 AISI 441 钢的微不雅观构造（激光功率为 60 W，扫描速率为 120 mm/s）：（a）EBSD 取向图，虚线表示熔体池边界；(b) 高倍SEM显微照片，显示由刚玉颗粒装饰的胞状构造（赤色箭头）和Nb偏析（蓝色箭头）；(c) HAADF 显微照片和相应的 EDS 图

图 28 L-PBF 构建的 2205 DSS 试样的 EBSD 取向图 (a, c) 和相图 (b, d)（激光功率 250 W，扫描速率 850 mm/s，层厚 0.05 mm) 在 (a, b) 和 (c, d) 热处理之前 (a, b) 和之后 (c, d) 以 1000 C/60 分钟进行热处理：相图中铁素体相呈赤色，奥氏体相呈蓝色；TEM 图像显示 L-PBF 构建的 2507 DSS 样品（激光功率为 190 W，扫描速率为 750 mm/s，层厚为 0.02 mm）中的高密度位错 (e) 和氮化铬 (f) )。

图 29 (a-b) 两种不同的 L-PBF 制造的 17-4 PH 钢得到的 EBSD 相图：奥氏体（赤色）、铁素体（黄色）、马氏体（蓝色）[276]；(c-d) 具有马氏体 (c) [272] 和铁素体基体 (d) [277] 的 L-PBF 构建的 17-4 PH 钢的 EBSD 取向图；(e) L-PBF 构建的 17-4 PH 钢的 HAADF STEM 图像和 EDS 图 [265]

图 30 (a-b) L-PBF 420 马氏体不锈钢在 60 W 激光功率和 120 mm/s 扫描速率下的顶层 (a) 和内部区域 (b) SEM 图像 [287]；(c-d) 激光功率为 2500 W 且扫描速率为 10 mm/s 的 L-DED 制造的 420 马氏体不锈钢EBSD 取向图和相图 [284]。

图 32 (a-b) L-PBF 18Ni-300 马氏体时效钢中的胞状构造（激光功率为 285W，扫描速率为 960mm/s，层厚为 0.04mm）[325]；L-DED 18Ni-300 马氏体时效钢（激光功率 800 W，扫描速率 10 mm/s， 0.42 毫米的层厚）[319]。

图 35 (a-c) L-PBF 构建的 H13 钢横截面的 SEM 图像；(d) L-PBF 制造的 H13 钢的 TEM 图像显示板条马氏体和 M23C6 碳化物 [349, 355]；L-PBF 制造的 H13 钢的 EBSD 相图 (e) 和取向图 (f) [343, 355]；(g) L-DED 构建的 H13 样品中微不雅观构造；(h-i) L-DED H13 样品微不雅观构造：(h) 顶部，(i) 中间 [346]

图 37 (a-c) 随机分布的两相网络构造和 (d) L-DED 制造的 H13/Cu FGM 样品的孔隙率（激光功率 440 W，扫描速率 6.2 mm/s，层厚 0.3 mm和 0.4 毫米的舱口空间）[370]；（e）由 L-DED（激光功率为 910 W，层厚为 0.5 mm）制造的 FGM 样品（304L 钢和 Inconel 625 合金）中裂纹的 BSE 图像和 EDS 结果[369]；304L/V梯度组件裂纹区域附近的EBSD取向图(f)、相图(g)和EDS图(h)；(i) 304L/V/Ti-6Al-4V 梯度组件裂纹表面的 X 射线衍射结果（激光功率 600 W，扫描速率 12.7 mm/s，层厚 0.381 mm）[373]

图 38 (a) 与铸态和锻态材料比较，两种 L-PBF 制造的 316L SS 的拉伸工程应力-应变曲线；L-PBF 制造的 316L 不锈钢在不同拉伸应变下的微不雅观构造：(b) ~3% (b), (c) ~12% (c) 和 (d) ~36% [20]

图 39 用于提高 LAM钢性能的干系技能分类。

图 40 (a-c) L-PBF 制造 M2 零件：90℃ (a)、150℃ (b) 和 200℃ (c)预热温度 [362]；(d) 304 钢零件第一层的热应力 (MPa)，在 L-DED 工艺之前在距熔池边界 0.5 毫米处预热基材 [414]；(e) 材料密度随粉末床预热温度的变革；(f) L-PBF 构建的 316L 不锈钢的拉伸应力-应变曲线 [418]

图 42 (a) LAM-rolling 稠浊方法示意图；(b) 增材制造和稠浊轧制增材不锈钢部件的拉伸应力 - 应变曲线 [432]；(c) 采取和不采取稠浊轧制工艺（轧制压下量 = 0.5 毫米）单道沉积层；(d-e) 沉积层纵向截面的微不雅观构造比拟 [433]

图 43 (a) 金属 LAM 过程中超声振动示意图；(b-c) IPF 图比拟了未采取 (b) 和采取 (c) 超声振动的 LAM 316L 不锈钢的晶粒构造 [451, 452]。

图 45 (a) 3D 激光冲击强化示意图；(b) 通过喷丸强化 (SP)、激光冲击强化 (LSP) 和 3D LSP [439] 对 L-PBF 构建部件中产生的残余应力示意图；(c) L-PBF 后 UP 处理示意图；(d) UP 处理的、L-PBF 构建的 316L 样品的显微构造；(e) 经和未经 UP 处理的 L-PBF 构建的 316L 样品的拉伸应变-应力曲线 [436]

感谢论文作者团队对本文的大力支持

本文来自微信公众年夜众号“材料科学与工程”。
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