西工大林鑫四校聯合頂刊：激光混合增材制造超高強鋼的顯微組織和力學性能
時間：2024-02-21 09:11 來源：增材制造碩博聯盟 作者：admin 閱讀：次
35CrMnSiA是一種超高強度鋼，廣泛應用于具有幾何規則結構和復雜延伸特征的關鍵部件，例如結構殼體。激光混合增材制造（LHAM）是一種結合了傳統制造和增材制造優點的先進制造技術。例如，將鍛造和定向能量沉積（DED）結合的LHAM技術先將基礎結構鍛造成規則的幾何形狀，并利用DED來制造復雜的延伸部件。這種LHAM具有快速且經濟高效地生產這些組件的潛力。然而，LHAM制備的35CrMnSiA鋼不同區域顯微組織的形成機制及其對整體拉伸性能的影響仍不清楚，從而極大地限制了其應用。
為了解決這個問題，西北工業大學凝固技術國家重點實驗室、金屬高性能增材制造與創新設計工業和信息化部重點實驗室的林鑫教授團隊聯合華中科技大學、長安大學和南方科技大學團隊合作在國際頂級期刊《Materials Science and Engineering: A》上發表了最新研究成果“Microstructure and mechanical properties of an ultra-high strength steel fabricated by laser hybrid additive manufacturing”，采用鍛造35CrMnSiA鋼作為基礎材料，并利用定向能量沉積(DED)來制造無缺陷的LHAM零件。關注公眾號: 增材制造碩博聯盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應用！
LHAM制造的35CrMnSiA鋼的顯微組織與位置相關。激光沉積區域包含具有內部碳化物和邊界分布的碳化物的鐵素體，而基底區域包含馬氏體。熱影響區呈現出兩者之間的梯度微觀結構。沉積區的微觀結構主要受沉積過程中的凝固行為和熱歷史的影響，而熱影響區則主要受再結晶的影響。微觀結構的不均勻特征顯著影響其力學性能，導致“木桶效應”，即LHAM制造的35CrMnSiA鋼的拉伸性能取決于最弱的激光沉積區。LHAM制造的35CrMnSiA鋼的極限抗拉強度和延伸率分別為959MP和15.2%。該研究為控制混合制造超高強鋼的微觀結構和優化性能奠定了基礎。
(1) 熱影響區和激光沉積區均主要由BCC相組成，并且存在最少的FCC相。基體的特點是主要是板條馬氏體，而熱影響區則存在鐵素體和球形碳化物。沉積區主要由少量的近等軸和板條鐵素體組成，內部和邊界均伴有彌散的碳化物。靠近熔合線，熱影響區的晶粒結構經歷從板條馬氏體到板條和近等軸晶粒組合的轉變，最終發展成完全細化的等軸晶粒。熱影響區主要由沿晶界富含碳化物的近等軸鐵素體組成，并伴有基體中納米級碳化物的析出。
(2) 沉積區內微觀結構的形成主要受熱行為的影響。連續的熱量輸入導致冷卻速度變慢，使碳能夠徹底分布和長距離擴散，從而形成珠光體團。再結晶主要控制熱影響區的微觀結構，基體區域經歷多層滲透、臨界間退火和長時間回火的復雜序列。采用常規的DED加工參數很難將LDZ組織轉變為馬氏體。
(3) 激光沉積區的屈服強度為746MPa，拉伸強度為1003MPa，伸長率為19.6%。LHAM制造的35CrMnSiA鋼的屈服強度為708MPa，抗拉強度為959MPa，延伸率為15.2%。它的強度大約是鍛造制品的一半。總體而言，超高強鋼的LHAM仍然具有挑戰性。不同區域發生機械失配現象，導致拉伸變形過程中應變分布不均勻，導致較弱區域出現應變集中和后續失效。LHAM制造的35CrMnSiA鋼在機械性能方面表現出顯著的“木桶效應”。
為了解決這個問題，西北工業大學凝固技術國家重點實驗室、金屬高性能增材制造與創新設計工業和信息化部重點實驗室的林鑫教授團隊聯合華中科技大學、長安大學和南方科技大學團隊合作在國際頂級期刊《Materials Science and Engineering: A》上發表了最新研究成果“Microstructure and mechanical properties of an ultra-high strength steel fabricated by laser hybrid additive manufacturing”，采用鍛造35CrMnSiA鋼作為基礎材料，并利用定向能量沉積(DED)來制造無缺陷的LHAM零件。關注公眾號: 增材制造碩博聯盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應用！
圖1. 35CrMnSiA 鋼激光混合增材制造 (LHAM) 的材料和實驗細節 (a)
35CrMnSiA鋼粉的形貌和尺寸分布；(b) LHAM過程的示意圖；(c) LHAM 制作的 35CrMnSiA 鋼樣品以及拉伸試驗和 DIC
試樣的制備；拉伸試樣（d）和DIC試樣（e）的尺寸，單位為mm
LHAM制造的35CrMnSiA鋼的顯微組織與位置相關。激光沉積區域包含具有內部碳化物和邊界分布的碳化物的鐵素體，而基底區域包含馬氏體。熱影響區呈現出兩者之間的梯度微觀結構。沉積區的微觀結構主要受沉積過程中的凝固行為和熱歷史的影響，而熱影響區則主要受再結晶的影響。微觀結構的不均勻特征顯著影響其力學性能，導致“木桶效應”，即LHAM制造的35CrMnSiA鋼的拉伸性能取決于最弱的激光沉積區。LHAM制造的35CrMnSiA鋼的極限抗拉強度和延伸率分別為959MP和15.2%。該研究為控制混合制造超高強鋼的微觀結構和優化性能奠定了基礎。
圖2. LHAM 制造的 35CrMnSiA 鋼的顯微組織 (a) 重構奧氏體晶粒的 EBSD 圖；(b)晶粒微觀結構的位置和特征之間的關系；(c)–(d) LDZ、(e)–(f) HAZ 和 (g)–(h) WSZ 中不同放大倍數的典型微觀結構
圖4. 斷口分析
圖5. 不同冷卻速率下DED制備35CrMnSiA鋼的組織演變
圖6. 熱處理過程中組織演變示意圖
該工作研究了35CrMnSiA鋼熱影響區和激光沉積區的成分、物相和顯微組織。此外，還研究了LHAM制造的35CrMnSiA鋼的力學性能和變形行為。主要結論如下。(1) 熱影響區和激光沉積區均主要由BCC相組成，并且存在最少的FCC相。基體的特點是主要是板條馬氏體，而熱影響區則存在鐵素體和球形碳化物。沉積區主要由少量的近等軸和板條鐵素體組成，內部和邊界均伴有彌散的碳化物。靠近熔合線，熱影響區的晶粒結構經歷從板條馬氏體到板條和近等軸晶粒組合的轉變，最終發展成完全細化的等軸晶粒。熱影響區主要由沿晶界富含碳化物的近等軸鐵素體組成，并伴有基體中納米級碳化物的析出。
(2) 沉積區內微觀結構的形成主要受熱行為的影響。連續的熱量輸入導致冷卻速度變慢，使碳能夠徹底分布和長距離擴散，從而形成珠光體團。再結晶主要控制熱影響區的微觀結構，基體區域經歷多層滲透、臨界間退火和長時間回火的復雜序列。采用常規的DED加工參數很難將LDZ組織轉變為馬氏體。
(3) 激光沉積區的屈服強度為746MPa，拉伸強度為1003MPa，伸長率為19.6%。LHAM制造的35CrMnSiA鋼的屈服強度為708MPa，抗拉強度為959MPa，延伸率為15.2%。它的強度大約是鍛造制品的一半。總體而言，超高強鋼的LHAM仍然具有挑戰性。不同區域發生機械失配現象，導致拉伸變形過程中應變分布不均勻，導致較弱區域出現應變集中和后續失效。LHAM制造的35CrMnSiA鋼在機械性能方面表現出顯著的“木桶效應”。
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