激光制造鋼的工藝進展以及面臨的挑戰(zhàn)（4）

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：本文探討了激光制造鋼的工藝進展以及面臨的挑戰(zhàn)。本文為第四部分。

能量密度
在LAM過程中,，影響鋼件質量的因素非常復雜，這意味著需要高維度來對過程進行數(shù)學描述，這對建模來說是一個巨大的挑戰(zhàn),。因此，提出了幾個數(shù)學表達式,，將這些因素整合到單個變量中,，以降低維度。與集成有限因素的流程圖不同,，該集成變量更有效地洞察不同流程參數(shù)的相互作用,。DebRoy等人對AM中常用的綜合變量進行了審查。它們包括無量綱熱輸入,、Marangoni數(shù),、Peclet數(shù),、Fourier數(shù)和熱應變參數(shù)。

這些變量的重要性以及它們對LAM過程的影響是不同的,。關于這些變量的詳細比較和討論,，見DebRoy和同事的論文。目前,，使用最廣泛的集成變量是熱輸入,，也被稱為能量輸入、比能量或能量密度,，具體取決于集成過程變量的數(shù)量,。該變量取自常規(guī)焊接，旨在通過整合不同的加工參數(shù)來描述激光加工過程中的有效能量輸入,，從而了解熔池中的物理冶金,。因此，由于缺乏對這一特別重要的變量的審查,，本綜述側重于熱輸入及其對LAM鋼性能的影響,。

研究認為，高功率壁中的粗晶粒與高線性熱輸入有關,，這導致了更大的熔池,，因此與低功率壁中的熔池相比，冷卻速度較慢（見圖17（b））,。因此,，由于晶粒更細，使用較低激光功率制備的304L試樣的強度和延展性均高于使用較高激光功率制備的試樣（見圖22（e-f））,。然而,，該線性能量密度僅涉及兩個參數(shù)（即激光功率和掃描速度），不能用于準確描述其他參數(shù)（例如送粉速度,、層厚度,、激光光斑大小和掃描間距）的組合效應。在Wang等人的研究中,，兩種薄壁樣品的送粉速率和相應的層厚度也不同,。如上所述，層厚度的增加減少了熱循環(huán)次數(shù)和總激光能量輸入,，從而獲得不同的微觀結構和機械性能,。然而，這種影響不能僅通過線性能量密度來反映,。

圖22 不同線性熱輸入下縱向L-DED構建304L樣本的EBSD逆極點圖：（a,，b）線性熱輸入 = 271 J mm–1，（c,，d）線性熱輸入 = 377 J mm-1,；（e）從低功率壁和高功率壁兩個方向提取的304L樣品,，以及從退火基板提取的樣品的拉伸應力-應變曲線；（f）縱向試樣的抗拉強度隨薄壁試樣底部距離的變化,。

為了分析L-DED工藝參數(shù)對鎳合金激光熔覆形狀的影響,，Peng等人提出了面積熱輸入，它包括三個參數(shù)（即激光功率,、掃描速度和激光光斑大�,。���

這種情況與Lu的工作不同,，在Lu的工作中,，激光比能量用于分析熱輸入對316L不銹鋼樣品成形特性的影響。如圖5（f）和圖8（g–i）所示,，L-DED制造的316L單軌樣品的寬度隨著比能量的增加而不斷增加,，而高度最初增加，然后逐漸降低,。根據(jù)Lu及其同事的說法,，存在一個臨界激光比能（Emax），在該比能上,，熔池蒸發(fā)并電離成等離子體,，從而損失部分激光能量。由于部分熔池的燒損和吸收的激光能量,，沉積效率降低,，從而降低了熔池的高度。Peng和Lu之間不一致的結果表明,，比能對熔池尺寸的影響因材料而異，例如鎳合金和316L不銹鋼,。

Sander及其同事應用了基于體積的能量密度E（J mm–3）來說明熱輸入對L-PBF制造的FeCrMoVC工具鋼零件的微觀結構,、抗壓強度和表面粗糙度的影響，并發(fā)現(xiàn)在較高的能量輸入下,，熔池的高度降低(～130 J mm–3）,，如圖23（a，b）所示,。盡管這與Lu的結果一致,，但Sander認為，由于較低的能量輸入,，掃描軌跡的固化速度較快,，這是通過減少前幾層的重熔，導致掃描軌跡增厚的原因,。因此,，需要進一步的研究來澄清這種不一致性,。此外，Sander的實驗結果表明,，L-PBF制造的工具鋼樣品具有更高的能量密度（129.6 J mm–3）的抗壓強度略高于鑄造樣品和低能量密度（89.3J）的L-PBF制造樣品 mm–3）,，如圖23（c）所示。這與L-DED不銹鋼樣品的結果相反（見圖22（e,，f））,，在圖中，當以較低的能量密度制造不銹鋼樣品時,，可獲得較高的強度,。L-PBF組合工具鋼在較高能量密度下獲得較高強度的機理尚不清楚，這可能與晶粒,、碳化物,、馬氏體含量和熔池的不同形態(tài)有關。此外,，能量密度對L-DED制造的316L和L-PBF制造的工具鋼（圖22（e,，f）和23（c））的機械性能產生不同影響的可能原因也可能因能量密度、材料性能以及機器的表達而不同,。

圖23 （a,，b）與鑄態(tài)樣品相比，L-PBF制造工具鋼樣品的微觀結構：熔體池的邊界用箭頭標記,，馬氏體針狀物被圈出,；（c）工程壓應力——與鑄態(tài)相比，L-PBF制造工具鋼樣品的應變曲線,。

通過擴展Ion等人概述的方法,，Thomas和他的同事提出了兩個無因次變量(E∗min和E∗0)，用于構造L-PBF的標準化處理圖,。E∗min是熔化粉末所需的單位體積的最小無量綱熱輸入,，而E∗0是歸一化的等效能量密度。

基于上述概述,，所有當前可用的無量綱能量輸入可總結,，并按其單位分為三組，如表2所示,。它們是線性能量密度（J mm–1）,、面積能量密度（J mm–2）和體積能量密度（J mm–3）。為了避免爭議,，新提出的體積能量密度E∗min因其單位（J mm–2）被歸類為面能密度,。顯然，與其他能量密度組相比E∗min和E∗0更準確,，因為粉末床溫度（T0）和其他變量（例如ρ,、Cp和Tm）也代表合金的熱物理性質,。

表2 當前可用無量綱能量密度的分類。

基于歸一化等效能量密度（方程式（9）-（16））,，Thomas等人構建了一系列合金系統(tǒng)AM的歸一化過程圖,，如圖24（a）所示。與僅集成激光功率和掃描速度的過程圖不同,，圖24（a）表示歸一化變量S*P*,、V*和T*的寬處理窗口，后三個參數(shù)組合成一組無量綱變量,。歸一化等效能量密度（E∗0）的等值線由虛線表示,。新的歸一化工藝圖旨在提供一個實用框架，用于比較一系列AM平臺,、合金和工藝參數(shù),，并提供有關微觀結構的預測信息。此外,，該圖還為選擇最佳工藝參數(shù)提供了有價值的參考,。對Ti6Al4V和L-PBF構建的316L的粉末床電子束熔煉（EBM）的適用性進行了實驗研究。

值得注意的是,，與線性能量密度對L-DED構建304L樣品微觀結構的影響類似,，E∗0還導致粉末層EBM構建的Ti6Al4V（圖24（a）中的α+β板條）和L-PBF構建的316L（圖24（b）中的蜂窩結構）中的微觀結構更粗糙，從而降低強度和硬度,。通常,，較高的能量密度會降低冷卻速度，并導致較粗的微觀結構,。進一步的討論見“常規(guī)生產鋼的凝固和相變簡要概述”一節(jié),。

圖24 EBM制造的Ti-6Al-4標準化處理圖 V（a）和L-PBF制造的316L不銹鋼（b）。

但這并不意味著上述能量密度表達式可以用來準確預測或評價LAM生產的構件的微觀結構,。這是因為,，對于相同的能量密度，單個參數(shù)可以非常不同,，從而不同的熔體池幾何形狀。如圖25(a)所示,，盡管體積能量密度保持不變,，但不同參數(shù)組合制備的L-PBF制備的Al-12Si樣品的相關密度從~ 40%到100%不等。

Prashanth等人認為,，雖然激光功率和激光掃描速度的結合很重要,，但單個參數(shù)(即激光功率)對孔隙率的控制具有決定性影響。此外,，在能量密度不變的情況下,，孔隙率的顯著變化也歸因于不同參數(shù)組合所導致的熔池幾何形狀的不同,。打印不同L-PBF參數(shù)的904L鋼單軌的截面圖像證實了這一點(圖25(b))。如圖25(b)所示,，雖然具有相同的線能密度,，但第3組和第7組熔體池的幾何形狀完全不同。在LAM過程中,，不同尺寸的單軌不可避免地會影響相鄰層間的相互作用,，從而導致樣品的不同性質。在L-PBF制造的316L鋼和Al 2024合金中也報道了類似的現(xiàn)象,。

圖25 (a)恒定能量密度為55 J mm-3時,，采用不同激光功率和激光掃描速度組合制備的L-PBF制備的Al-12Si樣品的相對密度;(b)不同參數(shù)的L-PBF制造的904L鋼單軌的典型斷面顯微圖。

總結
與大多數(shù)傳統(tǒng)制造工藝相比,，LAM工藝涉及各種加工變量,。在激光熔化過程中，熔池的復雜熱歷史(如熱輸入,、冷卻速率,、熱梯度、熱循環(huán))直接由激光功率,、掃描速度,、掃描間距、粉末進給速度,、層厚等加工變量決定,。這導致了每一個軌道或層的幾何形狀和微觀結構的變化，因此組件的整體性能,。

個別參數(shù)的影響
為了研究和了解加工參數(shù),，即激光功率、掃描速度,、粉末進給速度和層厚對熔池幾何形狀,、缺陷和殘余應力的影響，已經(jīng)做了大量的研究,。一般情況下,，增加激光功率同時增加了單軌樣品的寬度和高度，這是由于較高的熱輸入和捕獲效率,，這有利于消除缺陷,，特別是在L-PBF過程中產生的球化現(xiàn)象造成的熔合氣孔。通過降低掃描速度或增加粉末進給速度,，可以在單軌幾何上實現(xiàn)類似的效果,。然而，在LAM過程中，每個加工參數(shù)都有一個優(yōu)化范圍,，超出這個范圍會對零件質量產生負面影響,。例如，如果激光功率過高或掃描速度過低,，由于金屬蒸發(fā)強烈,，熔體池底部會形成較大的小孔孔。而當激光功率過低或掃描速度過高時,，則會出現(xiàn)球化現(xiàn)象,，導致熔合孔的缺失。在L-DED系統(tǒng)中,，粉末進給速度也是關鍵的,，因為它直接關系到捕獲效率。過高的粉末進料速度導致未熔化的粉末,，因此高孔隙率,。

除了熔池的幾何形狀和缺陷外，鋼構件的組織(特別是晶粒形態(tài),、織構和相成分)和機械性能也取決于LAM工藝參數(shù),，這些參數(shù)改變了熱歷史(如熱輸入、冷卻速率,、熱梯度,、熱循環(huán))。例如,，較高的激光功率和較低的掃描速度,，即單位時間和單位面積的能量輸入較高，可以增強LAM過程中形成的馬氏體/貝氏體的原位回火,。

在LAM過程中還需要考慮其他的加工參數(shù),，包括掃描策略、激光類型,、激光束大小和形狀,、層切片策略、保護氣體,、建筑朝向和樣品幾何形狀,。例如，分形,、螺旋和島狀掃描策略,，而不是傳統(tǒng)的直線掃描策略，已被用于減少殘余應力,，從而使局部變形最小化，這是由于LAM過程中陡直的熱梯度造成的。此外,，掃描策略和掃描層厚度對LAM加工鋼的相組成(如馬氏體鋼中的殘余奧氏體)和晶粒尺寸都有顯著的影響,，這是因為它們導致的冷卻速率的差異。例如,，可以利用激光束的形狀來改變熔池的幾何形狀;保護氣體,，由于在LAM過程中降低了氧化水平，改變了鋼件的幾何精度,。

此外,，控制保護氣體成分似乎是另一種有效的方法來調整微觀結構和相組成。例如,，在17-4 PH鋼的LAM過程中,，N2氣體可以用來穩(wěn)定奧氏體相，或者作為氮源,，在含有強氮形成元素的鋼(如馬氏體時效鋼)中原位形成氮化物沉淀,。此外，切片策略需要從一開始就正確選擇,，因為它會導致復雜幾何形狀構件的熱歷史變化,，導致微觀結構和力學不均勻。然而,，對這些變量的研究相對有限,，特別是對微觀組織和力學性能的研究。為了制造高質量的零件,，需要對這些工藝參數(shù)進行深入研究和了解,。從焊接研究中產生的知識可以是一個有用的參考來源。

各參數(shù)的組合效應
除了上述的流程圖外,，還提出了一些數(shù)學表達式來將各種加工變量整合成一個單一的變量,。與集成了有限因素的過程圖相比，這個集成的數(shù)學變量在洞察不同參數(shù)之間的相互作用方面更有效,，特別是廣泛報道的能量密度,。然而，從上面的回顧來看,，我們認為能量密度仍然不能直接預測熔融池的大小或樣品的性質,，即使是對于同一種材料。單個參數(shù)對能量密度的貢獻可能不同,。雖然這些表達式綜合了這些參數(shù),，但它們都沒有涉及到單個參數(shù)的貢獻比例。Prashanth等人建議需要修改能量密度,，以包括額外的工藝參數(shù),，如艙口類型,、激光光斑大小和材料性能。

偏振光顯微照片顯示了標準化艙口間距h*,，a）–e）和束流速度v*,，f）到j）對EBM Ti–6Al–4V微觀結構的影響。為清晰起見：在左側列中,，v*是固定的,，h*是變化的，而h*在右側列中是固定的,。

h*和v*對EBM Ti–6Al–4V微觀結構的影響如上圖所示,。在本研究的背景下，h*對β粗糙度的影響→α變換積比v*更明顯,。在3
從這個角度來看，Thomas等提出的無量綱能量密度(15)-(16)式比線性或體積能量密度更能表達有效能量吸收,。然而,，使用不同參數(shù)組合產生的合金的熔體池大小和微觀結構存在顯著差異，盡管這兩種組合都與恒定的E∗0有關,。最終,，無因次能量密度是一個熱動態(tài)量，不能反映LAM過程中熔池內部復雜的物理現(xiàn)象,，如Marangoni流,、反沖壓力、水動力不穩(wěn)定性等,。,。因此，電流能量密度(見表2)只能定性地比較在一定LAM條件下的能量輸入,，而不能作為選擇LAM加工參數(shù)和預測LAM加工樣品微觀結構特征的單一準則,。無論是更換機器還是更換原料粉，都需要優(yōu)化工藝參數(shù),。

微觀結構
激光焊接工藝與傳統(tǒng)的激光焊接/熔覆工藝有許多共同的特點,，特別是多道次焊接。然而,，LAM過程由于有更多的加工變量,，產生了不同的熔煉和凝固條件，因此更加復雜,。因此,，LAM成形零件的組織和性能對工藝參數(shù)非常敏感,。在下一節(jié)中，將回顧典型鋼的冶金特性和所形成的顯微組織,。并與傳統(tǒng)的鑄造,、焊接等方法進行了對比。為了更好地理解LAM生產的零件和傳統(tǒng)生產的零件之間的區(qū)別,，首先提出了常規(guī)生產鋼的凝固和相變的基本原理，并進行了比較,。此外,，本文只討論了LAM生產的典型鋼，其他鋼(如普通碳素鋼,、鐵素體鋼,、高錳鋼)因出版物有限而未包括在內。此外,，本節(jié)還介紹了LAM生產的功能梯度鐵組件,，因為它們具有特殊的用途，且難以通過傳統(tǒng)工藝生產,。

概述常規(guī)鋼的凝固和相變
LAM是基于材料的熔合和凝固,，這與傳統(tǒng)的熔合制造工藝(如鑄造和焊接)在本質上相似。因此,，盡管工藝復雜,，但確定LAM預制構件凝固組織的關鍵參數(shù)與傳統(tǒng)的鑄造焊接工藝相似，包括溫度梯度G,、凝固速率R和過冷度ΔT,。眾所周知，G/R比值決定凝固方式,，而產物GR(即冷卻速率)決定凝固組織的尺寸,。合金凝固過程中，隨著G/R的降低,，凝固方式由平面,、胞狀、柱狀或等軸狀轉變?yōu)橹���,。GR值越高,，凝固組織特征的尺度越細化。此外,，枝晶生長速率與過冷度的平方成正比ΔT,。控制微觀結構的變量已由DebRoy及其同事進行了全面的綜述,。下一節(jié)簡要介紹常規(guī)生產鋼的相變,。本文還簡要評述了熱循環(huán)對常規(guī)多道焊固相轉變的影響,，以便與LAM焊進行進一步的比較。

如前所述,，典型的LAM預制鋼包括奧氏體不銹鋼(SS),、沉淀硬化(PH)不銹鋼、馬氏體不銹鋼,、雙相不銹鋼,、馬氏體鋼和工具鋼，可分為奧氏體鋼,、馬氏體鋼和雙相鋼,。這些鋼的相變，特別是在鑄造和焊接過程中的相變已經(jīng)被廣泛研究,。表3列出了常規(guī)生產鋼的成分和相組成(在預期使用的狀態(tài)下),。

表3 本文綜述了常規(guī)生產鋼在服役狀態(tài)下的成分和相組成。

奧氏體不銹鋼可以簡化為fe- cr - ni基合金,。它們不同的凝固模式取決于Cr當量與Ni當量的當量比范圍(Creq/Nieq):

1,，A模式（L）→ L + γ → γ） ，Creq/Nieq<1.25
2,，自動對焦模式（L→ L+γ→ L+γ + δ → γ + δ → γ） ,，1.25 3，F(xiàn)A模式（L→ L+δ→ L+δ + γ → δ + γ → γ） ,，1.48 4,，F(xiàn)模式（L）→ L + δ → δ → δ + γ → γ） ，Creq/Nieq>1.95

這里,，L,、δ和γ分別代表液體、鐵素體（F）和奧氏體（A）,。由于奧氏體不銹鋼的Creq/Nieq范圍為1.25至1.95,，因此在鑄造和焊接過程中，奧氏體不銹鋼的凝固通常為AF或FA模式,，從而形成完整的奧氏體基體,。此外，凝固模式也隨冷卻速度的變化而變化,。隨著冷卻速度的增加,，凝固模式從初生鐵素體模式轉變?yōu)槌跎鷬W氏體模式。通常,，當冷卻速度較低時,，鑄鋼或焊接鋼中會形成樹枝狀鐵素體。與奧氏體不銹鋼相比,，鐵素體不銹鋼不含鎳或鎳含量較低,，可以簡化為鐵鉻基合金,。根據(jù)Fe-Cr相圖，當Cr含量小于12 at.-%時,，鋼材在冷卻時會經(jīng)歷連續(xù)的轉變：L→ δ → γ → δ. 在16%以上Cr,，在凝固過程中只形成δ相。

與奧氏體鋼和鐵素體鋼不同,，PH SS,、馬氏體SS、馬氏體時效鋼和工具鋼在凝固過程中的相變更為復雜,，因為它們形成了馬氏體（α′）和復雜的沉淀,。眾所周知，在快速冷卻（例如淬火）過程中,，馬氏體由奧氏體轉變而來。對于焊接部件,，由于凝固過程中的高冷卻速度,，馬氏體通常直接從剛凝固的奧氏體中形成。此外,，對于高碳含量（>0.1 wt-%）的馬氏體不銹鋼和工具鋼,，在凝固過程中通常會形成粗的一次共晶碳化物和細的二次碳化物�,？梢栽诓煌瑴囟认逻M行退火處理,，以誘導這些亞穩(wěn)初生碳化物的分解或細碳化物的沉淀。對于低碳含量的PH SS和馬氏體時效鋼,，通常通過時效處理在馬氏體基體中誘發(fā)金屬間化合物而非碳化物,。作為后處理，熱處理的影響將在“后處理”一節(jié)中進行審查和討論,。

采用傳統(tǒng)方法(如鑄造和焊接)生產的雙相不銹鋼由鐵素體和奧氏體相混合物組成,。雙相不銹鋼的相變順序為:L→L+ δ→δ→δ + γ。在凝固過程中,，雙相不銹鋼凝固為完全δ-鐵素體,，當溫度低于鐵素體溶出溫度時，奧氏體部分形成,，均沿鐵素體晶界,。隨著溫度的進一步降低，鐵素體晶粒內部會形成更多的奧氏體,。δ -γ轉變強烈依賴于成分和冷卻速率,。

此外，值得注意的是,，LAM更類似于多層焊接,，在多層焊接中,，熱循環(huán)通常會在焊接金屬和熱影響區(qū)(HAZ)中引起不可逆的固態(tài)轉變。由于不同焊接層的熱歷史不同,，變形后的組織在整個零件中不均勻,，從而導致了不同的機械性能。一般來說,，熱影響區(qū)內的組織強烈依賴于熱循環(huán)的最高溫度,、冷卻速率和焊接鋼的化學成分。

為了描述多道次焊接過程中的熱循環(huán),，人們進行了深入的建模,，并從理論上研究了道間溫度、焊接電流和Ac3溫度對焊接過程中再奧氏體化組織的影響,。然而,，由于LAM期間的掃描策略復雜(見“掃描策略和掃描間距”部分)，基于多道次焊接的簡單建模不能直接用于精確描述LAM內熱循環(huán)的空間變化,，從而預測局部組織,。因此，可靠的三維瞬態(tài)溫度場是根據(jù)物理原理了解零件微觀結構和性能的前提,。迄今為止,，在模擬和研究LAM過程中復雜熱循環(huán)及其與微觀結構演化的相互關系方面的研究還不多。相反,，由復雜熱循環(huán)引起的所謂的“本稟熱處理(IHT)”經(jīng)常被用來定性地描述由LAM生產的部件的不同區(qū)域的微觀組織的不均勻性,，特別是在不同的層位，這將在以下部分中討論,。

來源：Laser additive manufacturing of steels,，InternationalMaterials Reviews，doi.org/10.1080/09506608.2021.1983351
參考文獻：Gibson I, Rosen DW, Stucker B. Additive manufacturing technologies.Vol. 17. Cham, Switzerland: Springer; 2014. Brandt M. Laser additivemanufacturing: materials, design, technologies, and applications. Duxford:Woodhead Publishing; 2016.