西工大林鑫四校聯(lián)合頂刊丨激光混合增材制造超高強(qiáng)鋼的顯微組織和力學(xué)性能

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

35CrMnSiA是一種超高強(qiáng)度鋼,，廣泛應(yīng)用于具有幾何規(guī)則結(jié)構(gòu)和復(fù)雜延伸特征的關(guān)鍵部件，例如結(jié)構(gòu)殼體,。激光混合增材制造（LHAM）是一種結(jié)合了傳統(tǒng)制造和增材制造優(yōu)點(diǎn)的先進(jìn)制造技術(shù),。例如，將鍛造和定向能量沉積（DED）結(jié)合的LHAM技術(shù)先將基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鍛造成規(guī)則的幾何形狀,，并利用DED來制造復(fù)雜的延伸部件,。這種LHAM具有快速且經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)這些組件的潛力。然而,，LHAM制備的35CrMnSiA鋼不同區(qū)域顯微組織的形成機(jī)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(yīng)用。

為了解決這個(gè)問題,，西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,、金屬高性能增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的林鑫教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華中科技大學(xué)、長安大學(xué)和南方科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作在國際頂級期刊《Materials Science and Engineering: A》上發(fā)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(chǔ)材料,，并利用定向能量沉積(DED)來制造無缺陷的LHAM零件。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟,，免費(fèi)獲取海量增材資料,，聚焦增材制造研究與工程應(yīng)用！

圖1. 35CrMnSiA 鋼激光混合增材制造 (LHAM) 的材料和實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié) (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(yàn)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(guān),。激光沉積區(qū)域包含具有內(nèi)部碳化物和邊界分布的碳化物的鐵素體，而基底區(qū)域包含馬氏體,。熱影響區(qū)呈現(xiàn)出兩者之間的梯度微觀結(jié)構(gòu),。沉積區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)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(qū)則主要受再結(jié)晶的影響,。微觀結(jié)構(gòu)的不均勻特征顯著影響其力學(xué)性能,，導(dǎo)致“木桶效應(yīng)”,，即LHAM制造的35CrMnSiA鋼的拉伸性能取決于最弱的激光沉積區(qū)。LHAM制造的35CrMnSiA鋼的極限抗拉強(qiáng)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(qiáng)鋼的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)化性能奠定了基礎(chǔ),。

圖2. LHAM 制造的 35CrMnSiA 鋼的顯微組織 (a) 重構(gòu)奧氏體晶粒的 EBSD 圖；(b)晶粒微觀結(jié)構(gòu)的位置和特征之間的關(guān)系,；(c)–(d) LDZ,、(e)–(f) HAZ 和 (g)–(h) WSZ 中不同放大倍數(shù)的典型微觀結(jié)構(gòu)

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(qū)和激光沉積區(qū)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(xué)性能和變形行為。主要結(jié)論如下,。

(1) 熱影響區(qū)和激光沉積區(qū)均主要由BCC相組成,，并且存在最少的FCC相�,；�體的特點(diǎn)是主要是板條馬氏體,，而熱影響區(qū)則存在鐵素體和球形碳化物。沉積區(qū)主要由少量的近等軸和板條鐵素體組成,，內(nèi)部和邊界均伴有彌散的碳化物,。靠近熔合線,，熱影響區(qū)的晶粒結(jié)構(gòu)經(jīng)歷從板條馬氏體到板條和近等軸晶粒組合的轉(zhuǎn)變,，最終發(fā)展成完全細(xì)化的等軸晶粒。熱影響區(qū)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(qū)內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的形成主要受熱行為的影響。連續(xù)的熱量輸入導(dǎo)致冷卻速度變慢,，使碳能夠徹底分布和長距離擴(kuò)散,，從而形成珠光體團(tuán)。再結(jié)晶主要控制熱影響區(qū)的微觀結(jié)構(gòu),，基體區(qū)域經(jīng)歷多層滲透,、臨界間退火和長時(shí)間回火的復(fù)雜序列,。采用常規(guī)的DED加工參數(shù)很難將LDZ組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,。

(3) 激光沉積區(qū)的屈服強(qiáng)度為746MPa，拉伸強(qiáng)度為1003MPa,，伸長率為19.6%,。LHAM制造的35CrMnSiA鋼的屈服強(qiáng)度為708MPa，抗拉強(qiáng)度為959MPa,，延伸率為15.2%,。它的強(qiáng)度大約是鍛造制品的一半,。總體而言,，超高強(qiáng)鋼的LHAM仍然具有挑戰(zhàn)性,。不同區(qū)域發(fā)生機(jī)械失配現(xiàn)象，導(dǎo)致拉伸變形過程中應(yīng)變分布不均勻,，導(dǎo)致較弱區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)變集中和后續(xù)失效,。LHAM制造的35CrMnSiA鋼在機(jī)械性能方面表現(xiàn)出顯著的“木桶效應(yīng)”。