先进材料的激光定向能量沉积（1）(2)
时间：2022-08-04 14:19 来源：长三角G60激光联盟 作者：admin 阅读：次
2.1合金钢
合金钢含有1.0至50 wt%的合金元素，广泛用作汽车、船舶、石油和化学工业的结构材料。它们具有高强度和良好的延展性，以及优异的耐磨性和耐腐蚀性。合金钢可以通过各种成形和连接操作形成。在低氧环境中制造可以提高合金钢零件的机械性能自然，合金钢的AM正在不同行业中实践，是一个快速增长的研究领域。
与传统碳钢相比，添加合金元素提高了机械性能和耐腐蚀性。迄今为止，各种低合金钢已成功地由DED加工。Guan等人研究了能量密度对DED'ed 12CrNi2Y钢最终微观结构、镀层密度和机械性能的影响（图4a）。在所使用的能量密度集内，相对密度的局部最大值达到98.95%。电火花加工零件从能量密度较低的多边形铁素体转变为能量密度较高的粒状贝氏体。能量密度在阈值处的增加导致冷却速度降低和晶粒粗化（图4a）。Fang等人研究了渗碳FeCrNiMnMoNbSi钢的微观结构、力学和腐蚀性能。结果表明，微观结构由均匀分布的元素组成，具有纳米级马氏体相板条间距和少量纳米多晶沉淀物（图4b）。关于屈服强度和伸长率，沉积态材料符合锻造沉淀硬化（PH）不锈钢基材的标准（图4b）。与FV520B不锈钢相比，添加Cr提高了沉积合金的耐蚀性。
图4 （a）施加的激光能量密度对DED-LB 12CrNi2Y合金钢的微观结构、相对密度和机械性能的影响。（b）用于维修的沉积态FeCrNiMnMoNbSi钢的沉淀演变和力学性能。（c） 300M合金钢基体上AerMet100钢覆层在不同区域的宏观组织和相变，以及形成的热影响区，与沉积过程中的热历史相对应。（d） 24CrNiMo钢在DED-LB过程中的组织演变和冷却速度分析。
Liu等研究了超高强度300M钢的电火花放电。超高强度钢通常定义为屈服强度高于1380 MPa（200 ksi）的钢。与AISI 4340钢相比，300M钢中的高硅含量提供了更高的淬透性深度、更高的固溶体硬化和更高的高温软化抗力。沉积态钢的微观结构由回火马氏体、残余奥氏体和精细分散的碳化物组成。还报告了热影响区（HAZ）的微观结构演变及其对与DED工艺相关的热循环的依赖性，见图4c。还利用电火花沉积技术沉积24CrNiMo钢。采用实验观察和模拟来研究与模拟冷却速率和熔池区域温度分布相对应的微观结构转变机制（图4d）。晶粒形貌分析显示，沿沉积物表面有一种强烈的<100>纹理的柱状晶粒，并且在沉积物的大部分中具有随机的晶体取向。表面和大块微观结构之间的这种差异归因于电火花加工过程中固有的热循环，从而导致回火效应。
2.2.工具钢
据报道，与DED-LB工艺相关的固有快速凝固过程和高热梯度会影响沉积材料的微观结构和机械性能，尤其是在锻造工具钢的情况下。Park等人研究了激光能量密度对沉积态AISI H13和D2工具钢性能的影响。两种钢的平均显微硬度均随能量密度的增加而降低。这种现象可以通过二次枝晶臂间距的明显增加和CO形成导致的碳含量降低来解释。Baek等人报告了AISI H13和M2合金的DED-LB加工。观察到具有细胞状树枝状结构的精细微观结构，提高了显微硬度。M2沉积样品的磨损性能优于含富铬碳化物的商业热处理D2钢。这可以解释为沉积态M2合金中碳化物含量高。Rahman等人研究了两种新型DED-LB高碳高速钢（HC HSS）的微观结构和力学性能——Febal-C-Cr-Mo-V和Febal−x-C-Cr-Mo-V-Wx。这两种钢的微观结构均由含有残余奥氏体的马氏体基体和一次、二次和共晶金属碳化物的枝晶间网络组成（图5a）。在含W合金的钢中观察到表面形成氧化层和更高的碳化物密度，这导致耐磨性增强（图5a）。回火处理后的拉伸试验表明，断裂表面具有脆性。
图5 （a）DED-LB Febal-C-Cr-Mo-V（左上）和Febal−x-C-Cr-Mo-V-Wx（右上角）以及添加W对微观结构和耐磨性的影响。（b）沉积方法对DED-LB H13工具钢热历史和力学性能的影响，以及沿构建方向的非均匀微观结构和力学性能。（c）沉积态M4和高耐磨钢（HWS）的磨痕形态和特征。
Baek等研究了基板预热对AISI M4工具钢微观结构和力学性能的影响。结果表明，通过提高基板预热温度，冷却速度降低，导致残余应力降低，硬度增加，但抗拉强度和冲击强度降低。Zhao等人研究了沉积方法对H13工具钢微观结构和力学性能的影响。结果表明，由此产生的热循环直接受到沉积方法的影响。在连续沉积层之间增加时间间隔以及施加的激光功率的变化或两者的组合导致不同的热历史，这导致微观结构和机械性能随沉积高度而变化（图5b）。图5c显示了沉积态M4和HWS钢上磨痕的磨损分析结果以及热处理前后的磨损特性。综上所述，可以清楚地看出，DED-LB是制造工具钢的可行选择；然而，加工参数显著影响部件的微观结构和机械性能。此外，强烈建议进行后处理热处理，以尽量减少残余应力。
2.3不锈钢
不锈钢是铁基合金，通常含有至少10.5 wt%的Cr，以形成具有优异耐腐蚀性的钝化表面层。此类合金广泛用于需要耐腐蚀性、强度和延展性组合的结构应用。一般来说，不锈钢的AM加工因其高Cr含量而具有挑战性。在激光沉积过程中，铬的高氧亲和力导致显著氧化。多项研究表明，在DED过程中，加工参数对不锈钢微观结构演变有很大影响。与非均匀重复逐层沉积过程相关的高热梯度、动态熔体池流动和快速凝固导致了独特的分层和非均匀微观结构。这种微观结构的特征是通过先前沉积层边界以不同方向外延生长柱状晶粒（图6a）。结果表明，随着建造高度的增加，热梯度和冷却速率降低。这导致晶粒结构粗化。
图6 （a）316L不锈钢的微观结构演变和熔池几何特征以及对DED-LB中施加的激光能量的依赖性。（b）使用316L的DED-LB用于维修应用。获得的晶粒尺寸和构建高度与发展的单轴应变之间具有良好的拟合。（c）在通过电火花沉积的304L中，水平和垂直构建方向的Nf循环后的晶粒形态和取向以及相应的裂纹扩展机制。（d）研究了沉积方式对冷却速率、垂直堆积高度和PACS的影响，以及氧含量对DED-LB 316L不锈钢拉伸性能的影响。
Yang等人测量了沉积态316L奥氏体不锈钢的显微硬度（不锈钢中的“L”表示低碳，即低于0.03 wt%，以防止敏化并提高耐腐蚀性）与锻造对应物相比，显微硬度增加约35%。与锻钢相比，这种增加与DED-LB钢的精细微观结构有关。然而，据报道，测得的显微硬度变化很大。这些变化与沉积钢的非均匀微观结构有关，包括层间沉积细胞、夹杂物孔和热影响区，所有这些都具有不同的显微硬度值。人们广泛研究了电火花放电不锈钢的拉伸性能。结果表明，沉积方向对拉伸性能有很大影响。
具有不同取向的样品拉伸性能的变化与沉积过程中热历史的变化有关，因为冷却速率受到热梯度的高度影响，因此受到沉积高度的影响。结果表明，热等静压（HIP）由于减少了孔隙率和残余应力而提高了拉伸性能。Balit等人研究了用于修复应用的沉积态薄壁DED-LB 316L的微观结构和拉伸性能。使用原位数字图像相关（DIC）结合电子背散射衍射（EBSD）分析，发现测量晶粒尺寸与分析的平均轴向应变之间存在良好的相关性，见图6b。Gordon等人研究了在高周疲劳（HCF）加载状态下，通过气体保护金属极电弧焊（DED电弧）制造的沉积态304L不锈钢的疲劳性能。结果表明，疲劳寿命在很大程度上取决于沉积态钢的固有各向异性、优先晶粒生长方向和孔隙度。研究表明，其疲劳性能类似或优于锻造304L不锈钢。这与由DED-LB制造的不锈钢疲劳性能的其他研究非常一致。
样品S1断裂表面和疲劳损伤孕育点的SEM显微照片，表面上有未熔化的颗粒。疲劳裂纹起源于大孔隙附近的脱粘未熔颗粒。
研究了沉积态不锈钢在水平和垂直方向上的损伤容限和裂纹扩展机制。在垂直试样中，裂纹扩展路径为穿晶。在具有水平取向的样品中，裂纹分支和沿晶界扩展很明显（图6c）。Smith等人报告，沉积态304L不锈钢的疲劳性能在很大程度上取决于沉积态钢中的缺陷。结果表明，当缺陷数量最小化时，可以获得优异的疲劳性能。疲劳裂纹的起源以不规则形状未熔合（LoF）缺陷的区域为特征，缺陷中含有部分被测量的粉末颗粒。图6d说明了氧含量对沉积态316L伸长率的影响。很明显，沉积图案（连续层之间为67°或90°）直接影响产生的热历史和与基板的距离，进而导致主蜂窝臂间距（PCA）的变化。
沉淀硬化（PH）钢是低碳含量（低于0.1 wt%）的Fe–Cr–Ni合金，包含沉淀形成元素，如铜、铝、钛、铌和钽。在退火条件下，它们可以是奥氏体或马氏体。PH钢零件需要一组独特的性能。其中，这些属性包括高强度、高耐腐蚀性、抗氧化性以及优异的耐热性和耐火性。PH钢零件在各种应用中用作结构材料，包括海洋结构、飞机燃气轮机、油箱、液压系统、紧固件和核电站。在沉积过程中利用超声波振动提高了沉积零件的硬度和拉伸性能。这归因于超声波振动在提高粉末收集效率、降低表面粗糙度、增加熔池尺寸、孔隙度、减少微裂纹和细化晶粒尺寸方面的作用。
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