西工大林鑫四校联合顶刊丨激光混合增材制造超高强钢的显微组织和力学性能

来源： 增材制造硕博联盟

35CrMnSiA是一种超高强度钢，广泛应用于具有几何规则结构和复杂延伸特征的关键部件，例如结构壳体。激光混合增材制造（LHAM）是一种结合了传统制造和增材制造优点的先进制造技术。例如，将锻造和定向能量沉积（DED）结合的LHAM技术先将基础结构锻造成规则的几何形状，并利用DED来制造复杂的延伸部件。这种LHAM具有快速且经济高效地生产这些组件的潜力。然而，LHAM制备的35CrMnSiA钢不同区域显微组织的形成机制及其对整体拉伸性能的影响仍不清楚，从而极大地限制了其应用。

为了解决这个问题，西北工业大学凝固技术国家重点实验室、金属高性能增材制造与创新设计工业和信息化部重点实验室的林鑫教授团队联合华中科技大学、长安大学和南方科技大学团队合作在国际顶级期刊《Materials Science and Engineering: A》上发表了最新研究成果“Microstructure and mechanical properties of an ultra-high strength steel fabricated by laser hybrid additive manufacturing”，采用锻造35CrMnSiA钢作为基础材料，并利用定向能量沉积(DED)来制造无缺陷的LHAM零件。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！

图1. 35CrMnSiA 钢激光混合增材制造 (LHAM) 的材料和实验细节 (a) 35CrMnSiA钢粉的形貌和尺寸分布；(b) LHAM过程的示意图；(c) LHAM 制作的 35CrMnSiA 钢样品以及拉伸试验和 DIC 试样的制备；拉伸试样（d）和DIC试样（e）的尺寸，单位为mm

LHAM制造的35CrMnSiA钢的显微组织与位置相关。激光沉积区域包含具有内部碳化物和边界分布的碳化物的铁素体，而基底区域包含马氏体。热影响区呈现出两者之间的梯度微观结构。沉积区的微观结构主要受沉积过程中的凝固行为和热历史的影响，而热影响区则主要受再结晶的影响。微观结构的不均匀特征显着影响其力学性能，导致“木桶效应”，即LHAM制造的35CrMnSiA钢的拉伸性能取决于最弱的激光沉积区。LHAM制造的35CrMnSiA钢的极限抗拉强度和延伸率分别为959MP和15.2%。该研究为控制混合制造超高强钢的微观结构和优化性能奠定了基础。

图2. LHAM 制造的 35CrMnSiA 钢的显微组织 (a) 重构奥氏体晶粒的 EBSD 图；(b)晶粒微观结构的位置和特征之间的关系；(c)–(d) LDZ、(e)–(f) HAZ 和 (g)–(h) WSZ 中不同放大倍数的典型微观结构

图4. 断口分析

图5. 不同冷却速率下DED制备35CrMnSiA钢的组织演变

图6. 热处理过程中组织演变示意图

该工作研究了35CrMnSiA钢热影响区和激光沉积区的成分、物相和显微组织。此外，还研究了LHAM制造的35CrMnSiA钢的力学性能和变形行为。主要结论如下。

(1) 热影响区和激光沉积区均主要由BCC相组成，并且存在最少的FCC相。基体的特点是主要是板条马氏体，而热影响区则存在铁素体和球形碳化物。沉积区主要由少量的近等轴和板条铁素体组成，内部和边界均伴有弥散的碳化物。靠近熔合线，热影响区的晶粒结构经历从板条马氏体到板条和近等轴晶粒组合的转变，最终发展成完全细化的等轴晶粒。热影响区主要由沿晶界富含碳化物的近等轴铁素体组成，并伴有基体中纳米级碳化物的析出。

(2) 沉积区内微观结构的形成主要受热行为的影响。连续的热量输入导致冷却速度变慢，使碳能够彻底分布和长距离扩散，从而形成珠光体团。再结晶主要控制热影响区的微观结构，基体区域经历多层渗透、临界间退火和长时间回火的复杂序列。采用常规的DED加工参数很难将LDZ组织转变为马氏体。

(3) 激光沉积区的屈服强度为746MPa，拉伸强度为1003MPa，伸长率为19.6%。LHAM制造的35CrMnSiA钢的屈服强度为708MPa，抗拉强度为959MPa，延伸率为15.2%。它的强度大约是锻造制品的一半。总体而言，超高强钢的LHAM仍然具有挑战性。不同区域发生机械失配现象，导致拉伸变形过程中应变分布不均匀，导致较弱区域出现应变集中和后续失效。LHAM制造的35CrMnSiA钢在机械性能方面表现出显着的“木桶效应”。