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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(zhì)量的因素非常復(fù)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(yīng)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(guān)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(cè)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(guān)，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(yīng)。在Wang等人的研究中，兩種薄壁樣品的送粉速率和相應(yīng)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(yīng)力-應(yīng)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小）。

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(jié)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(yīng)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(jié)構(gòu)、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(jié)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(jié)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(jié)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(guān)。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(chǎn)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(jié)構(gòu)：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(yīng)力——與鑄態(tài)相比，L-PBF制造工具鋼樣品的應(yīng)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(gòu)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(jié)，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(zhì)。

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(gòu)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(guān)微觀結(jié)構(gòu)的預(yù)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(gòu)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(gòu)建304L樣品微觀結(jié)構(gòu)的影響類似，E 0還導致粉末層EBM構(gòu)建的Ti6Al4V（圖24（a）中的α+β板條）和L-PBF構(gòu)建的316L（圖24（b）中的蜂窩結(jié)構(gòu)）中的微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。進一步的討論見“常規(guī)生產(chǎn)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(yù)測或評價LAM生產(chǎn)的構(gòu)件的微觀結(jié)構(gòu)。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(guān)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(jié)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(zhì)。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(jié)

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(fù)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?qū)拥膸缀涡螤詈臀⒂^結(jié)構(gòu)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(yīng)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(chǎn)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(zhì)量產(chǎn)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(guān)鍵的，因為它直接關(guān)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(gòu)件的組織(特別是晶粒形態(tài)、織構(gòu)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(yīng)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?nèi)鄢氐膸缀涡螤?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(diào)整微觀結(jié)構(gòu)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(fù)雜幾何形狀構(gòu)件的熱歷史變化，導致微觀結(jié)構(gòu)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(zhì)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(chǎn)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(yīng)

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(yù)測熔融池的大小或樣品的性質(zhì)，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(luò)）對EBM Ti–6Al–4V微觀結(jié)構(gòu)的影響。為清晰起見：在左側(cè)列中，v*是固定的，h*是變化的，而h*在右側(cè)列中是固定的。

h*和v*對EBM Ti–6Al–4V微觀結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的合金的熔體池大小和微觀結(jié)構(gòu)存在顯著差異，盡管這兩種組合都與恒定的E 0有關(guān)。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(nèi)部復(fù)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(yù)測LAM加工樣品微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

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(chǎn)生了不同的熔煉和凝固條件，因此更加復(fù)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(chǎn)的零件和傳統(tǒng)生產(chǎn)的零件之間的區(qū)別，首先提出了常規(guī)生產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)。此外，本節(jié)還介紹了LAM生產(chǎn)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(chǎn)。

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(zhì)上相似。因此，盡管工藝復(fù)雜，但確定LAM預(yù)制構(gòu)件凝固組織的關(guān)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(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)橹АR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?？刂莆⒂^結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(zhuǎn)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(yù)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(chǎn)鋼的成分和相組成(在預(yù)期使用的狀態(tài)下)。

表3 本文綜述了常規(guī)生產(chǎn)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

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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)雜，因為它們形成了馬氏體（α′）和復(fù)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(zhuǎn)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(chǎn)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:LL+ δδδ + 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(nèi)部會形成更多的奧氏體。δ -γ轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)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(fù)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(nèi)熱循環(huán)的空間變化，從而預(yù)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(jié)構(gòu)和性能的前提。迄今為止，在模擬和研究LAM過程中復(fù)雜熱循環(huán)及其與微觀結(jié)構(gòu)演化的相互關(guān)系方面的研究還不多。相反，由復(fù)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(chǎn)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.