高達1.4 GPa強度，3D打印硬鋼獲系統化解決方案
當前，3D打印最容易被業界記住的是無模化特點以及所釋放的設計自由度。而通過3D打印所實現的材料制備技術的提升是當前商業界所容易忽視的地方。所幸的是世界范圍內，不少的研究機構在進行通過3D打印技術來提升材料性能的研究。這些研究結果將進一步擴展3D打印的市場應用空間，刺激金屬3D打印技術的市場增長。
近日，Acta Materialia發表了來自美國德州的研究成功，利用選擇性激光熔化增材制造技術制造的超高強度馬氏體鋼：高達1.4 GPa的拉伸強度，馬氏體鋼獲得了理想的致密化，其特殊的微觀結構帶來了超過普通3D打印不銹鋼20%的機械性能。（論文題為“An Ultra-High Strength Martensitic Steel Fabricated using Selective Laser Melting Additive Manufacturing: Densification, Microstructure, and Mechanical Properties”發表在Acta Materialia。）
美國空軍研究基地對AF9628 打印樣品進行測試。來源：美國空軍
更便宜的材料，更好的性能
幾千年來，冶金學家一直在精心調整鋼的成分以增強其性能。馬氏體鋼在其鋼鐵體系中脫穎的原因來自于它的強度更高且更具成本效益。馬氏體鋼適用于航空航天、汽車和國防工業等需要制造高強度，輕質零件而又不增加成本的應用。
然而市場上對不銹鋼3D打印新型材料的研究甚少，大部分集中在鈦金屬材料、鋁合金以及復合材料的增材制造研究。而3D打印-增材制造零件的性能對于加工工藝參數極為敏感。要獲得穩定的打印結果往往需要大量的實驗來確定針對性的加工工藝參數。而來自美國德州A&M大學的研究結果表明，通過建立工藝參數優化模型，并對模型中的各個相關系數進行修正，不斷優化出高強度馬氏體鋼的打印參數。
研究模型。來源：Acta Materialia
研究流程。來源：Acta Materialia
模型優化工藝。來源：Acta Materialia
研究人員采用的馬氏體鋼是空軍AF9628牌號，采用SLM-選區金屬熔化3D打印工藝，利用Eagar-Tsai模型進行熔池預測，結合單道實驗和掃描間距實驗描述打印工藝參數對熔池幾何形貌和溫度分布的影響。
為了盡快逼近最優化的打印參數組合，研究人員將輸入參數分為兩類：一類是熱輸入參數包括激光功率、掃描速度和激光高斯熱源半徑；另一類是材料參數，包括熱導率、密度、比熱、熔點和激光吸收率。通過統計方法對該模型的不確定性進行校正，結合特殊設定的單道打印實驗結果對模型偏差進行校正。最終利用該模型優化出打印馬氏體鋼AF9628的最優工藝參數，最終獲得致密度大于99.25%的實驗樣件，拉伸強度大于1.4GPa。
用于3D打印的馬氏體鋼粉。插圖顯示了鋼粉的放大視圖。來源：德州A&M大學
需要注意的是使用激光熔化金屬粉末的3D打印過程中，會形成一定的孔隙，從而導致意外的缺陷。研究人員通過不斷的實驗來探索哪種激光設置可以防止缺陷發生。
通過優化打印工藝減少孔隙發生。來源：德州A&M大學
德州A&M大學選擇了一個受焊接啟發的現有數學模型，以預測在不同的激光速度和功率設置下，單層馬氏體鋼粉將如何熔化。通過將他們在熔化粉末中觀察到的缺陷類型、孔隙數量與模型的預測值進行比較，他們可以略微更改其現有框架，從而改善后續的預測。經過幾次這樣的迭代之后，如果一組未經測試的新激光設置會導致馬氏體鋼中的缺陷，那么數學模型框架就可以正確預測此類激光設置結果，而無需進行類似實驗，此過程更省時。通過結合實驗和建模，研究人員開發出一種簡單、快速、循序漸進的程序，從而用來確定哪種設置最適合馬氏體鋼的3D打印。
性能分析。來源：Acta Materialia
最終科研人員簡化了3D打印金屬的工藝，使最終產品沒有孔隙，這對于金屬增材制造行業來說是一項重要的研究結果，通過數學模型能夠很好的預測打印過程中熔池變化，這種方法有利于減少實驗次數，特別是對于新材料的工藝探索是一種行之有效的方法。研究人員提出以搭接量標準來預測熔寬和熔高，獲得最優搭接量，建立工藝參數指導圖。
盡管最初開發的研究程序是針對馬氏體鋼的選區金屬熔化3D打印，但德州A&M大學的研究人員表示，他們已將其指南制作得足夠通用，因此可以用于由其他金屬和合金的3D打印研究。
Review
3D打印正在獲得工業制造業越來越多的重視，但即便是很多看好3D打印技術的制造業人士，對3D打印所能實現的產品形狀感到樂觀，但對3D打印所能實現的力學性能感到疑慮。在金屬加工過程中，發生著許多微妙的事情。就拿選擇性激光熔化技術來說，在激光對粉末的融化加工過程中，每個激光點創建了一個微型熔池，從粉末熔化到冷卻成為固體結構，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結構。并且，為了熔化粉末，必須有充足的激光能量被轉移到材料中，以熔化中心區的粉末，從而創建完全致密的部分，但同時熱量的傳導超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末，出現半熔化的粉末，從而產生孔隙的現象。
冶金性能方面還與金屬3D打印過程的諸多條件相關。加工參數的設置、粉末的質量與顆粒情況、加工中惰性氛圍的控制、激光掃描策略、激光光斑大小以及與粉末的接觸情況、熔池與冷卻控制情況等等都帶來了不同的冶金結果。
通常來說加工越快，表面粗糙度越高，這是兩個此起彼長的相關變量。另外，殘余應力是DED以及SLM加工技術所面臨的共同話題，殘余應力將影響后處理和機械性能參數。不過，根據3D科學谷的市場研究，根據對冶金方面的駕馭能力，殘余應力也可以用來幫助促進再結晶和細小的等軸晶組織的形成。
對于金屬打印過程中微觀結構的理解和新合金的加工性能已經獲得了不少的進步。同時還觀察到微觀結構的非均質性，在這方面通過表征工作（柱狀晶、高取向、孔隙度等）獲取對加工冶金學的進一步理解，從而不僅提高金屬3D打印的工藝控制能力，還為材料制備以及后處理提出了新的要求。
值得注意的是德州A&M大學所采用的AF9628不銹鋼材料產量非常少，最初是為了開發掩體炸彈而開發的材料，這種馬氏體不銹鋼材料并不含鎢成分，而通過調整打印參數和對加熱以及冷卻的控制，最終獲得的零件的性能達到了鍛造的性能，這使得3D打印更具經濟性，更強的金屬零件成為可能。
而關于不銹鋼的3D打印，在316L不銹鋼，模具鋼方面，國際和國內也獲得了令人驚嘆的進步。
316L不銹鋼的3D打印：LLNL
在硬鋼的3D打印方面，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）聯合喬治亞理工大學和美國俄勒岡州立大學的阿姆斯國家實驗室的科學家們在2017年通過改變加工參數和過程控制來提高零件的力學性能。通過控制激光能量以及采取快速冷卻的過程，科研人員獲得了更加致密的零件加工結果。LLNL的科研人員在316L不銹鋼的3D打印領域取得了“突破”，這是一種常見的“海洋級” 不銹鋼具有低碳組成。在石油管道、發動機零件和廚房設備等場合被廣泛使用，通常具有低腐蝕性和高延展性。測試表明堅固耐磨的3D打印316L不銹鋼可以提供比其他形式的鋼更高水平的強度和延展性，使其有助于化學設備、醫療植入物、發動機零件以及需要其設備優異物理性能的各種其他應用。
LLNL的研究人員不僅僅將這種過程控制工藝應用到不銹鋼的加工中，還擴展到其他金屬材料的加工中。3D科學谷了解到他們可以使得3D打印機在不同的尺度上構建小型的墻壁單元結構，這些結構可以防止裂縫和其他常見問題的發生。測試顯示，在某些條件下，這些3D打印的不銹鋼零件的強度是傳統制備工藝所實現的強度的三倍。
模具鋼的3D打印：南京航空航天大學
而在國內，關于模具制造領域的馬氏體不銹鋼材料制備，為解決現有制模技術中的工序復雜、成本高以及報廢率大等問題。根據3D科學谷的市場研究，南京航空航天大學通過調整 激光加工過程工藝參數，改善成形模具晶粒粗大問題，從而改善其機械性能。利用Mn、Ni、Cr等合金元素穩定過冷奧氏體，在激光加工極大的冷卻速度下得到組織均勻的馬氏體，從而省去了后續的“淬火”過程，激光加工完畢后，成形模具被傳送裝置送入真空熱處理室完成回火過程以釋放其內應力。
當然，除了粉末制備，激光加工過程控制以及后期的熱處理，南航的研究中還涉及到更為細膩嚴謹的關于激光掃描速度V對熔池的過冷度和凝固速度的研究，冷卻速度對淬火效應和馬氏體相變的影響，相變應力和熱應力的共同作用下，晶格常數所受到的影響等等，值得思考的是，傳統加工工藝中，高端模具鋼的原材料方面是長久制約我國模具發展的一塊短板，隨著3D打印技術將制造工藝與新材料研究的結合，這為模具制造從材料突破到制造工藝打開了另一個思路和發展空間。
3D打印不銹鋼的這些進步將推動3D打印進入到更低門檻的零件制造領域，結合3D打印成就復雜零件的優勢，隨著設備加工技術的提升，加之材料的配合以及價格的合理化，金屬3D打印勢必在產業化領域的道路越來越寬。而對于加工應用方來說，要迎接這樣的技術浪潮，了解金屬3D打印的冶金加工學就成為必修課。
(責任編輯：admin)
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