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综述:钢铁质料增材制造历程中的研究希望与挑战(一)

时间:2021-10-07    来源:lol外围APP    人气:

本文摘要:江苏激光同盟导读:综述了接纳AM技术制造钢铁获得传统工艺所不能获得的高性能方面所取得的成就。AM所面临的挑战也做了先容并提出了可能解决这些挑战的解决方案。文中主要集中在SLM和DED对常见钢铁质料的加工上。如何获得韧性和疲劳性能皆佳的AM合金仍然是一大挑战。 AM同时还可以作为一个奇特的内在热处置惩罚而发生相变,包罗回火和在差别的PH钢和工具钢中的相的析出。图1 几种主要钢铁材的机械性能图解:该图给出了接纳传统制造工艺,SLM和DED 所获得的合金的性能对比。

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江苏激光同盟导读:综述了接纳AM技术制造钢铁获得传统工艺所不能获得的高性能方面所取得的成就。AM所面临的挑战也做了先容并提出了可能解决这些挑战的解决方案。文中主要集中在SLM和DED对常见钢铁质料的加工上。如何获得韧性和疲劳性能皆佳的AM合金仍然是一大挑战。

AM同时还可以作为一个奇特的内在热处置惩罚而发生相变,包罗回火和在差别的PH钢和工具钢中的相的析出。图1 几种主要钢铁材的机械性能图解:该图给出了接纳传统制造工艺,SLM和DED 所获得的合金的性能对比。合金的种类通过颜色场(区域)来表现,而颜色场(区域)的界限则表现制造方法。通常来说,质料热处置惩罚状态的性能,如果存在的话,也在图中给出。

所有的数据均来自文献,其中图中的符号所代表的寄义如下:ODS: Oxide Dispersion-Strengthened,氧化物强化;C-tool steels,工具钢;Carbon-bearing tool steels, 轴承工具钢;TWIP/TRIP: Twinning/Transformation-induced Plasticity,孪晶/相变诱导塑性;PH: precipitation hardening,析出强化。增材制造合金和钢铁质料的概述增材制造(AM),俗称3D打印,是一种颠覆性的制造技术,最近,无论是在科学界还是工业界均获得了广泛的关注,在2020年其市场约莫为21$ billion.以后的若干年还将保持连续增长。AM是指一类可以通过一步法制造出庞大部件的先进制造技术。

该技术接纳高能束流,如激光,电子束等来制造出险些任意形状的部件。自AM问世以来,AM技术的差别工艺的生长和对工艺——显微结构——性能等方面明白上取得了庞大的进步。

现在制造商已经可以实现通过系统的优化AM制造参数来获得优异性能的产物部件。AM技术已经乐成的应用到差别的金属合金系统中,包罗钛合金,镍基高温合金,Al合金和钢铁质料等。差别类型的金属和合金如今都可以实现AM 制造。

在揭晓的公然的文献中,约莫有三分之一是关于钢铁质料的AM制造。然而,相对于约莫80%(质量占比)基于工程目的应用的质料都是接纳钢铁质料所制造的庞大市场来说,其占比还是很是小的。现在的钢铁质料仍然主要依靠传统的铸造,变形和机加工等手段来完成。只管AM制造技术的可连续性还在讨论当中,淘汰碳排放方面可以潜在的通过制造庞大形状的部件方面仍然是很是具有优势的,这一AM技术显著的清除了传统制造工艺的庞大和浪费质料庞大的毛病。

此外,AM技术具有突破了传统设计上的局限,可以自由设计(如庞大的形状,中空结构等是很难通过传统工艺来实现的),通过减重实现高性能部件的制造等。思量到钢是一种可以100%接纳使用的质料,AM同时可以在制造高附加值的部件中通过接纳粉末而实现循环经济,由此使得AM制造的副产物可以实现新产物的制造。图2 在接纳AM制造和传统工艺制造时获得的差别类型钢铁质料的显微组织需要注意的是,取决于差别的加工状态,在AM制造后会获得差别的显微结构,其中:ppt.: precipitates,析出相, ret.: retained残余相, α: ferrite铁素体, bcc, α’: martensite(马氏体) bcc/bct, γ: austenite(奥氏体), fcc..只管AM制造技术在近年来取得了显著的希望,但它仍然没能广泛的在工业中获得应用。

如果我们将一个产物的最终成本看作是质料成本,工具成本,设备成本和治理用度等的函数,那么对AM来说,未来的事情和希望则主要在如何凌驾传统制造工艺,在质料成本,设备成本和治理用度上要有优势。另外一个关键点就是,只管AM制造工艺在物理冶金学理论上同铸造,焊接和粉末冶金以及热机械加工上具有异曲同工之妙,但大多数教科书上提到的关于传统制造工艺的相关理论对于AM制造来说是不适合的。对AM制造历程中显微结构变化的综合明白以获得可重复的部件制造和提高制造工艺以获得满足工业市场所接受的尺度,是当前AM研究人员的配合努力的目的。钢铁质料的AM制造可以看作仍然处于成熟应用时期的中间阶段,新的类型的更适合AM制造的钢铁质料和更佳性能的钢铁质料需要在不久的未来不停问世才行。

当前AM制造的钢铁质料在性能上如何同传统制造的钢铁质料举行竞争,将为当前正在开展的钢铁质料的AM制造提供了很是有价值的参考。本文的目的和结构.总的来说,大量的事情已经用来研究AM制造金属和合金的机械性能和腐蚀性能。

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有大量的论文综述了在AM制造历程中加工工艺——显微组织——机械性能之间的关系,包罗机械性能的研究和腐蚀行为的研究。但很少有将焦点聚焦在如何将AM制造的钢铁质料具有同传统的减材制造具有越发的性能上。

这一点是本文区别于其他的综述的地方。图3 SLM制造的316L奥氏体不锈钢在差别的尺度下的显微组织图解:a) 显微组织在差别的尺度下举行视察的示意图;b) 接纳EBSD反极图映射来展现样品的晶粒偏向;C) 接纳SEM视察获得的高角度晶粒界限(high-angle grain boundaries (HAGB)),熔化界限 fusion boundaries 和晶胞凝固结构;d) 晶胞结构的明场照片,讲明在晶胞界限的位错网络. e)高角度环形暗场(high-angle annular dark-field (HAADF) )扫描隧道透射电镜(STEM)获得的凝固晶胞图,讲明为氧化物颗粒得益于同传统制造工艺相比力,AM制造可以获得奇特的显微组织,只管在明白这些奇特的显微组织方面已经取得了一定的进步,仍然存在缺乏如何将这些奇特的性质用于生长高性能的合金上。现在的综述主要目的是通过当前文献中报道的AM制造合金的奇特的性质的综合总结来填补这一空缺。

我们主要集中在机械性能,腐蚀性能和摩擦性能上。有时候,其他性能如磁性能和氢脆性能也会给予讨论,如果对相应的钢铁质料来说是很是重要的前提下。但本综述不讨论AM制造钢铁复合质料,如氧化物弥散强化的钢铁质料和WC弥散强化的马氏体时效钢。同时本文不讨论差别AM制造工艺的详细历程,我们主要讨论在AM制造历程中显微组织的变化,如果需要的话,会解释性能上的差别。

对一些典型的AM制造显微结构举行关注之后,我们开始对两种最为盛行的AM制造钢,即奥氏体不锈钢(在文献中多数以316 L的身份泛起)和马氏体析出硬化(PH)钢举行了先容。然后我们将继续讨论接纳AM技术制造的大多数的其他类型的钢铁质料。这包罗双相钢,铁素体——马氏体钢,轴承工具钢和相变/孪生诱导超塑性钢等。A few notes on typical AM microstructuresAM制造工艺所具有的层层聚集制造,每层厚度为数微米到几毫米的一连制造能力,使得AM制造可以实现部件的显微组织的定制,从而实现机械性能的定制和腐蚀性能的定制,这一特点是传统制造工艺很难或者不能实现的。

基于这一点,明白在AM制造历程中的显微组织的演变是至关重要的。AM制造中金属中的热历史同传统制造工艺是显著差别的。AM的显微组织是快速凝固速率 (dT/dt: 10exp(3)–10exp(8) K/s),高的温度梯度 (dT/dx: 10exp(3)–10exp(7) K/m)和由于熔化和沉积随后的层所造成的热旋回等条件下形成的。所有这些处置惩罚参数是影响AM制造的显微结构的变化的重要因素,包罗凝固形貌,元素身分和相的分散,细胞,晶粒结构(尺寸和形状),晶体的织构,显微结构的稳定性,二次相,缺陷和夹杂物等。

在AM显微组织中,凝固的晶胞是亚晶粒,在偏向上,详细的形貌为合金元素的分散和在界限处的位错聚集。晶粒被界说为他们的显着的偏向被高角度晶粒界限所分散。AM制造的显微组织出现出较大规模内变化的形貌。

一个讲明显着差异的例子见图4(AM制造316 L不锈钢)。在这一点上,从横向平面处(即垂直于制造偏向的平面)视察到细小的等轴晶粒位于熔池的界限处,此处的晶粒在单个熔池内部为柱状晶(见图4a)。同横向平面相反的是,在制造偏向上视察到大的柱状晶在AM制造中是比力常见的,如图4b。

这一柱状晶的形貌的形成归因于AM工艺所固有的超冷状态,改变了凝固模式从平面晶向或外延生长。在SLM制造历程中,冷却速率和前一层的再熔水平是控制晶粒尺寸的主要决议因素。例如,SLM制造的316L不锈钢的很是大的,具有大展弦比的柱状晶在使用如图4c所示的高功率举行制造时会由于外延生长而形成柱状晶。

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一般来说,如果不是外延生长的话,SLM制造的钢铁质料的晶粒同传统工艺相比力,会是很是细小和具有奇特的特征,其形成原因是SLM制造时的快速凝固。沉积层的织构取决于熔池尺寸,局部热流的偏向和制造历程中择优晶粒的生长。我们可以通过控制扫描计谋来控制AM制造部件的织构,例如在差别的层之间旋转和或一种称之为点热源的能量,其熔化的区域为点状,使得差别的点之间存在清闲。图4 接纳EBSD视察到的SLM制造的316 L奥氏体不锈钢的典型的晶粒结构图解:a 在使用激光功率为 150 W,沿着制造偏向,x–z平面获得的SLM 316L奥氏体不锈钢的反极图(IPF). b 接纳激光功率为1000 W,沿着垂直于制造偏向,即x-y平面所获得的同(a)一样的同一样品的IPF图。

c  在接纳激光功率为1000 W ,沿着制造偏向,制备的另外一个316L样品所获得的IPF图,显示出细长的,柱状的晶粒,同接纳如图(a)所示的低功率举行制造相比力。接纳传统制造工艺获得的 316L的IPF图示于图(d)中以便举行对比。其中a, b和d 具有相同的标尺。 AM制造工艺在已往的几年里在制造高密度部件方面取得了庞大的进步,然而,缺陷的存在仍然是一大挑战。

气孔,分层和球化是在接纳AM制造金属和合金时最常见的缺陷类型。在文献中报道的最常见的气孔类型为两种:(1)圆形或气体诱导的气孔以及(2)非圆形气孔或加工工艺诱导的气孔。

前者主要是由于粉末颗粒中捕捉的气孔造成的,在熔化的历程中释放出来,并在凝固的历程中被锁住。另外一种圆形气孔的泉源是粉末原质料在制备的历程中捕捉的气体。这些捕捉的气体就会转移到部件中,从而导致气体诱导形成的气孔。

另外一方面,非圆形气孔,同时也经常被称之为非规则形状的气孔,未熔合气孔或加工工艺诱导的气孔,当施加的激光能量密度不足以完全熔化粉末床的时候形成。这就导致了未完全熔化的粉末颗粒在气孔中形成。进一步来讲,高的激光能量密度也会造成非规则形状的气孔,这是一种称之为匙孔效应的现象造成的。分层,界说为在AM制造历程中相邻层之间的分散,主要是由于相邻层之间的未完全熔合所造成的。

同微观上存在未熔合的气孔这一内在的缺陷差别的是,未熔合气孔是有可能通事后续的热处置惩罚来改善或者消除。而分层是一种宏观缺陷,是不能通事后续热处置惩罚来消除的。

因此,仔细的挑选加工艺参数对制止分层的发生至关重要。球化现象是另外一种AM制造历程中比力严重的缺陷。球化发生在当熔池由于高原-瑞利不稳定性造成不能一连的时候而形成的单个球形岛状物。

这主要归因于液体的高黏性,反过来造成液态流体显著的压缩和液体外貌的粉末的润湿性不充实。由于外貌拉伸而造成粉末颗粒倾向于聚集,从而导致球化现象的发生。增加激光功率或降低扫描速度可以有助于淘汰AM制造历程中球化现象的发生。

由于AM制造部件中的快速凝固速率造成显微组织是远离平衡态的.例如,一个很是细小的胞状显微结构,胞尺寸为1 µm或者更细小的情况在AM制造奥氏体不锈钢的时候是会经常视察到的,如图5a,b所示.一些元素如Cr和Mo经常报道会在胞壁举行分散,如图5c中接纳TEM和EDS所视察到的效果.夹杂物也被认为在AM制造钢的历程中饰演着重要的角色.例如,在AM制造奥氏体不锈钢的时候,据报道经常会视察到氧化物夹杂的存在,而且多呈圆形,且 尺寸在几十纳米到几个微米的尺度规模,主要富集 O, Mn 和Si.这同接纳传统工艺制造的奥氏体不锈钢中存在大的(> 1 µm)和不规则型形状的氧化物是恰好相反.图5 SLM制备316L不锈钢时获得的非平衡组织图解:a, b 凝固胞在晶粒被放大和缩小时所获得的明场TEM照片. c EDS分析显示合金元素如Mo和Cr在胞壁的分散.在(c)中的球形玄色区域富集 Mn, Si和 O,是纳米级此外夹杂物未完待续,江苏激光同盟接待您的连续关注!文章泉源:Additive manufacturing of steels: a review of achievements and challenges,Nima Haghdadi, Majid Laleh, Maxwell Moyle & Sophie Primig ,Journal of Materials Science volume 56, pages 64–107(2021),参考文献:Steels in additive manufacturing: A review of their microstructure and properties,Materials Science and Engineering: A,Volume 772, 20 January 2020, 138633,https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138633。


本文关键词:lol外围,综述,钢铁,质料,增材,制造,历程,中的,研究

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