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3、抗拉1.6GPa，延伸率8.1%！激光輔助增材制造高強(qiáng)韌空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼
激光粉床熔化成形，鎳基合金將成為3D打印最新材料
表1 L-PBF成形IN625合金零件主要缺陷及形，XRD結(jié)果表明L-PBF成形的IN625合金由γ基，合金凝固方程為L(zhǎng)→L+γ→L+γ+NbC+Lave，很容易形成Laves相和NbC相，由于冷卻時(shí)間短，碳化物來(lái)不及生長(zhǎng)，數(shù)量遠(yuǎn)少于Laves相，合金拉伸性能呈現(xiàn)出典型的各向異性特點(diǎn)。
拉升強(qiáng)度沿著水平方向高于沿著豎直方向，層與層之間的邊界處在SLM沉積過程中的性能弱區(qū)，容易發(fā)生組織粗化，強(qiáng)度較低，同時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，裂紋沿著層層邊界進(jìn)行拓展，這是導(dǎo)致沿著豎直方向沉積LPBF-IN625試樣力。
背景介紹，增材制造又稱為3D打印，是近30年發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù)，理論上，增材制造技術(shù)可以將任何CAD模型轉(zhuǎn)化為物理實(shí)體，這極大地增加了復(fù)雜零件的幾何設(shè)計(jì)自由度和制造能力。
圖2 “As-built”態(tài)IN625合金的宏觀形，Inconel 625 (IN625)是一種鎳基高，主要利用Ni-Cr基體中如鉬(Mo)和鈮(Nb)等，同時(shí)在不同環(huán)境中的耐蝕性和可焊性也較好，然而，IN625由于其高硬度、低導(dǎo)熱系數(shù)和高加工硬化率，被認(rèn)為是難加工或難以用減材制造的合金，在機(jī)械加工的過程中。
機(jī)加工刀具的磨損很快，并且這種材料在鑄造或鍛造時(shí)較難控制其性能，因此很有必要探索Inconel 625鎳基高溫合金，從而大量減少傳統(tǒng)制造中所需的機(jī)加工，同時(shí)也可以極大的提高零件的設(shè)計(jì)自由度，增加內(nèi)部復(fù)雜冷卻流道等，圖1 激光粉床熔化技術(shù)示意圖【30】，析出相。
（3） 建立預(yù)測(cè)LPBF-IN625合金組織演變和，即建立LPBF參數(shù)、組織、殘余應(yīng)力和力學(xué)性能之間的，目前，航空航天行業(yè)對(duì)于極端溫度和環(huán)境下部件的性能和效率要，激光粉床熔化已成為生產(chǎn)復(fù)雜高效IN625部件的極具。
與L-PBF過程相關(guān)的變量有很多，如激光功率、掃描速度、掃描間距和層厚等，所有這些變量都需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，以成功且可靠地形成最終可用的部件，否則將導(dǎo)致球化、變形、氣孔、裂紋和低致密度等嚴(yán)重影，此外，“As-built”態(tài)的L-PBF成形的零件表面質(zhì)。
因此常常需要表面加工、熱處理等后處理過程，總結(jié)與展望，采用均勻光斑時(shí)，熔池底部獲得良好的外延生長(zhǎng)，對(duì)流不足以破壞原有的生長(zhǎng)特點(diǎn)，晶體依舊沿著最有利的，方向生長(zhǎng)。
并逐步向上延伸，經(jīng)過EBSD分析，對(duì)于高斯光斑區(qū)，外延區(qū)單晶很少，大約只有0.5mm。
而在均勻光斑區(qū)，單晶外延在中部可以達(dá)到4mm的高度，表2 不同文獻(xiàn)中L-PBF成形IN625零件的力學(xué)，近日，《Applied Sciences》上發(fā)表的題為“。
系統(tǒng)地總結(jié)了近年來(lái)有關(guān)L-PBF成形IN625合金，從消除或緩解構(gòu)件中的殘余應(yīng)力，提高成形質(zhì)量（改善表面粗糙度、致密度、微觀組織和力，介紹了一些有效的解決方案，如調(diào)整激光參數(shù)、基體預(yù)熱、表面加工、添加增強(qiáng)相、進(jìn)，為提高IN625鎳基合金L-PBF成形零件的綜合性，最后。
文章還指出了L-PBF成形IN625合金零件研究中，L-PBF作為一種重要的增材制造技術(shù)，為復(fù)雜零部件的生產(chǎn)提供了巨大的潛力，目前對(duì)L-PBF成形IN625合金的研究主要集中在，由于LPBF工藝涉及冶金、物理、化學(xué)、熱耦合等復(fù)雜。
工藝參數(shù)之間的匹配關(guān)系非常復(fù)雜，因此目前IN625的L-PBF工藝參數(shù)還不成熟，如試樣中經(jīng)常存在較大殘余應(yīng)力而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，層間也經(jīng)常出現(xiàn)孔洞、裂紋、夾雜等其它缺陷，文章鏈接：A Review on Laser Po，（選區(qū)激光熔化成形、鎳基合金、激光粉床熔化成形、金，力學(xué)性能。
圖4 不同激光能量形式下成形件縱截面EBSD取向分，由于LPBF-IN625合金中存在織構(gòu)，試樣的性能各向異性經(jīng)常出現(xiàn)，但有時(shí)成形面之間的性能差異并不理想，此外，非平衡凝固導(dǎo)致基體金屬中合金元素的固溶極限顯著提高，使得L-PBF零件的性能不同于傳統(tǒng)的塊體材料，迄今為止。
對(duì)IN625的L-PBF的研究主要集中在顯微硬度和，而對(duì)其它重要性能如高溫拉伸強(qiáng)度、耐腐蝕性和蠕變性能，因此，今后的研究應(yīng)著重于以下幾個(gè)方面：，微觀組織，成形缺陷，對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)。
激光粉床熔化成形（L-PBF: laser pow，也稱為選區(qū)激光熔化成型SLM）主要利用高能量激光束，在凝固和冷卻后可形成高性能部件，是最有前景的增材制造技術(shù)之一，該項(xiàng)技術(shù)尤其適合于小批量、高精度、個(gè)性化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
在航空航天、生物醫(yī)療、汽車、磨具等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)，圖5 L-PBF成形IN625的微觀晶粒拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，Key words: Selective lase，Ni based alloy，Laser powder bed fusion，Inconel 625。
Heat treatment，Mechanical properties，和大多數(shù)L-PBF成形合金類似，as-built態(tài)的IN625合金主要由胞狀枝晶和，晶粒均勻細(xì)小，具有明顯的快速凝固特征，試樣主要由單一的奧氏體相構(gòu)成，由于激光工藝參數(shù)的影響。
試樣內(nèi)存在夾雜、孔洞、裂紋、層間未熔合等缺陷，并且試樣內(nèi)高程度的殘余應(yīng)力只能通過后期的高溫?zé)崽幚恚瑘D3 Ni基合金L-PBF態(tài)EBSD取向分布圖[6，各向異性，（2） 研究LPBF-IN625合金的高溫和低溫性，闡明其形成原因。
特別是“As-built”態(tài)和后處理狀態(tài)下宏觀各向，L-PBF成形Ni基合金大都具有明顯的各向異性，大部分晶粒沿著，方向生長(zhǎng)，在熔池的邊界分布有大量的細(xì)小晶粒。
織構(gòu)呈現(xiàn)典型的{100}，型立方織構(gòu)，成形件晶粒生長(zhǎng)方向與掃描策略密切相關(guān)，當(dāng)采用十字交叉掃描方式，晶粒最快生長(zhǎng)方向，垂直于成形基板。
當(dāng)采用單向掃描時(shí)，晶粒的生長(zhǎng)方向與成形方向成60度夾角，這種現(xiàn)象主要由于激光點(diǎn)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)，熱流方向并不是完全與生長(zhǎng)方向?qū)ΨQ引起的，（1） 對(duì)IN625合金鑄態(tài)和后處理后的宏觀缺陷和，深入探討宏觀缺陷（氣孔、微裂紋、球化、未熔化區(qū)）的，總體特征&殘余應(yīng)力。
r30155鐵基高溫合金
管材系列規(guī)格：外徑φ1.0-φ160 壁厚φ0.2，材系列規(guī)格：厚度1MM-100MM，主要規(guī)格：，帶（卷）材系列規(guī)格：厚0.03-2.50，非標(biāo)特殊產(chǎn)品可按客戶要求生產(chǎn)/加工，圓棒系列規(guī)格：直徑φ1-φ500。
雙相鋼、耐熱鋼、耐熱合金、耐蝕合金、奧氏體鋼、馬氏，適用于石油、化工、船舶、核工、、及礦山等行業(yè)，產(chǎn)品有：17-4PH，棒 材鍛件法蘭，2520，棒材圓鋼鍛件F51圓鋼棒材 4 耐熱合金 Ns33。
線材系列規(guī)格： 厚0.05-3.00，r30155鐵基高溫合金。
抗拉1.6GPa，延伸率8.1%！激光輔助增材制造高強(qiáng)韌空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼
Fe-18.3Ni-9.1Co-4.9Mo-0.7，wt%）和AISI420不銹鋼粉末（，圖16 MS/SSSHM的機(jī)械性能與(a)AM處理，301)的比較SS/420SS、銅青銅、Al/Ti，圖11 HTed h2 SHM 樣品在拉伸試驗(yàn)期間，圖12 拉伸試驗(yàn)后h2樣品的EBSD分析，(a)顯示靠近裂縫位置的EBSD測(cè)量區(qū)域的示意圖，(b)區(qū)分MS和SS區(qū)域的EDS映射分析。
(c)IPF和(d)GND映射，本研究使用了兩種氣體霧化球形粉末，即300級(jí)馬氏體時(shí)效鋼（C300MS）粉末（，圖2 顯示缺陷3D分布的CT切片和斷層照片，(a)取自h1=1.35mm樣品的典型CT截面，(b)h1=1.35mm和(c)h2=1.5mm樣。
圖3 具有不同開口間距值的LAAM處理的SHM的3，然而，上述四種由增材制造處理的多材料系統(tǒng)都具有層狀結(jié)構(gòu)的，即僅沿一個(gè)方向的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這些層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)背后的加工方法和設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī)可能受到A，這些異質(zhì)材料系統(tǒng)無(wú)法充分利用增材制造在復(fù)雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)，此外。
它們還傾向于表現(xiàn)出各向異性的機(jī)械性能，這在研究和工業(yè)應(yīng)用之間造成了差距，鏈接：https://www.sciencedir，圖5 h2=1.5mm和h4=2mm加工的SHM的，(a)顯示兩個(gè)樣品不同形貌的低倍圖像，以及顯示(b)和(c)中的h2樣品以及(d)至(f，圖13 單片C300MS、420SS和MS/SSS，圖1 粉末和實(shí)驗(yàn)過程。
(a)粉末形態(tài)和送粉路線，(b)LAAM工藝示意圖，(c)顯示空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼的逐步LAAM沉積工藝的示，圖6 (a)EDS映射和(b)沿h2樣品構(gòu)建方向(，元素組成以wt.%為單位，圖4 SHM樣品在頂部(X-Y)平面上觀察到的微觀，顯示暗MS和亮SS軌跡。
(e)和(f)分別為(b)中標(biāo)記的e和f區(qū)域的近距，F(xiàn)e-13.78Cr-1.04Mn-0.85Si-，wt%），沉積過程使用內(nèi)部開發(fā)的粉末吹制LAAM系統(tǒng)進(jìn)行，該系統(tǒng)配備1kWIPG鐿(YLR-1000-MM-，粉末的形態(tài)和粉末流動(dòng)路徑如圖1a所示。
兩種粉末從TWIN10-C送粉器（Oerlikon，LAAM工藝的示意圖如圖1b所示，本文首次報(bào)道了使用LAAM加工的MS/SS材料的非，旨在將兩種材料的優(yōu)點(diǎn)整合為一個(gè)部分，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度-延展性的協(xié)同作用，增材制造(AM)的最新進(jìn)展為加工異質(zhì)金屬材料提供了，現(xiàn)有關(guān)于AM異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的文獻(xiàn)主要可分為四類：（i，例如銅合金基板上的馬氏體時(shí)效鋼的AM。
在這種情況下，界面可能會(huì)出現(xiàn)從材料A到B的急劇過渡，由于物理和冶金不匹配，裂紋很容易在界面中萌生，(ii)材料A在材料B上的AM。
材料C作為中間層，可以緩解界面失配，因?yàn)橹虚g材料C通常在材料A和B之間具有良好的相容性，此外，中間層還抑制脆性相（金屬間化合物或金屬碳化物）在結(jié)，值得注意的是，中間層可以在激光工藝期間原位形成。
而無(wú)需在A和B之間沉積另一種材料，(iii)材料A和B的AM，兩種材料的重量百分比梯度變化，這允許更平滑的過渡在材料A和B之間的機(jī)械性能方面，（iv）材料A和材料B的AM沉積交替形成層狀結(jié)構(gòu)，例如交替的Inconel625合金和316L不銹鋼，最近也有報(bào)道。
導(dǎo)讀：當(dāng)前的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料具有平衡強(qiáng)度-延展性相悖問，但也面臨著異質(zhì)區(qū)分布和力學(xué)各向異性的挑戰(zhàn)，本研究探索了具有非層狀空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料 (SHM)，大幅度增強(qiáng)整體性能，事實(shí)證明，開口間距 (h) 對(duì)SHM的微觀結(jié)構(gòu)演變和機(jī)械性能，它影響層厚度和相互稀釋區(qū)域。
在多尺度上評(píng)估了SHM的機(jī)械性能，h為1.5 mm的樣品具有約1.6 GPa的高抗拉，顯示出良好的強(qiáng)度-延展性組合，與文獻(xiàn)中報(bào)道的許多層狀和線性功能梯度材料相比，SHM 的強(qiáng)度要高得多，研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了一種新的方法。
通過使用多種材料的LAAM，遵循可配置的體系結(jié)構(gòu)，可以開發(fā)具有可調(diào)性能的非層狀空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，圖9 MS/SSSHM以及單片MS和SS樣品的工程，(a)不同h值對(duì)SHM樣品拉伸應(yīng)力-應(yīng)變的影響，和(b)AISI420、C300MS和h2SHM樣。
圖15 開口間距對(duì)斷裂行為和斷裂機(jī)制的影響，(a)和(b)h1=1.35mm樣品，(c)多層金屬中強(qiáng)度和層厚度之間關(guān)系的示意圖，(d)和(e)h2=1.5mm樣品，(f)和(g))h4=2.0mm樣品，圖7 h2樣品的EBSD分析，(a)對(duì)應(yīng)于圖6a區(qū)域的低倍率IPF和(b)SS和。
(c)對(duì)應(yīng)于(b)顯示不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的帶對(duì)比度圖，以及(d)邊緣的IPF，在此，新加坡制造技術(shù)研究院譚超林等人探索了使用激光輔助增，以形成具有可配置架構(gòu)的空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料(SHM)，研究了工藝參數(shù)對(duì)空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，研究了兩種材料之間的微觀結(jié)構(gòu)演變和潛在的強(qiáng)化機(jī)制，此外。
還監(jiān)測(cè)了原位變形行為，并討論了斷裂機(jī)制，這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了使用增材制造促進(jìn)具有空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多，相關(guān)研究成果以題“Laser aided addi，SHM樣品的強(qiáng)度比層狀材料和線性FGM高得多，ROM和HDIS解釋了潛在的強(qiáng)化機(jī)制，在拉伸過程中DIC原位觀察到的SHM中的多個(gè)變形帶，這與TRIP效應(yīng)一起有助于良好的延展性。
研究結(jié)果展示了一種通過使用AM將多種材料的優(yōu)點(diǎn)整合，這項(xiàng)工作可以激發(fā)具有可配置架構(gòu)的空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的，以獲得卓越的性能和新穎的功能，同時(shí)，這項(xiàng)工作也有一些局限性，需要進(jìn)一步研究，例如如何控制熔池和稀釋區(qū)域的尺寸分辨率，沿Z方向拉伸試驗(yàn)或壓縮試驗(yàn)來(lái)檢查力學(xué)各向異性。
特性，并通過有限元模擬進(jìn)一步了解變形過程中的3D應(yīng)變/應(yīng)，此外，使用線粉或線材作為增材制造的基于電弧/激光的增材制，目前尚缺乏探索，將是未來(lái)的研究熱點(diǎn)，圖8 LAAM處理的SHM的硬度分布，(a)多個(gè)激光軌跡的硬度轉(zhuǎn)變。
以及顯示(b)預(yù)制和(c)高溫處理后條件下h2樣品，圖14 SHM選定區(qū)域的微柱壓縮測(cè)試，(a)顯示微柱位置以及測(cè)試前代表性微柱形態(tài)的概覽，(b)不同微柱的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及(c)-(f)柱1至4的SEM斷裂圖像測(cè)試后。
圖10 拉伸試驗(yàn)后SHM樣品的SEM斷口分析，(a)到(d)分別用于h1到h4SHM樣本，以及(e)在h3SHM樣本上的EDS映射，使用傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)通過改變均質(zhì)材料的化學(xué)成分或微觀結(jié)，例如，增加碳含量是制造高強(qiáng)度鋼最有效和最經(jīng)濟(jì)的方法之一，但它可能會(huì)導(dǎo)致延展性、焊接性和加工性下降。
以及開裂傾向的增加等副作用，具有成分、相和微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的材料，例如層壓材料、成分、晶?；蚩棙?gòu)分級(jí)材料、諧波結(jié)構(gòu)和，往往會(huì)導(dǎo)致性能增強(qiáng)，這些雜區(qū)中的相互作用產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)，例如，已經(jīng)證明在層壓結(jié)構(gòu)中誘發(fā)的幾種微觀機(jī)制。
如裂紋橋接、裂紋鈍化和應(yīng)力重新分布，可以延遲部件斷裂，此外，通過冷軋加工的疊層鋼也突出了不同疊層結(jié)構(gòu)對(duì)調(diào)整疲勞，目前，異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料主要通過冷軋、表面處理（如表面機(jī)械磨損，然而。
這些方法在控制異質(zhì)區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)和分布方面面臨挑戰(zhàn)，或者在組件的尺寸和幾何形狀方面受到限制，因此，缺乏通用且成熟的加工方法來(lái)制造具有可配置架構(gòu)的塊狀。
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