sl03高强度钢占比：钢的SLM综述 工艺 微观结构

sl03高强度钢占比：钢的SLM综述 工艺 微观结构显示SLM样品致密化行为的OM图像（a）纯S136和不同TiB2含量的TiB2/S136复合材料（b）0.5 重量%，（c）1.5 重量%和（d）2.5 重量百分比。然而，在S316熔体中加入大量TiB2后，TiB2在S316熔体中的溶解明显增强，导致复合材料熔体的粘度增加。它大大降低了熔体池的整体流变性能。同时，在高能激光扫描过程中，由于熔池内部存在较大的温度梯度，由Marangoni对流引起的表面张力存在于熔池顶部。这反过来在熔池表面产生热毛细流动，进一步使快速凝固过程不稳定。因此，由较高TiB2含量组成的复合材料熔体的润湿性在高熔体粘度和强烈的Marangoni对流的影响下下降，进一步导致熔体球化而不是通过下面层流动，从而开始了球化效应。Gu等和Bandar AlMangour等在SLM TiB2/316L体块复合材料中也观察到了这种现象。球化效应导致孔隙的形成，并严重降低了最终样品

长三角G60激光联盟导读

据悉，本综述旨在概述LPBF工艺中使用的钢和铁基合金的关键工艺参数，描述与凝固过程中的相变和微观结构演变密切相关的热物理现象，重点介绍冶金缺陷及其潜在控制方法，以及各种后处理的影响。本文为第四部分。

4.3.LPBF装配钢的机械性能

4.3.1.硬度和拉伸性能

目前对钢材LPBF工艺机械性能的研究主要集中在硬度、拉伸性能和疲劳性能的评价上。LPBF工艺和传统工艺中使用的最常见钢材的基本机械性能示意图如图30所示。该图旨在概括文献中报告的结果，但并不适用于所有类别/情况的钢材，有时材料性能对LPBF工艺条件有很大的依赖性。

图30 LPBF工艺和常规工艺中常用加工钢的基本机械性能示意图。

残余应力有时有利于LPBF钢的制造。如果处于合理水平，它们还可以提高LPBF部件的硬度值。硬度值的增加也提高了LPBF制造零件的耐磨性。

然而，在S316熔体中加入大量TiB2后，TiB2在S316熔体中的溶解明显增强，导致复合材料熔体的粘度增加。它大大降低了熔体池的整体流变性能。同时，在高能激光扫描过程中，由于熔池内部存在较大的温度梯度，由Marangoni对流引起的表面张力存在于熔池顶部。这反过来在熔池表面产生热毛细流动，进一步使快速凝固过程不稳定。因此，由较高TiB2含量组成的复合材料熔体的润湿性在高熔体粘度和强烈的Marangoni对流的影响下下降，进一步导致熔体球化而不是通过下面层流动，从而开始了球化效应。Gu等和Bandar AlMangour等在SLM TiB2/316L体块复合材料中也观察到了这种现象。球化效应导致孔隙的形成，并严重降低了最终样品的致密化。当TiB2含量稳定在2.5 wt%时，残余应力增强，容易产生一些裂纹。

显示SLM样品致密化行为的OM图像（a）纯S136和不同TiB2含量的TiB2/S136复合材料（b）0.5 重量%，（c）1.5 重量%和（d）2.5 重量百分比。

上图为为S136复合材料在XY平面上的光学形貌(OM)。在图5b中可以清楚地看到0.5 wt% TiB2/S136复合材料中存在一些细小的气孔，而在图5d中2.5 wt% TiB2/S136复合材料中存在大量的气孔。

孔隙率是裂纹萌生的主要场所，引发具有有限塑性变形的脆性断裂，导致裂纹在拉伸载荷条件下扩展（见图31a）。据报道，使用优化的能量密度（125 J/mm3、156.25 J/mm3），零件密度达到最大值，获得的微观结构显示出具有许多晶界的适当细化的韧窝，这将阻止位错运动，导致材料抵抗变形，从而提高屈服强度和抗拉强度（见图31b&c）。值得注意的是，LPBF制造的钢在强化时不会失去其延展性，这与通过牺牲延展性来提高抗拉强度的加工硬化不同。调整过多的能量密度（178.57 J/mm3）导致韧性降低，这是由于熔融熔池的高度过热，导致较大而浅的韧窝，对位错的抵抗力较低（见图31d）。

图31 在（a）104.17 J/mm3的不同激光能量密度下，从LPBF处理的316L试样的拉伸断裂表面上拍摄的典型SEM图像。

对于SLM 1.5和2.5 wt% TiB2/S136复合材料，其UTS和伸长率逐渐低于SLM纯S136样品，说明在高应力载荷下，气孔和裂纹对拉伸性能有负面影响。由此可见，TiB2增强体量身定制的环状结构的形成有效地促进了SLM TiB2/S136复合材料UTS的改善。

为了进一步研究断裂机理，SLM纯S136零件和TiB2/S136复合材料的断口形貌如下图所示。SLM纯S136试样的断口面非常平坦，表现出典型的脆性断裂破坏(下图a)。同时，高倍扫描电镜检测到该断口由一些河流状平面和相当明显的裂纹组成(下图b和c)，表明周围材料的抗拉强度低，延伸率低，局部脆性进一步增强。相反，SLM 0.5 wt% TiB2/S136复合材料断口形貌为解理面和微裂纹，同时存在一些韧窝和较细晶粒(下图d-f)，为准解理断口。

SEM图像显示SLM S136样品的断口表面(a-c)和0.5 wt% TiB2/S136复合材料(d-f)。

4.3.2.疲劳性能

在许多功能性工业应用中，LPBF加工钢暴露于动态载荷条件下。因此，全面了解疲劳行为和特征是评估其疲劳寿命的必要条件。然而，文献中关于LPBF结构钢疲劳性能的研究数量有限。影响钢材LPBF加工疲劳性能的最重要参数是表面光洁度和建筑方向。此外，工艺参数和疲劳试验条件也会影响LPBF结构钢的疲劳寿命。LPBF装配零件的疲劳极限主要取决于其表面光洁度。通常认为，疲劳裂纹的萌生始于金属材料的表面。与传统制造的钢材类似，LPBF制造的钢材受粗糙表面光洁度以及由微孔、表面裂纹和粘附在表面上的未熔化和部分熔化粉末颗粒引起的其他表面缺陷的影响很大。此外，不稳定的熔融熔池加剧了表面粗糙度。较高的表面粗糙度（Ra）为动态载荷条件下较高的局部应力铺平了道路，这导致较低的疲劳极限，从而降低LPBF加工钢的疲劳寿命。