更多實質性問題，請點擊右側咨詢窗口，在線與客服溝通或聯(lián)系我們的銷售代表。江蘇激光聯(lián)盟簡介:本節(jié)是鋼鐵材料激光增材制造過程中的研究進展與挑戰(zhàn)第四部分17-4PH。不銹鋼進展和挑戰(zhàn)。
在開發(fā)過程中，大多數(shù)鋼材料將通過析出除碳化物之外的其他物質的時效硬化過程來強化。
AM技術中更常見的PH鋼是17-4PH鋼，因為該合金具有良好的印刷適性和廣泛的應用范圍，其廣泛的應用范圍是因為該合金具有良好的高強度和耐腐蝕的綜合效果。在傳統(tǒng)的制造工藝中，鑄造后，17-4PH鋼零件要進行固溶熱處理。這種典型的熱處理過程是1040°C @ 1h，較厚的樣品需要較長的固溶熱處理時間。固溶處理并淬火至室溫后，馬氏體組織中會存在過飽和的Cu。經歷這一過程的稱為狀態(tài)a，部件經過熱時效處理過程，誘導出富Cu的析出相，析出相為納米級。應用于17-4PH鋼的更常見的時效處理溫度是482 ℃@ 1h， 并且在該處理之后將獲得更高的機械強度。這種熱處理過程稱為H900態(tài)。在這種狀態(tài)下，零件的極限抗拉強度可達1380MPa左右。
15-5PH不銹鋼這是一種類似于17-4PH鋼的材料。雖然沒有廣泛使用，但這種合金也已經用AM技術制造出來了，其相應的性能也進行了大量的評估和研究。該合金仍然是馬氏體沉淀硬化。不銹鋼改變合金成分使合金的變形抗力高于17-4PH鋼，這是由于δ-鐵素體顯微組織含量水平的降低。Cu析出相動力學與17-4PH鋼相似，導致這兩種合金在H900熱處理后出現(xiàn)時效硬化峰值。
廣泛用于AM印刷的馬氏體時效硬化鋼是18Ni300馬氏體時效硬化鋼。從奧氏體相場淬火后形成馬氏體組織，在400 ~ 500°C溫度范圍時效處理后析出Ni3(Ti，Mo)相，隨后析出Fe7Mo6相。18Ni300馬氏體時效硬化鋼經482°C @ 6h時效處理后，極限抗拉強度(UTS)可超過2200MPa。這種高強度可以使這種合金廣泛應用于軍事和航空航天領域。
本章將總結文獻中AM技術制造的PH鋼的影響，其中大部分集中在17-4PH鋼。
15–5PH不銹鋼
采用AM技術制造15-5PH鋼可以獲得比傳統(tǒng)制造技術更好的力學性能。將SLM制造的15-5PH鋼與傳統(tǒng)制造工藝制造的15-5PH鋼進行比較，可以觀察到馬氏體組織的明顯差異，AM制造的材料呈現(xiàn)更短更窄的板條馬氏體。與變形材料相比，AM制材料的UTS(極限抗拉強度)在590°C時可提高約34%，達到830MPa，但韌性降低50%，伸長率為9%時就會失效。在另一項由SLM制造的15-5PH鋼的研究中，在時效硬化熱處理后，與變形的15-5PH鋼相比，其屈服強度(YS)在平行方向上增加了約10%，但在垂直方向上降低了約6%。不考慮制造方向，與傳統(tǒng)制造工藝相比，UTS值有小幅增加 (平行方向約11%，垂直方向約12%)。所有這些樣品在老化過程中都是解理斷裂。由SLM制造的15-5ph鋼在夏比沖擊試驗后的斷裂韌性測量為10.85±1.20J/cm2。在變形合金樣品的范圍內(9.4-18.6J/cm2)。SLM制造的15-5ph鋼的顯微硬度遠高于變形合金的顯微硬度。在橫向上，AM制得的樣品為500HV0.5，比變形樣品高56%。
是的，PH系列不銹鋼一般來說，循環(huán)加載是這種合金應用的理想場合。因此，構件的疲勞性能成為AM制造這種鋼更重要的性能。SLM制造的15-5ph鋼的疲勞性能比傳統(tǒng)工藝制造的合金降低了20%。這主要是由于SLM制造的元件表面粗糙度差。AM制造產品表面精度的提高和表面缺陷的去除可以顯著提高疲勞性能，但這對于傳統(tǒng)的鍛造合金并不明顯。然而，表面缺陷對AM制造的15-5PH鋼的疲勞性能有很大的影響，這已為觀察結果所證實。然而， AM工藝制造的15-5ph鋼結合參數(shù)的優(yōu)化和表面精度的提高，其疲勞性能可與鍛造合金相媲美。
AM制造的15-5PH鋼的高溫蠕變性能還沒有被廣泛研究。與傳統(tǒng)變形合金相比，SLM制造的15-5ph鋼在530°c時的蠕變性能可提高約17%。其背后的原因尚未完全了解。
圖1示出了由SLM工藝制造的合金(載荷方向平行于X-Y平面)的應力-應變曲線由黑線表示，由傳統(tǒng)工藝制造的17-4PH鋼由紅線表示。低應變率、準靜態(tài)拉伸試驗結果。高應變率動態(tài)拉伸試驗結果。
17–4PH不銹鋼
與變形零件相比，AM制造的17-4PH鋼的韌性會降低。在狀態(tài)A和H900中，由AM制造的17-4PH鋼的強度高于傳統(tǒng)樣品，但斷裂伸長率降低。這一結果在低應變率(準靜態(tài))和高應變率(動態(tài))拉伸試驗中都是成立的，如圖1所示。對17-4PH鋼的許多研究表明，與傳統(tǒng)合金相比，強度增加，韌性降低。強度提高的原因是AM制件的顯微組織得到細化，而韌性下降的原因是AM工藝制件中存在氣孔。
Lass等人對SLM制造的17-4PH鋼經過不同熱處理后的試樣與A狀態(tài)下的傳統(tǒng)合金(YS824MPa，UTS1121MPa，斷裂伸長率10%)進行了大量的對比研究。另一種固溶退火工藝可以使鍛造合金獲得大于90%的YS。作為比較，處于沉積狀態(tài)和狀態(tài)A的AM樣品的YS約為變形狀態(tài)的55%。與傳統(tǒng)工藝相比，新處理工藝獲得的UTS也顯著提高，但韌性降低。后熱處理對微觀結構的影響如圖2所示，該圖顯示了AM制造17-4PH鋼時獲得的不同微觀結構。對于沉積態(tài)的17-4PH鋼，可以清楚地觀察到熔池邊界和胞狀凝固結構(見圖2a)，但是在均勻化和固溶處理之后(在狀態(tài)A的處理之后)， 這種凝固結構消失。獲得的微觀結構(圖2b)相當于變形合金的微觀結構(見圖2c)。其他研究也表明，AM制造的17-4PH鋼在熱處理后顯微組織發(fā)生顯著變化，這些顯著的顯微組織變化也會導致AM制造的17-4PH鋼零件性能的提高。
SLM制造中使用的原料粉末的特性對于所得產品的機械性能非常重要。已經發(fā)現(xiàn)，通過改變17-4PH粉末和/或調節(jié)激光的能量密度，變形合金的拉伸強度等于或高于變形合金的拉伸強度。Pasebani等人研究了SLM用氣霧化粉末或水霧化粉末制成的構件與傳統(tǒng)工藝制成的構件的對比，以及不同熱處理工藝對力學性能的影響。在AM制造過程中，采用1051°C @ 45m in的固溶處理條件和482°C @ 1h的時效條件，用氣體霧化粉末SLM制造的零件，與傳統(tǒng)方法制造的零件相比，具有較高的強度、相當?shù)腨S和優(yōu)良的UTS。在時效處理之前，當固溶處理條件為1315 ℃@ 1小時時， 水霧化粉末制件的YS和UTS顯著提高。這是由于馬氏體板條結構的細化。與傳統(tǒng)工藝相比，使用水霧化粉末的AM產品性能相對較差，YS下降約15%，UTS下降約4%。這種差別非常明顯，因為水霧化粉的價格比氣霧化粉低很多。
圖217-4ph不銹鋼金相顯微組織
說明:(a)SLM制造的沉積狀態(tài)；(b)均化；(c)變形形式的合金。這些微觀結構平行于SLM的制造方向和17-4ph變形合金的軋制方向。不銹鋼金相顯微組織鋼
觀察到顯微組織中的奧氏體將顯著影響17-4PH鋼的機械性能，因為奧氏體在機械測試期間轉變?yōu)轳R氏體。由AM制造的17-4PH鋼，當含有大量奧氏體時，將像TRIP鋼一樣表現(xiàn)出顯著的韌性和加工硬化特性。AM制造17-4PH鋼時，會有大量的奧氏體組織，或者直接時效時(如制造時沒有固溶時效處理)。Lebrun等人的研究結果表明，與傳統(tǒng)工藝相比，這些樣品具有相當大的韌性。例如，沉積態(tài)AM產品具有36%體積的殘余奧氏體， 并且老化伸長率為16.2%。傳統(tǒng)變形合金的時效伸長率為15%。在SLM制造17-4PH鋼中奧氏體的保留將增加壓縮和拉伸期間的韌性。圖3a顯示了由SLM制造的17-4PH鋼的微觀結構，而圖3b顯示了沿著熔池邊界增加的奧氏體結構。
圖17-4PH由3SLM制造不銹鋼EBSD拉絲鋼基于
插圖:A Imagequalitymap和B PhaseMap。熔池邊界的大致位置用黑色虛線標出。不同層之間熔池形狀的明顯差異在于每層旋轉90°的掃描結果。
當采用SLM制造工藝和傳統(tǒng)工藝進行制造時，其微觀結構和力學性能的對比會表明，其抗拉強度在幾乎所有情況下都會表現(xiàn)出顯著的變化。然而，SLM制造的樣品幾乎沒有一個能與H900狀態(tài)的傳統(tǒng)鍛造合金的YS或UTS相比。這種力學性能的變化主要是由于SLM制備的樣品中存在顯著的殘余奧氏體，同時顯微組織中存在孔隙。觀察沉淀硬化鋼中奧氏體的存在會影響其硬度是非常重要的，因為固溶原子在奧氏體中比在鐵素體或馬氏體中溶解得更多。這限制了老化過程中形成沉淀相的能力。在17–4PH鋼和18Ni300馬氏體時效硬化鋼中都觀察到微觀結構中缺少奧氏體區(qū)域， 其中每一個都是在熱老化后觀察到的。圖4顯示了18Ni300馬氏體時效硬化鋼的原子探針分析結果。圖4ab顯示了馬氏體微結構的區(qū)域，每個區(qū)域都經歷了174phh900的熱老化。在封閉的等濃度面上形成金屬間化合物相。相反，圖4c中的原子探針數(shù)據顯示了AM制造的樣品中奧氏體和馬氏體區(qū)域之間的界面。與馬氏體的損失相比，奧氏體中析出相的總損失非常明顯。
圖418 ni 300馬氏體時效硬化鋼的原子探針斷層掃描
說明:艾德(LMD)也是同樣的材質；b .用傳統(tǒng)制造技術制造的材料；(c)此外，通過DED工藝制造的材料的數(shù)據顯示了奧氏體和馬氏體之間不同的沉淀行為。
AM制造的氣氛也影響17-4PH鋼的機械性能。利用DED技術研究了制造氣氛對17-4PH鋼力學性能的影響。氣氛分別是氬氣和空氣。AM制得的所有樣品的UTS都低于傳統(tǒng)合金。熱處理后，空氣中AM制得的樣品強度提高，空氣中制得的樣品UTS為1145MPa。在Ar，同州增長了7%。對微觀結構的進一步分析表明，這是由非晶氧化物的彌散作用和N在空氣中的固溶強化作用引起的。此外，當在N2氣氛中印刷時，獲得的馬氏體將導致17-4PH鋼零件的UTS和韌性與傳統(tǒng)工藝相當，這是由于拉伸試驗中塑性變形引起的明顯應變硬化。
下圖顯示了用不同添加劑制成的17-4PH鋼樣品的UTS和韌性組合的總結。此圖還顯示了傳統(tǒng)制造工藝和AM工藝制造的17-4PH鋼的性能對比。從圖中可以看出，不同的AM工藝參數(shù)，不同的表面處理，不同的熱老化后處理，在不同的研究和不同的樣品之間有很大的差異。同時，合金的性能也發(fā)生了很大的變化。同時可以觀察到，在工藝參數(shù)沒有優(yōu)化的情況下和熱處理后，材料的強度和韌性都會較差。不過這張圖也指出了優(yōu)化參數(shù)后， 性能幾乎可以與傳統(tǒng)制造工藝相當甚至更好。Facchini等人報道了可以獲得UTS和韌性的優(yōu)異組合，這是由拉伸試驗中應變誘發(fā)馬氏體的形成引起的。Rafi等人將樣品中韌性的增加歸因于相同的效果。
圖517–AM和傳統(tǒng)工藝生產的4ph鋼樣品的極限抗拉強度和伸長率的結果。
在優(yōu)化的工藝參數(shù)和適當?shù)臒崽幚項l件下，AM的pH值為17–4。不銹鋼其顯微硬度可與傳統(tǒng)工藝制造的17-4PH相同。不銹鋼挺(~ ~450HV0.5)。
由SLM制造的17–4ph。不銹鋼與傳統(tǒng)工藝相比，合金的磨損性能主要取決于主導磨損機制。在干摩擦過程中，傳統(tǒng)工藝制造的樣品顯示出比SLM大得多的磨損率。這是因為SLM制造工藝造成的微細微結構和高顯微硬度。然而，在潤滑條件下，SLM制備的樣品具有較高的磨損率。這主要是由于潤滑劑改變了主要的磨損機制，從粘著磨損變?yōu)楸砻嫫诤湍p。
圖6AM 17-4PH鋼，熱處理工藝和疲勞性能示意圖。
對AM制造的17–4PH鋼的一些疲勞研究也研究了熱處理對這些樣品疲勞性能的影響。經過固溶退火和時效處理后，在相同的熱處理條件下，SLM制造的構件的疲勞性能會低于傳統(tǒng)工藝制造的構件。Yadollahi曾報道SLM制造的17–4ph鋼的疲勞性能比傳統(tǒng)工藝制造的零件低4倍，這主要是由于SLM制造工藝的缺陷。同時，研究人員報道，經過固溶熱處理和時效處理，然后進行H900處理，其疲勞性能在低周下可以得到改善， 但在高周疲勞循環(huán)中變得更糟。這是由于熱處理增加了對雜質的敏感性。這種敏感性對低周疲勞不敏感。在傳統(tǒng)的鍛造合金中沒有觀察到這種現(xiàn)象。當SLM制造15-5PH鋼時，也觀察到這種現(xiàn)象。
制造方向會影響冷卻速度，導致微結構和制造層的堆積，對SLM制造的樣品的力學性能有很大影響。例如，下圖顯示了在SEM觀察期間獲得的制造層橫截面的微觀結構。在制造的樣品中有一些孔，這些孔平行于制造的樣品。缺陷的分布可以通過用X射線CT掃描來觀察。
圖7示出了通過微CT分析獲得的平行于制造層的橫截面和沉積樣品中的缺陷的SEM照片，示出了(A和C)以及沿著垂直方向平行于制造軸的方向(B和D)。
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參考文獻:1。17-4不銹鋼制造的疲勞裂紋行為:建筑原則和微觀結構的影響，國際疲勞雜志，第123卷，2019年6月，第168-179頁。
2.effects of heat treatmentandbuildorientationsonthefatiguelifeofselectvelasermelted 15-5ph不銹鋼，材料科學與工程:A，卷755，7May2019，第235-245頁，蘇州東锜在生產過程中，要求每道工序的操作人員進行嚴格的自檢和互檢。同時，IPQC經常在現(xiàn)場進行抽查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。出貨時，OQC再次進行嚴格的探傷、硬度、尺寸檢測，確保產品能夠滿足客戶的要求，達到產品在客戶手中的“零”投訴。
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