更多实质性问题，请点击右侧咨询窗口与客服在线沟通，或联系我们的销售代表。江苏激光联盟简介:本节是钢铁材料激光增材制造过程中的研究进展与挑战第四部分，17-4PH。不锈钢进展和挑战。

　　在大多数钢铁材料的发展过程中，除碳化物外，钢铁材料还会通过析出相的时效硬化过程得到强化。

　　AM技术中更常见的PH钢是17-4PH钢，这是因为这种合金的印刷适性好，应用范围广，应用范围广是因为其强度高，耐腐蚀的综合作用。在传统的制造工艺中，铸造后，17-4PH钢零件要进行固溶热处理。这种典型的热处理过程是1040°C @ 1h，较厚的样品需要较长的固溶热处理时间。固溶处理并淬火至室温后，马氏体组织中会出现过饱和的Cu。经历这一过程的称为a态。为了在热时效处理后诱导富铜析出相，析出相为纳米级。17-4PH钢更常用的时效处理温度为482°C @ 1h，在此处理后将获得更高的机械强度。这种热处理过程称为H900态。在这种状态下， 部件的极限抗拉强度通常可以达到大约1380MPa。

　　15-5PH不锈钢它是一种类似于17-4PH钢的材料。虽然没有广泛使用，但是这种合金也已经用AM技术制造出来了，并且对其相应的性能进行了评估，做了大量的研究。该合金仍然是马氏体沉淀硬化。不锈钢改变合金成分使该合金的变形抗力高于17-4PH钢，这是由于δ-铁素体显微组织含量水平的降低。Cu析出相动力学与17-4PH钢相似，导致这两种合金在H900热处理后出现时效硬化峰值。

　　广泛用于调幅印刷的马氏体硬化钢是18Ni300马氏体时效硬化钢。从奥氏体相场淬火后，形成马氏体显微组织，400-500℃时效处理会导致Ni3(Ti，Mo)相析出，其次是Fe7Mo6相。18Ni300马氏体时效钢在482°C时效6h后，极限抗拉强度(UTS)可超过2200MPa。这种高强度可以使这种合金广泛应用于军事和航空航天领域。

　　本章将总结文献中AM技术对PH钢的影响，其中大部分集中在17-4PH钢。

　　15–5PH不锈钢

　　用AM技术制造15-5PH钢可以获得比传统制造技术更好的力学性能。将SLM制造的15-5PH钢与传统制造工艺制造的15-5PH钢进行对比，可以观察到马氏体组织明显不同，AM制造的材料呈现更短更窄的板条马氏体。与变形材料相比，AM制造的材料在590°C时UTS(极限抗拉强度)可提高约34%至830MPa，但韧性下降50%，伸长率为9%时将失效。在另一项对SLM制造的15-5PH钢的研究中，时效硬化热处理后，与变形的15-5PH钢相比，其屈服强度(YS)在平行方向上提高了约10%，在垂直方向上降低了约6%。不考虑制造方向，与传统制造工艺相比，UTS值略有增加 (平行方向约11%，垂直方向约12%)。所有这些样品在老化过程中都是解理断裂。用SLM制造的15-5ph钢在夏比冲击试验后的断裂韧性为10.85±1.20j/cm2。在变形合金样品的范围内(9.4-18.6J/cm2)。SLM制造的15-5ph钢的显微硬度远高于变形合金的显微硬度。在横向上，AM制作的样品为500HV0.5，该值比变形样品的值高56%。

　　是的，PH系列不锈钢一般来说，循环加载是这种合金应用的理想场合。因此，构件的疲劳性能成为AM制造的这种钢更重要的性能。SLM制备的15-5ph钢的疲劳性能比传统工艺制备的合金降低了20%。这主要是由于SLM制造的元件表面粗糙度差。AM制品表面精度的提高和表面缺陷的去除可以显著提高疲劳性能，但这对于传统的变形合金并不明显。然而，表面缺陷对AM制造的15-5ph钢的疲劳性能有很大的影响，这已为观察结果所证实。而AM技术生产的15-5ph钢结合参数的优化和表面精度的提高，其疲劳性能可以与变形合金相当。

　　AM制造的15-5ph钢在高温下的蠕变性能尚未被广泛研究。与传统变形合金相比，SLM制造的15-5ph钢在530°c时的蠕变性能可提高约17%,其背后的原因尚未完全了解。

　　图1图解:SLM工艺制造的合金(载荷方向平行于X-Y平面)的应力应变曲线用黑线表示，传统工艺制造的17-4PH钢用红线表示。低应变率、准静态拉伸试验结果。高应变率动态拉伸试验结果。

　　17–4PH不锈钢

　　与变形零件相比，AM制造的17-4ph钢的韧性会降低。在状态A和H900中，AM制造的17-4PH钢的强度高于传统样品，但断裂伸长率降低。这一结果在低应变率(准静态)和高应变率(动态)拉伸试验中是相同的，如图1所示。对17-4PH钢的许多研究表明，与传统合金相比，强度增加，韧性降低。强度提高的原因是AM零件的显微组织得到细化，而韧性下降的原因是AM技术得到的样品中存在气孔。

　　Lass等人对SLM制造的17-4PH钢经过不同热处理后的试样与A状态下的传统合金(YS824MPa，UTS1121MPa，断裂伸长率10%)进行了大量的对比研究。另一种固溶退火工艺可以使变形合金获得大于90%的YS。作为比较，沉积态和A态的AM样品的YS约为变形态的55%。与传统工艺相比，这种新的处理工艺获得的UTS也显著提高，但其韧性有所下降。后热处理对微观结构的影响如图2所示，图2显示了当AM由17-4PH钢制成时获得的不同微观结构。对于沉积态的17-4PH钢，可以清楚地观察到熔池边界和胞状凝固组织(见图2a)，但是在均匀化和固溶处理之后(在状态A的处理过程之后)， 这种凝固结构消失。获得的微观结构(图2b)相当于变形合金的微观结构(见图2c)。其他研究也表明，AM制17-4PH钢在热处理后显微组织发生显著变化，这些显著的显微组织变化也会提高AM制17-4PH钢零件的性能。

　　SLM制造中使用的原始粉末的特性对于所得产品的机械性能非常重要。已经发现，通过改变17-4PH粉末和/或调节激光的能量密度，变形合金的拉伸强度等于或高于变形合金的拉伸强度。Pasebani等人研究了SLM用气雾化或水雾化粉末制造的17-4PH钢与传统工艺制造的零件的对比，以及不同热处理工艺对机械性能的影响。在制造过程中，以合适的能量密度制造AM，在1051°C @ 45m in固溶处理和482°C @ 1h时效条件下，用雾化粉末SLM制造的构件具有高强度、等效YS和优异的UTS，这是与传统构件相比的结果。在老化处理之前， 当固溶处理条件为1315°C @ 1h时，水雾化粉末制件的YS和UTS显著提高。这是由于马氏体板条结构的细化。与传统工艺相比，使用水雾化粉末的AM产品性能相对较差，YS下降约15%，UTS下降约4%。这个区别很明显，因为水雾化粉的价格比气雾化粉低很多。

　　图217-4PH不锈钢金相显微组织

　　说明:(a)SLM制造的沉积状态；(b)均匀化处理后；(c)变形的合金。这些显微组织取自平行于SLM制造方向和变形合金轧制方向的17-4ph。不锈钢金相显微组织钢

　　观察到显微组织中的奥氏体显著影响17-4PH钢的机械性能，因为奥氏体在机械测试期间转变为马氏体。AM制造的具有大量奥氏体的17-4PH钢将像TRIP钢一样显示出显著的韧性和加工硬化特性。AM制造17-4PH钢时会有大量的奥氏体组织，或者直接时效(比如制造时不做固溶时效处理)。Lebrun等人的结果表明，与传统工艺相比，这些样品具有相当大的韧性。例如，沉积态AM产品具有36体积%的残余奥氏体，并且老化伸长率为16.2%。传统变形合金的时效伸长率为15%。当制造17-4PH钢的SLM时，残余奥氏体在压缩和拉伸时将获得增加的韧性。图3a显示了通过SLM制造的17-4PH钢的微观结构， 而图3b显示了沿着熔池边界增加的奥氏体结构。

　　图17-4PH由3SLM制造不锈钢EBSD钢铁公司

　　插图:Imagequalitymap和PhaseMap。熔池边界的大致位置用黑色虚线标出。不同层之间熔池形状的明显差异在于每层旋转90°后的扫描结果。

　　当采用SLM制造工艺和传统工艺进行制造时，对其微观结构和力学性能的比较会发现，其抗拉强度几乎在所有情况下都表现出显著的变化。然而，SLM制造的样品很少能与H900状态的传统锻造合金的YS或UTS相比。这种力学性能的变化主要是由于SLM制作的样品中存在一些显著的残余奥氏体，同时显微组织中存在孔隙。观察沉淀硬化钢中奥氏体的存在会影响其硬度是非常重要的，因为固溶原子在奥氏体中比在铁素体或马氏体中溶解得更多。从而限制了老化过程中形成沉淀相的能力。在17–4ph钢和18Ni300马氏体时效钢中观察到微观结构中缺少奥氏体区， 其中每一个都是在热老化后观察到的。图4显示了18Ni300马氏体时效钢的原子探针分析结果。图4ab显示了马氏体微观结构的区域，每个区域都经历了174phh900的热老化。在封闭的等浓度表面上形成金属间化合物相。相反，图4c中的原子探针数据显示了AM制造的样品中奥氏体和马氏体区域之间的界面。与马氏体的损失相比，奥氏体中析出相的总损失非常明显。

　　图418Ni300马氏体时效硬化钢的原子探针断层扫描

　　说明:艾德(LMD)做的材料和LMD的一样；b .用传统制造工艺制造的材料；(c)此外，通过DED工艺制造的材料的数据显示了奥氏体和马氏体之间不同的沉淀行为。

　　AM的制造气氛也影响制造的17-4PH钢的机械性能。采用DED技术研究了制造气氛对17-4PH钢力学性能的影响，制造气氛分别为氩气和空气。所有AM合金的UTS都低于传统合金。热处理后，空气中AM制得的样品强度增加，空气中制得的样品UTS为1145MPa。Ar同州增长7%。进一步分析微观结构，发现是由非晶氧化物的弥散作用和N在空气中的固溶强化作用引起的。此外，当在N2气氛中印刷时，获得的马氏体将导致17-4PH钢零件的UTS和韧性与传统工艺相当，这是由于拉伸试验中塑性变形引起的显著应变硬化。

　　下图显示了用不同添加剂制造的17-4PH钢样品的UTS和韧性组合的总结。此图还显示了传统制造工艺和AM工艺制造的17-4PH钢的性能对比。从图中可以看出，不同的AM工艺参数、不同的表面处理和不同的热老化后处理，在不同的研究和不同的样品之间有很大的差异。同时，合金的性能也发生了很大的变化。同时可以观察到，在工艺参数没有优化的情况下和热处理后，材料的强度和韧性都会较差。不过这张图也指出了优化参数后， 性能几乎可以与传统制造工艺相当甚至更好。Facchini等人报道，可以获得UTS和韧性的优异组合，这是由拉伸试验中应变诱发马氏体的形成引起的。Rafi等人将样品韧性的增加归因于相同的效果。

　　图517–AM和传统工艺生产的4ph钢样品的极限抗拉强度和伸长率的结果。

　　在优化的工艺参数和适当的热处理条件下，AM的pH值为17–4ph。不锈钢显微硬度可与传统工艺生产的17–4ph相同。不锈钢相当于(~ ~450HV0.5)。

　　由SLM制造的17–4ph不锈钢与传统工艺相比，磨损性能主要取决于主导磨损机制。干摩擦时，传统工艺制备的样品显示出比SLM大得多的磨损率。这是因为SLM制造工艺造成的微细微结构和高显微硬度。然而，在润滑条件下，SLM制备的样品具有较高的磨损率。这主要是由于润滑剂改变了主要的磨损机制，从粘着磨损变为表面疲劳和磨损。

　　图6AM是17-4PH钢、热处理工艺和疲劳性能的示意图。

　　对AM公司生产的17–4ph钢的一些疲劳研究也研究了热处理对这些样品疲劳性能的影响。经过固溶退火和时效处理后，SLM制造的构件在相同热处理条件下的疲劳性能会低于传统构件。Yadollahi曾报道，其SLM制造的17–4ph钢的疲劳性能比传统技术制造的部件低4倍，这主要是由于SLM制造工艺存在缺陷。同时，研究人员报道，经过固溶热处理和时效处理，然后经过H900处理，其疲劳性能在低周下可以得到改善， 但在高周期时变得更糟。这归因于热处理引起的对杂质的敏感性增加。这种敏感性对低周疲劳不敏感。在传统的锻造合金中没有观察到这种现象。当SLM制造15-5PH钢时，也可以观察到这种现象。

　　制造方向会影响冷却速度，导致微结构和制造层的堆积，对SLM制造的样品的力学性能有很大影响。例如，下图显示了通过SEM观察获得的制造层的横截面的微观结构。在制造的样品中有某些平行于制造的样品的孔。通过X射线CT扫描可以观察到缺陷的分布。

　　图7通过Micro-CT分析获得的平行于制造层的横截面和沉积态样品中的缺陷的SEM照片。平行于制造轴的方向(A和C)和(B和D)沿着垂直方向给出。

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　　参考文献:1。疲劳增长行为fadditively manufactured 17-4 PHSTAINLESSTEEL:软件构建和微结构的影响，国际期刊第123期，2019年6月，第168-179页。

　　2.effects of heat treatmentandbuildorientationsonthefatiguelifeofselectvelasermelted 15-5ph不锈钢，材料科学与工程:A，卷755，7May2019，第235-245页，苏州东锜在生产过程中，要求每道工序的操作人员进行严格的自检和互检。同时，IPQC还经常进行现场抽查，发现问题及时处理。出货时，OQC再次进行严格的探伤、硬度、尺寸检验，确保产品在出货时能够满足客户的要求，到达客户手中的产品不会出现“零”投诉。

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