2024年, 第59卷, 第6期　刊出日期：2024-06-15

  

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序言
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  序言

  王华明

  钢铁. 2024, 59(6): 1-1.

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综合论述
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  粉末床熔融增材制造工模具钢的研究进展

  刘世锋, 孙志雄, 魏瑛康, 王岩, 王建勇, 张亮亮, 杨鑫, 汤慧萍

  钢铁. 2024, 59(6): 2-21.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240149

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  工模具被誉为“现代工业之母”,其发展水平直接决定了制造业的核心竞争力,在国家重大工程、高端装备和先进武器中的地位不可替代。增材制造技术基于“离散-堆积”原理,以逐点/逐线/逐层堆积方式制造实体零部件,能实现复杂外形或内流道刀具、模具的短流程高效制备,进而提高刀具切削效率、解决模具制品翘曲变形难题,近年来已发展为高端刀具、模具制造的新兴技术之一。粉末床熔融（PBF）是近年来发展较为迅猛的一种金属增材制造工艺,具有材料选择多、成形精度高、成形件力学性能好和对几何形状不敏感等突出优点,可满足极端复杂构件的高质量、高效制造。综述了国内外PBF成形工模具钢的研究与应用现状。首先介绍了PBF技术的特点及商用设备的最新发展状况;国产商用PBF设备已有较大程度的发展,可成形零件尺寸已达米级。其次重点分析了PBF成形工模具钢的特有优势,以及高速工具钢、热作模具钢及塑料模具钢等3类工模具钢的工艺窗口与组织、性能特征;在快冷（10⁶~10⁸ K/s）条件下,PBF成形组织更加细小且有效抑制宏观偏析,优化工艺后PBF可成形完全致密工模具钢,其热处理后的综合力学性能接近甚至超过标准锻件水平。接着总结了PBF成形工模具钢在复杂构形刀具、模具方面的工程应用,提出了领域关注方向及进一步的发展趋势。最后总结了该方向的研究进展并对其发展前景和重点发展方向进行了展望。
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  激光粉末床熔融制备高强钢的研究进展与展望

  陈超越, 赵旺, 蒋丹青, 徐松哲, 王江, 任忠鸣

  钢铁. 2024, 59(6): 22-37.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240179

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  高强度钢是一种具有高强度、高韧性等多种综合优异性能的钢材。根据合金元素含量不同,可以区分为低合金高强钢、中合金高强钢和高合金高强钢,并根据其不同的元素和组织强化机制,以不锈钢、高速钢、工具钢等钢种广泛应用于汽车、建筑、航天航空等领域。伴随着高强钢零件复杂结构的需求增大,以及传统零件生产流程繁杂冗长等弊端日益明显,能短流程直接成形复杂零件的生产制造技术正急需被研究应用。增材制造（additive manufacturing, AM）技术生产的金属具有更细小的晶粒、可控性更高的基体相、组织分布更加均匀、碳化物更细小且AM能直接成形复杂零件并大幅缩短工艺流程,有望满足更高的力学性能和日趋复杂的结构需求。从高强钢的基本特征入手,分析了传统制造下高强钢的微观组织、力学性能及强化机制。然后分析了增材制造技术特点,重点论述了激光粉末床熔融技术（laser powder bed fusion, L-PBF）生产高强钢的微观组织与力学性能,针对其内部的强化机理做出了系统的阐述,对传统制造高强钢的微观组织和力学性能较L-PBF制造的高强钢作了归纳与系统对比。其次关注了高强钢在增材制造领域的实际应用和部分研究成果,对高强钢增材制造的未来发展做出了展望,以期有助于高强钢在增材制造领域的进一步应用及工业化推广。
钢铁材料
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  SHPB参数对激光增材制造AerMet100钢动态力学行为的影响

  王丛瑞, 冉先喆, 董恒, 李卓, 武海军, 张述泉

  钢铁. 2024, 59(6): 38-48.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240169

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  侵彻类武器装备在毁伤作用前需要保持高的结构完整性,发展具有优异强韧性能的超高强度钢弹体材料已成为保障相关武器装备结构完整性的重要途径,理解侵彻过程中环境载荷参数变化下超高强度钢弹体材料的动态力学行为成为研究的重要目标。主要研究了分离式霍普金森压杆（SHPB）关键载荷参数（如撞击杆长度和发射气压）影响下强韧化热处理后激光增材制造AerMet100超高强韧钢试样的动态力学性能,并结合试验前后的微观组织结构演化及断口形貌特征,分析了该合金钢的动态断裂行为。结果表明,强韧化热处理激光增材制造AerMet100钢在动态压缩试验中表现出了明显的应变速率强化效应,例如在80 kPa和160 kPa下发射200 mm撞击杆,试样应变速率分别为（2 131±76） s^-1和（5 149±326） s^-1,抗压强度随应变速率增加从（2 062±32） MPa升高到（2 301±69） MPa;使用160 kPa发射100 mm撞击杆时,得到试样在（7 250±409） s^-1的应变速率下抗压强度为（2 488±100） MPa,此应变速率和抗压强度均为试验中的最大值;80 kPa和160 kPa气压发射相同长度撞击杆得到两种试样的绝热温升之比约等于气压之比,即1∶2。动态压缩前后试样显微组织没有明显变化,未出现绝热剪切带;在所有测试当中仅有160 kPa发射200 mm撞击杆时试样发生45°剪切断裂,试样断裂应变速率为5 292 s^-1,断裂强度为2 281 MPa;断口中发现了放射区和剪切唇,放射区为准解理断裂,剪切唇为韧性断裂。试验结果为激光增材制造AerMet100钢的动态力学性能测试方法提供了试验参考。
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  增材制造马氏体时效钢的析出行为与强化机制

  刘庆冬, 张孟超, 刘明洋, 刘晓晖, 李慧, 王泽民, 赵波, 顾剑锋

  钢铁. 2024, 59(6): 49-59.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240246

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  为了提升中国增材制造模具的品质和国际竞争力,加速世界向增材制造的转变,从汽车一体化压铸技术对可替换增材制造镶块材料的需求出发,在18Ni300马氏体时效钢的基础上,通过降低Ni含量、调整Co成分、保持Al含量并添加适量Cu的成分设计策略,开发了一种易于增材制造新型合金钢。利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和原子探针层析技术（APT）等微纳结构表征手段,研究了打印态马氏体时效钢在回火过程中第二相的析出过程和强化机制。结果表明,不同温度回火时,马氏体时效钢表现出明显的析出强化效应,在560 ℃时达到硬度峰值（约为54HRC）,460 ℃和600 ℃时的硬度均约为50HRC,两者抗拉强度相近,但后者屈服强度较低,同时伸长率、断面收缩率和室温冲击韧性均大幅度提高,断口表现出明显的塑性断裂。低温（460 ℃）回火时,出现明显的Ni、Cu等元素的团簇,为富Cu的β-NiAl相形核早期的存在形式,同时还因调幅分解而出现Cr的成分起伏,并出现纳米薄膜状的奥氏体（γ）相;高温（600 ℃）回火时,形成纳米β-NiAl相和细小的富Mo、W、Cr的Laves相,且两者与α-Fe基体分别存在[001]_β//[001]_α和[1¯1¯23]_Laves//[011]_α的位向关系,同时形成有利于塑韧性改善的α+γ的双相组织。低温（460 ℃）回火时形成的富Ni团簇和富Cr团簇,可能是高温（600 ℃）回火时β-NiAl相和Laves相的前驱体,2种形态均是析出强化的主要贡献者。
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  燃料电池双极板结构激光增材制造及表面精整加工

  张万里, 林开杰, 陕俊豪, 许勇, 黄广靖, 孙婧佳, 顾冬冬

  钢铁. 2024, 59(6): 60-71.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240218

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  质子交换膜燃料电池双极板异形截面微流道制造成形存在挑战,且表面粗糙度对其性能与寿命造成重要影响。激光粉末床熔融（laser powder bed fusion,LPBF）技术得益于成形自由度高、可实现复杂结构成形等特点,在解决该复杂微流道成形问题方面具有显著优势,且磨粒流加工可实现复杂流道的高效精抛光。采用LPBF技术成形了316L不锈钢质子交换膜燃料电池双极板异形截面微流道结构,获得了优化的激光工艺（激光功率为150 W,扫描速度为800 mm/s,扫描间距为50 μm）,该工艺下成形试样致密度为99.5%。自主研发设计了磨粒流抛光设备及夹具,对优化工艺下LPBF成形的异形截面微流道进行了抛光工艺优化,基于光镜、激光共聚焦和扫描电子显微镜等试验手段,研究了不同抛光压力对LPBF成形质子交换膜燃料电池双极板异形截面微流道成形精度、表面粗糙度及显微组织的影响规律,获得了最佳磨粒流抛光工艺（抛光压力为9 MPa、抛光时间为90 min、磨粒粒径为0.037 5 mm）。结果表明,随着抛光压力增大,微流道内壁质量得到了有效提升且沿微流道长度方向的抛光不均现象明显改善,抛光压力为9~11 MPa时,成形构件表面粗糙度低至2.43~3.57 μm,改善量可达77.9%~85.7%。流道结构顶部硬度最小,变化量最大,与悬垂位置的致密度及显微组织有关。其中抛光压力为9 MPa时,中间及出口处的设计总偏差量最小,分别为61 μm和82 μm。揭示了磨粒流抛光LPBF成形燃料电池双极板异形截面微流道的机制,以期为LPBF成形复杂结构的表面精整工作提供参考。
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  热处理对电弧增材制造低碳马氏体不锈钢构件均匀性的影响

  田宛平, 金志起, 谢广明

  钢铁. 2024, 59(6): 72-82.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240148

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  采用冷金属过渡（cold metal transfer, CMT）电弧熔丝技术制备了低碳马氏体不锈钢薄壁构件。为研究热处理工艺对构件微观组织和力学性能均匀性的影响,采用OM、SEM、EBSD、XRD等技术进行了组织表征,并通过拉伸和硬度试验测试构件力学性能。结果表明,沉积态构件底部为等轴晶,组织为板条马氏体+回火马氏体;顶部为粗大柱状晶,沿构件高度生长,组织为单一板条马氏体。自构件底部至顶部,沉积态构件硬度由314HV上升至361HV;抗拉强度先上升后下降,伸长率由23.5% 下降至12.0%。拉伸断裂形式均为韧性断裂,但相比于底部拉伸断口,顶部的韧窝明显更大更浅,表明塑性急剧下降。晶粒形貌、相组成等变化是由随沉积高度增加,热积累增加、冷速下降以及自回火程度降低所导致。因此,沉积态构件的组织和性能存在不均匀性。另外,由构件中部的织构特征和横、纵向力学性能可知,沉积态构件的组织和性能存在各向异性。经热处理后,构件各处的自回火程度差异被消除,相组成全部变为回火马氏体与弥散分布的逆转变奥氏体,因此获得了均匀分布的硬度及拉伸性能。另外,由于热处理过程中发生了奥氏体重结晶,构件的各向异性也被消除。揭示了热处理对电弧增材低碳马氏体构件微观组织与力学性能变化的影响机制,为工程应用提供了指导。
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  增材制造高强钢中的马氏体组织与马氏体相变

  汤隽劼, 喻异双, 胡斌, 熊智慧, 刘仕龙, 金学军

  钢铁. 2024, 59(6): 83-93.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240215

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  马氏体组织因其与多种强化机制兼容,是高强钢追求极致强塑匹配的理想组织。传统马氏体组织以板条或针状结构为主,而对于采用金属增材制造技术加工的高强钢而言,极快的冷却速率、循环热输入和扫描式的加工模式决定了其组织的非平衡性,高能热输入引入的胞结构、元素偏聚、位错塞积及原奥氏体母相组织均区别于传统高强钢。这些与传统减材加工的区别给增材制造高强钢的性能调控和组织强韧化带来了全新挑战,常规后处理工艺与增材高强钢适配性差,亟需依据增材高强钢的微观组织和马氏体相变特点设计更合适的强韧化组织和后处理路线。简析了金属增材制造技术的发展脉络及当前面临的强塑性、强韧性制约瓶颈,归纳了增材制造高强钢中多层级马氏体组织与板条等传统马氏体组织相比所具有的多组元、亚稳态、多尺度特点,以金属增材加工涉及的两个相变过程（凝固和马氏体相变）切入,从高冷速、循环热输入的工艺特点和化学成分梯度、位错分布、母相组织等微观特征阐释这些组织和性能差异性的成因,归纳了成分、热处理、组织设计等对增材高强钢进行改性和强韧化的可行方法,最后总结了当前增材制造高强钢中的马氏体组织研究进展与热点方向,为日后增材制造马氏体高强钢的发展与推广提供借鉴及指导。
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  增材制造抗氢钢组织性能调控及其氢脆敏感性

  张子雨, 李佶纳, 刘赓, 苏杰, 王敖

  钢铁. 2024, 59(6): 94-103.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240201

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  沉淀强化Fe-Ni基奥氏体合金具有高强度、优异的耐腐蚀性和较低的氢脆敏感性,因而被广泛应用于航空航天、氢能源工程和石油化工等领域。相对于现有铸锻造等技术,增材制造工艺能够实现复杂形状零件近净成形。采用激光熔化沉积制备NASA-HR（NHR）抗氢钢,研究高温固溶（930~1 180 ℃）、时效处理（725~775 ℃）热处理工艺条件对其微观结构演变、力学性能和抗氢性能的影响。结果表明,由于激光熔化沉积过程中温度梯度高和熔凝速度快,其凝固组织主要由柱状晶组成,并在枝晶区域出现Ti元素偏析。经1 180 ℃高温固溶处理后,激光熔化沉积NHR合金熔池特征消失,成功消除Ti元素偏析并获得完全再结晶均匀组织。随后分别经过725、750和775 ℃时效处理,发现随着时效温度升高,晶粒尺寸略微生长,γ'相纳米析出尺寸逐渐变大,产生的析出强化效应越大,合金强度明显升高。在775 ℃时效处理后强度达到1 070 MPa,塑性略有降低,但其断后伸长率均保持在26%以上,拉伸断口形貌均由韧窝组成呈韧性断裂。优化热处理条件下可以使得增材制造NHR合金在力学性能上与锻态匹配。锻造和增材制造NHR合金氢致塑性损减分别是21.7%和20.8%,氢脆敏感性相当。充氢后两者拉伸断口均出现沿晶断裂特征,为韧脆混合断裂。增材制造NHR合金在力学性能和抗氢性能上的良好匹配,为增材制造抗氢钢在临氢环境下的服役性能提供参考,并为增材制造抗氢钢的应用开拓思路。
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  激光选区熔化制备TiC强化M2高速钢组织与性能

  刘岩, 赵定国, 李月, 王书桓, 崔小杰, 吴朋越, 苏新磊

  钢铁. 2024, 59(6): 104-111.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240090

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  M2高速钢（high-speed steel,HSS）作为一种中合金高碳工具钢,广泛应用于机加工行业中。使用激光选区熔化技术可以直接制备出具有精细复杂结构的工件,研究了TiC强化的M2高速钢的SLM成型工艺参数,分析了TiC的添加对M2高速钢微观组织、物相、性能的影响。试验结果表明,当激光功率为270 W、扫描速度为700 mm/s、扫描间隔为100 μm时可以制备出相对致密度为97%以上的TiC强化M2高速钢样品。金相分析结果表明,打印态M2高速钢XZ面微熔池内部以柱状晶组织为主,而添加质量分数为1%的TiC后,XZ面柱状晶组织则全部变成等轴晶组织;SEM结果显示XY面组织以等轴晶为主,并且分布较为均匀,晶粒边界处存在点状析出物,TEM结果显示析出物主要为添加的纳米TiC粒子及析出的碳化物。添加TiC后样品的平均晶粒尺寸由1.440 μm变为0.585 μm,晶粒细化效果明显。XRD结果显示纯M2高速钢的物相主要为BCC马氏体,含有少量的FCC残余奥氏体。随着TiC的加入,XRD衍射峰中M_xC_y型碳化物的峰强度增加, TiC的加入诱导了碳化物的生成,添加质量分数为1%TiC的M2高速钢的耐磨性较纯M2高速钢提升约39%,TiC的加入起到了晶粒细化和析出强化作用,细小的晶粒及析出的碳化物显著地提升了高速钢耐磨性。
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  气雾化制备18Ni250钢粉体的数值模拟与试验验证

  李嘉, 刘雨, 王长军, 于晓华, 刘振宝, 王睿, 毕中南, 梁剑雄

  钢铁. 2024, 59(6): 112-121.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240206

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  真空感应熔炼气雾化（VIGA）工艺具备细粉收得率高、高效率以及低成本等优点,是目前增材制造用粉体制备最为通用的工业技术。由于超声速流场冲击液滴形成粉体的雾化过程机理复杂,粉体质量与细粉收得率难以兼顾是关键技术问题之一。数值模拟通过可视化展示氩气流场和金属熔体破碎的过程,有助于分析VIGA工艺中超声速流场冲击液滴形成粉体的复杂机理。首先通过数值模拟对VIGA工艺的氩气流场、金属熔体破碎过程进行可视化分析,结合试验研究气雾化参数对细粉收得率以及粉末形貌的影响。主要的气雾化参数为气体压强（4、5 MPa）、气体温度（300、373、423 K）、熔体漏眼直径（5 mm）、熔体温度（1 873 K）。研究结果表明,气体压强升高、气体加热可以明显提升超声速氩气流速度,模拟结果给出的最优参数为雾化气体压强5 MPa、气体温度423 K。机理分析发现,上升气流是金属熔体在一次雾化时的主要作用气流,作用为液膜拓展至初始液滴形成;初始液滴在超声速气流交叉冲击区进行二次雾化,液滴破碎后冷却形成粉末。采用最优工艺参数进行试验,实际细粉收得率可达到约66.59%,制备的粉末球形度良好。此外,雾化气体加热对粉体表面熔覆氧无明显影响。为开发18Ni马氏体时效钢材料及相应的气雾化制粉工艺提供技术支持,有望提高雾化效率和粉末性能。
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  电子束选区熔化成形高氮钢的微观组织与力学性能

  张佳豪, 王岩, 李花兵, 冯浩, 魏瑛康, 王建勇, 张亮亮, 刘世锋

  钢铁. 2024, 59(6): 122-134.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240166

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  高氮奥氏体不锈钢（high nitrogen austenitic stainless steel）广泛应用于飞机叶片、特种车身及涡轮等具有复杂结构的部件。电子束选区熔化（SEBM）技术具有更高的预热温度（最高达1 200 ℃）和更高的能量利用率等优势,能够有效解决传统材料加工方法制备高氮钢组织粗大、组织分布不均匀的问题,有望大幅改善高氮钢力学性能,能够实现复杂构件的一体化成形。通过改变SEBM的电子束束流和扫描速度制备高氮钢试样,研究了工艺参数对打印态试样氮含量、致密度、物相组成、微观组织演变和拉伸性能的影响规律。结果表明,试样的氮含量较粉末均出现不同程度减少,随着能量密度的增加而减小;微观组织主要由奥氏体、铁素体、晶间σ相、亚稳态M₂（C,N）组成;通过改变工艺参数可以调控奥氏体、铁素体和σ析出相的尺寸;随着电子束束流增加,奥氏体基体先变大后变小,奥氏体晶界析出σ相尺寸先变小后增大且晶内小尺寸析出物逐渐变少。随着扫描速度的增大,熔池热输入减少、能量密度减小,晶界处σ相析出物逐渐变大,奥氏体基体逐渐变小。当能量密度增大时,试样的极限抗拉强度和屈服强度先上升后降低。当电子束束流为23 mA、扫描速度为6 m/s、相应能量密度为57.50 J/mm³时,高氮钢的综合力学性能最佳,极限抗拉强度为1 200 MPa,屈服强度为868 MPa,伸长率为6.5%。
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  增材制造马氏体时效钢表面铣削参数优化与分析

  杨泽宇, 李卫民, 张彦鹏, 宋明林, 高奇

  钢铁. 2024, 59(6): 135-144.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240091

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  马氏体时效钢因其高强度、高韧性以及良好的成形性能而著称,能够很好地满足增材制造生产的要求。然而,其制造材料的表面质量较差,制约了其快速发展。目前关于马氏体时效钢增材制造的材料表面进行后处理相关研究较少。因此,通过激光熔覆制造了不同搭接间距的熔覆层,以平整度为指标,选取搭接间距为0.7 mm的熔覆层进行了表面铣削正交试验,并对铣削后的熔覆层表面粗糙度及其形貌特征进行了分析,以降低表面粗糙度为目的进行了参数预测、试验验证与分析。结果表明,不同扫描间距熔覆层截面形貌相差较大,呈现波浪状、凸起状、平整状;熔覆层不同位置显微组织不同,主要由胞状晶和柱状树枝晶组成。经过切削后材料表面粗糙度明显下降,但刀痕明显,暴露出增材制造过程产生的未融合裂纹、孔洞等缺陷。通过正交切削试验分析得到各参数对加工表面粗糙度影响程度依次为进给速度>切削深度>主轴转速。通过效应曲线预测了最低表面粗糙度的参数主轴转速为11 000 r/min、进给速度为1.5 mm/min、切削深度为0.5 mm,此时粗糙度最小值为0.373 μm,比正交切削试验最低粗糙度结果降低了11.4%;切削加工后熔覆层顶端产生了加工硬化,比切削加工前硬度提高了10.5%。试验研究旨在改善增材制造材料的表面质量,为增材制造材料后处理相关研究提供参考。
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  SLM制备马氏体时效不锈钢组织及服役行为

  赵晓洁, 赵凯, 张轩, 高扬

  钢铁. 2024, 59(6): 145-154.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240183

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  马氏体时效不锈钢具有高强度及耐腐蚀等优点,在航空航天及石油等领域应用广泛。以选区激光熔化（SLM）技术制备马氏体时效不锈钢为研究对象,开展力学性能及腐蚀磨损性能测试。采用OM、SEM、EBSD、TEM及三维形貌仪等表征手段分析马氏体时效不锈钢的微观组织及服役行为。结果表明,选区激光熔化技术制备的马氏体时效不锈钢力学性能优异,屈服强度和抗拉强度分别为700 MPa和1 184 MPa,伸长率和冲击韧性分别达到20.6%和149.6 J。对拉伸和冲击断口表面形貌分析,均表现为细小蜂窝状的韧窝,断裂形式为韧性断裂。在腐蚀磨损条件下,马氏体时效不锈钢的失效形式以磨粒磨损、腐蚀磨损为主。研究不同载荷下马氏体时效不锈钢的腐蚀与磨损交互作用,发现磨损对腐蚀的促进作用随载荷增加而增强,主要由于存在“应变差电池”。马氏体时效不锈钢微观组织主要由马氏体以及少量奥氏体组成,组织细小,且内部有高密度位错及纳米尺寸夹杂物存在。分析氧化铝夹杂物对马氏体时效不锈钢服役行为的影响,发现微纳米尺寸球形夹杂物可有效调控马氏体不锈钢韧性和腐蚀磨损性能。
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  激光增材制造316L不锈钢力学性能的各向异性

  刘伟, 刘成松, 王勇, 张华, 倪红卫

  钢铁. 2024, 59(6): 155-165.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240197

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  相比于传统制造工艺生产的316L不锈钢零件,L-PBF技术具有更大的设计自由度和制造效率,可实现复杂几何形状金属零件的一次性成型,被广泛应用在核工业、汽车工业以及医疗卫生等领域。然而,L-PBF技术极快的冷却速率会导致其内部形成明显差异的微观组织结构,从而造成材料力学性能的各向异性。利用SEM、EBSD和TEM等表征技术,深入观察了L-PBF 316L不锈钢样品不同截面的微观组织的差异,从晶粒尺寸、晶体取向以及亚晶结构的变形机理3方面详细分析了其对材料力学性能的影响。研究表明,垂直于打印方向的晶体为明显的<110>织构,晶粒尺寸较小,且塑性变形时网络状的胞状亚晶和变形孪晶相互作用,形成了更小尺寸的三维立体钉扎结构,可有效抑制各个方向的位错滑移,明显增加了该方向的强度。然而,平行于打印方向为较粗大的柱状晶,晶体取向趋于随机,并且亚晶结构多为条状形貌。塑性变形时,当变形孪晶生长方向平行于亚晶的长边时,则无法对条状亚晶进行分割和细化,进而不能有效抑制平行于亚晶长边界的位错滑移,强化效果较弱,导致该方向强度较低。研究有利于更好地理解L-PBF 316L中各向异性的起源,为后续热处理提供了理论指导;同时有助于拓扑优化、晶格结构建模和增材制造过程中的热物理过程模拟等工作的模型搭建,提高模型的精度。
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  激光原位合金化Fe-Mn合金的元素质量损失

  马西琳, 刘和平, 李发发, 何亚洲, 张浩, 侯雅青

  钢铁. 2024, 59(6): 166-179.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20230602

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  多材料打印是目前金属增材制造的重要发展方向,利用多材料打印技术可以节约材料,充分发挥材料和结构耦合设计特点、实现综合优异的性能或功能。其中激光原位合金化技术是实现多材料打印的核心方法之一,利用激光作为热源逐层熔化粉末形成三维零件,成形的金属零件致密度高、尺寸精度高、表面粗糙度好。由于锰元素的蒸气压较高,在高温热源的作用下蒸发效应更强烈,针对多材料激光原位合金化制备技术中的元素蒸发问题,以纯金属粉末铁和锰为原材料,采用高通量增材制造设备,分别进行了Fe10Mn（质量分数,下同）和Fe20Mn混合异质粉末的激光选区熔化试验,重点对比分析了不同激光功率、扫描速度、成分配比等参数对成形样品的质量损失及成分精度的影响。研究结果表明,锰质量分数为20%时的质量损失率低于锰质量分数为10%的质量损失率。高锰含量样品在成形过程中蒸发更加剧烈,反冲压力更大,熔池更窄更深。激光原位合金化成形合金最佳的工艺参数为激光功率220 W,扫描速度500 mm/s,扫描间距0.08 mm,层厚0.03 mm,成形试样的密度最高可达7.81 g/cm3,致密度最高可达99.78%。最佳工艺参数条件下,原位合金化Fe20Mn合金的质量损失率仅为1.50%。因此,在Fe-Mn合金中,锰相较于铁具有更大的蒸发倾向,优化了Fe-Mn合金的激光打印工艺参数,为提高易蒸发元素的成分精度控制提供了参考。
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  稀土元素对气雾化高强不锈钢粉末性能的影响

  刘畅, 张梦醒, 刘雨, 梁剑雄, 杨志勇, 褚韦涵, 王长军

  钢铁. 2024, 59(6): 180-188.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240217

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  通过增材制造技术成形高强不锈钢可以有效提高不锈钢材料的成形效率、减少原料浪费、适用于各类复杂形状制件,是未来高强不锈钢成形的重要方式。但是气雾化法制备得到的不锈钢粉末存在细粉收得率低、卫星粉含量高、杂质氧含量高等问题,严重影响了通过增材制造技术成形的高强不锈钢零件的致密度、力学性能等特性。为了提高零件的成形质量,需要对气雾化金属粉末进行有效地改性,减少粉末表面卫星粉、提高粉末流动性。制备了PH13-8Mo高强不锈钢粉末,并在气雾化制粉时向其中加入稀土La元素,后续的表征结果表明不锈钢粉末的颗粒形状、球形度和粉末流动性等粉末物性都在加入稀土后得到了改善。为了系统探究稀土元素的影响规律,制备了3批不同成分的含稀土粉末,稀土La的质量分数分别为0.11%、0.39%、0.59%。采用SEM、XPS、EPMA、3DAPT等分析手段,表征粉末形貌、粒度分布、流动性、相组成、化学成分等特性。结果表明,添加了稀土的PH13-8Mo不锈钢粉末各项物性都明显改善、粉末球形度增加、流动性明显提高,稀土加入对PH13-8Mo不锈钢的相转变温度和组织形貌也存在影响。通过对粉末成分的表征发现稀土元素在粉末颗粒中沿晶界分布,存在明显的偏析情况。研究结果证实了在气雾化制粉过程中向高强不锈钢中添加稀土元素来调控粉末物性,是一种高效可行的工艺路线。
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  高氧增材制造IN718镍基高温合金的蠕变性能

  巩俐, 史慧文, 杨博威, 孙美慧, 刘文月, 郭呈宇

  钢铁. 2024, 59(6): 189-197.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20240122

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  氧作为高温合金冶炼过程中难以去除的杂质元素,氧质量分数仅仅为0.000 1%~0.001 0%就会显著降低高温合金的疲劳与蠕变性能。增材制造技术由于其在难切削合金与复杂构件上的制造优势,已被广泛应用于高温合金的制造。然而,由于粉末的比表面积大,增材制造高温合金的氧质量分数为传统铸造的10~100倍,致使其疲劳与蠕变性能大幅下降。基于此,充分利用了选区激光熔化工艺的特点,开展了高氧含量气氛中IN718合金的打印。采用了打印室氧质量分数分别为0.001%与0.100%的环境,制备了高、低2种氧含量合金。650 ℃/550 MPa的蠕变与650 ℃/690 MPa的持久测试显示,高氧含量制造的合金的蠕变与持久寿命为低氧含量制造的合金的2倍,同时具有更好的塑性。结合光镜、扫描电镜与能谱仪,对2种合金的显微组织进行表征。结果显示,氧含量增高并未引起打印过程的烧损,且高氧含量与低氧含量制造的合金具有相同的致密度与显微组织特征,2种合金均显示出良好的冶金结合,没有明显的打印缺陷。在热处理之后,2种合金均发生了晶粒回复与再结晶,在晶界处析出了几乎同样尺寸和含量的碳化物与δ相。通过透射电镜发现高氧含量合金中具有弥散分布的Al₂O₃颗粒,尺寸为15~30 nm,且其附近遍布位错网。这些纳米氧化物结构稳定,可以有效阻碍位错运动,从而提升了合金的蠕变性能。详细分析了该纳米氧化物在选区激光熔化过程中的形成机制。提出利用激光增材制造特性制备含纳米氧化物合金的思路,该方法可以有效避免氧对合金损害,提升合金的性能。