江苏激光联盟导读：
本文重点介绍了各种实际应用的先进和高适用材料的微观结构、功能和机械性能，包括不锈钢、镍基和高温合金、钛基合金和金属基复合材料（MMC），以及不同预处理和后处理特性的影响。本文为第四部分。
３．２．机械性能
3.2.1 残余孔隙度对LAM制件的影响
通过LAM可以制造出与传统方法相似的机械性能的高密度金属零件。制造具有理想机械性能的高质量零件的一个主要挑战是避免这些零件的多孔结构。这些气孔会促进裂纹的萌生和塑性及冲击性能的劣化。因此，制造高密度零件成为LAM处理中参数优化的首要任务。
密度通常由光束的体积能量强度决定。如果能量输入过低，在制造过程中熔化不足会导致制造零件中出现空隙，从而降低体积密度。另一方面，过量的体积能量会导致更严重的熔池动力学、挥发性飞溅、材料蒸发和气体滞留在该区域内，这也会导致孔隙率，由于球形孔隙的存在，导致密度降低。这也会导致热应力，并在表层引发成球效应。
过度偏离优化参数会导致机械性能恶化。就Ti–6Al–4V合金和316L不锈钢而言，熔化不足可能会导致一系列缺陷。因为较大的缺陷可能会导致材料中更大的应力集中，这可能比球形孔对制造结构的机械性能产生更多破坏性后果。
上图（a）显示了一个Al–Si10–Mg SLM试样。“x”用于表示在重复CT测量期间X射线束将被引导到的面。构建方向用z表示，每个试样的顶面（z=5mm）对应于SLM工艺的最后一层。图（b）显示了从CT数据获得的图（a）中立方体的三维重建。
在一项关于Ti–6Al–4V合金的研究中，观察到不是由气体截留引起的球形气孔。这些气孔是由于在形成过程中基板表面的熔化不足造成的。为了验证这一理论的有效性，这些气孔被HIP封闭，然后进行热处理，之后没有重新打开。HIP工艺被认为是一种成功的方法，可以最大限度地减少气孔，并控制其对装配部件的破坏性影响。通过优化LAM和HIP工艺参数，可以去除几乎所有的孔隙，从而达到99.95%的最大密度。
在使用粉末之前重新熔化一层被认为是减少残余孔隙率的另一种方法。这样熔体池中的孔隙就被阻止，晶粒结构被细化。这是由于与粉末相关的固结材料的高导热性。另一方面，对于热处理与孔隙度之间关系的研究还没有显示出令人满意的结果。
后续热处理后抛光和蚀刻SLM试样的光学显微照片。
上图显示了试样的微观结构演变，其中竣工条件下的特征SLM熔体池（由细胞状树枝状结构向粗胞状树枝状结构的转变）在热处理后产生了团聚Si颗粒的粗结构。在较低的退火温度下，硅扩散出铝硅基体，形成小颗粒。随着温度的升高，这些颗粒团聚，形成指数级的大颗粒，消除了熔池边界。用光学显微镜观察到的黑色薄片对应于在Si Kα1 X射线发射能量下通过能量色散X射线光谱（EDX）映射确定的Si浓度。
3.2.2. LAM产品的强度和延伸率
制造零件的微观结构和密度是决定强度的关键因素。由于快速凝固效应，与传统方法制造的零件相比，LAM制造的零件具有更精细的微观结构和更高的拉伸强度。Hall-Petch关系是将LAM部件的屈服强度与平均晶粒尺寸联系起来的一种公认的方法。
通过LOM和EBSD图像显示颗粒结构和局部纹理。(a)显示EBSD逆极图(b)和(c)位置的LOM图像。(d) (c)点对点图像质量和错向区之间的旋转角度(上)。
微观结构与拉伸性能之间的关系表明，微观结构的织构和各向异性也会导致拉伸性能的各向异性。通过大量研究证明了这一点，在LAM的情况下，这些属性通常沿建筑方向最高。
本节回顾了LAM预制件的机械强度和延展性，并讨论了微观结构、织构、各向异性和性能之间的关系。
3.2.2.1. 钢
基于LAM加工钢的不同结构以及由此产生的此类产品的机械性能，将在两个小节中讨论它们的性能。第一部分主要介绍奥氏体不锈钢的性能，这些不锈钢主要用于无需任何热处理的场合。第二节讨论了可热处理沉淀硬化不锈钢的性能。
3.2.2.1.1. 无共析相变的奥氏体不锈钢
在奥氏体不锈钢中，304不锈钢（304）、304L不锈钢（304L）、316不锈钢（316）和316L不锈钢（316L）是最受研究的LAM加工结构合金，这些合金在制造条件下可能形成γ-奥氏体和δ-铁素体晶粒。采用常规工艺加工时，其结构完全为奥氏体；然而，当采用LAM技术制造时，这些合金通常表现出比传统制造的同类合金更高的屈服强度、极限拉伸强度和硬度，这是因为它们具有细化的结构，如表2所示。然而，由于显微结构的不同以及通过LAM工艺制造的构件的快速凝固，它们通常比通过传统方法制造的构件表现出更低的延展性。
表2 根据不同的加工参数，将不同等级的激光增材制造的奥氏体不锈钢的机械性能与这些合金的常规制造状态与样品规格进行了比较，总结了这些合金的机械性能。
LAM零件的高强度与以下因素有关：
一、快速凝固导致晶粒细化。
二、由快速凝固和残余应力引起的装配零件的通常高位错密度。
可以利用以下几个因素来论证LAM产品的低延伸率：
i、 强度-延性权衡
ii、LAM预制件的高位错密度
iii、内部缺陷，例如导致应力集中的线形气孔或严重未熔合
iv、细化晶粒结构导致位错堆积[30177178]。
通过提高线性热输入，由DED制造的奥氏体不锈钢具有较低的屈服强度和极限抗拉强度。然而，制造零件的强度似乎与体积热输入的任何变化无关。线性热输入越低，熔池越小，这意味着LAM制造零件的热梯度越高，冷却速度越快。这导致细化组织的形成，从而产生更高的屈服率和抗拉强度。由于文献报道的数据不足，在大多数情况下无法推导出体积热输入，因此强度与体积热输入之间没有明确的关系。
一部分激光能量用于熔化基板，这取决于组件的激光能量吸收率。除此之外，根据使用的激光类型，吸收的能量可能会有所不同。CO2激光器和Nd:YAG激光器相比，当采用等线性热输入时，Nd:YAG激光器的能量吸收更高。
PBF制造的奥氏体不锈钢在其强度和制造过程中施加的线性或体积热输入之间没有明确的关系。在这种技术中，扫描策略决定了制造零件的热历史。不同的研究使用不同的扫描策略，这可能是这些研究中掩盖强度和热量输入之间关系的一个因素。
如前所述，粉末床LAM工艺过程中，建筑方向上的热梯度最高，晶粒朝这个方向定向。这可能会导致LAM零件的各向异性。一般来说，纵向（X–Y）装配的奥氏体不锈钢部件的强度高于建筑方向（Z）。通过DED工艺生产的奥氏体不锈钢部件的伸长率通常与强度成反比，这意味着，纵向路径的伸长率最多等于建筑方向的伸长率。在PBF技术中，能量密度、热梯度、方向和机械强度之间没有特定的关系。
图19a、b分别代表了经LAM处理的316L和304L不锈钢获得的最高机械性能。根据数据，PBF工艺的抗拉强度比DED和商用试样更高。然而，在316L的情况下，更高的强度伴随着塑性降低的代价。另一方面，304L试样显示出合适的延展性，同时比商业零件具有更好的强度。
图19 柱状图显示了LAM沉积（a）S316L和（b）S304L奥氏体不锈钢在不同制造参数下的主要拉伸性能。这些曲线图对应于表2所示的临界拉伸数据。
3.2.2.1.2. 奥氏体到铁素体相变的不锈钢
在LAM加工的沉淀硬化（PH）不锈钢中，17-4 PH不锈钢（17-4 PH）（也称为AISI 630级沉淀硬化马氏体不锈钢）和15-5 PH不锈钢（15-5 PH），（也称为AISI S15500级沉淀硬化马氏体不锈钢），是最受欢迎的材料。在氮气中加工时，装配零件的微观结构由奥氏体（50–75 vol%）和马氏体组成，在氩气中加工时，通常由马氏体（92 vol%）组成。然后通过热处理，在马氏体背景中有控制地析出富cu相，从而提高了强度。
一般来说，与传统制造和热处理零件相比，装配零件在竣工条件下的屈服强度较低。这可能是因为LAM零件结构中存在软奥氏体。在LAM零件上施加塑性变形时，残余奥氏体可以转变为马氏体。这意味着这些零件具有特殊的加工硬化，从而比热处理的LAM零件或常规制造和热处理的对应零件具有更好的延伸率和极限拉伸强度。
此时，由于缺乏数据，竣工17-4 PH不锈钢的强度和线性热输入之间没有明确的关系。然而，与竣工部件相比，老化似乎对LAM制造的17-4 PH不锈钢的强度有积极影响。然而，应注意的是，固溶退火后的峰值时效（H900）比制造材料的直接时效更有效。在这种情况下，表3总结了使用不同系统和材料生产的沉淀硬化LAM沉积部件的机械性能结果。
表3 沉淀硬化对竣工状态下不锈钢机械性能的影响。
众所周知，铜在奥氏体相中高度可溶，在时效17-4 PH不锈钢中保持奥氏体结构是优化沉淀硬化的一个挑战。在整个固溶退火过程中，奥氏体转变为马氏体。这导致富cu相析出，从而提高屈服强度和极限抗拉强度。然而，必须仔细选择随后的时效过程，以防止粗沉淀物的形成。如表4所示，过度老化（H1025和H1150）会对金属部件的强度产生负面影响。
表4 与相同规格的商用钢相比，制造后热处理对沉淀硬化控制的LAM印刷不锈钢机械性能的影响。
当进行拉伸试验时，孔隙度小于0.1%的制造试样表现出韧性断裂，这与通过商业程序沉积的对应试样相似。相反，高达2.4%的剩余孔隙度将导致脆性破坏，并显著降低金属部件的伸长率。由于快速的裂纹形核，LAM缺陷在拉伸试验中引起应力集中，导致PH不锈钢的塑性降低。最常见的缺陷是未熔合或粉末熔化不足造成的气孔，以及第二相颗粒，这些缺陷导致LAM组件的延展性较低。
图20显示了在不同工艺和不同方向上获得的最佳机械性能。实验结果表明，新型LAM构件的屈服强度低于变形试样。试样的伸长率随加工参数和试验方向的不同而变化很大。然而，与锻造零件相比，PBF零件具有相当的延展性。热处理的LAM试样与制造的LAM材料相比具有更高的强度，尽管锻造部件通常具有更高的韧性。
图20 柱状图显示了与其他商业制造方法（组合铸造、成型和热处理）相比，根据不同PBF和DED路线沉积的17-4 PH不锈钢的主要拉伸性能。值得注意的是，该图是表3、表4中关于该钢材料的拉伸数据的柱状图。
当考虑到图12、图13所示的结晶织构，以及图16所示的S316L奥氏体和S410L马氏体不锈钢在锻造条件下与激光增材制造后的微观结构特征时，这些材料的机械性能可能会显著不同。值得一提的是，S316L是奥氏体，不会进一步转变，S410L是马氏体，具有奥氏体到铁素体的相变。在这种情况下，这些材料的拉伸流动行为在图21中进行了说明和比较。对于LAM沉积后的奥氏体不锈钢，其强度和延展性均明显低于商用锻造材料，这是由于定向凝固促进了非常粗糙和细长晶粒的形成。然而，对于马氏体不锈钢而言，LAM沉积可将抗拉强度提高两倍以上，尽管其代价是塑性大幅降低。边界附近马氏体板条和微孪晶的形成改变了塑性变形机制，控制了硬化和脆性拉伸行为。
图21 工程应力-应变曲线，比较激光增材制造的奥氏体和马氏体不锈钢与通过轧制商业制造的奥氏体和马氏体不锈钢的拉伸流动行为。
3.2.2.2. 镍基高温合金
Inconel 625、Inconel 718和Invar36是主要的镍基合金，它们在增材制造中吸引了最多的研究兴趣。基于镍基高温合金（Inconel 625和718）在高温下保持强度的能力，它们被认为是制造航空航天等高科技行业零件的良好选择[。表5总结了LAM预制件的主要机械性能。一般来说，金属部件的强度和弹性之间需要权衡。根据文献中的可用数据，这些合金的强度与其延展性之间没有明显的联系。
表5 总结了预制和热处理镍基合金的主要拉伸性能，与这些合金在相同规格下的常规状态相比。
然而，结果表明，在纵向进行机械试验时，部件的强度略有增加。研究表明，与纵向和横向相比，没有任何可靠的模式来描述LAM结构机械特性的各向异性。然而，颗粒高度朝向建筑方向。整体趋势表明，随着线性热输入的增加，试样的拉伸特性增加，尤其是在Inconel 718中。然而，由于缺乏数据，无法就LAM制造的镍基合金的机械性能（屈服强度、极限拉伸强度和延展性）与线性或体积热输入之间的关系得出任何有力的结论。
已经证明，零件的热处理会显著影响其机械性能。在热处理过程中，组件的抗拉强度通常会由于沉淀而降低，尽管这与恢复和晶粒生长过程中的位错湮灭有关。通过热等静压处理进一步处理的试样通常表现出较低的拉伸强度，由于孔隙闭合，塑性和疲劳性能得到改善。固溶处理等处理会显著改变微观结构中的相，并极大地影响试样的整体性能。当随后进行时效时，该工艺可使构件具有较高的强度和可接受的延展性。采用LAM工艺制造的零件的性能与采用传统制造方法制造的零件相当。
图22比较了Inconel 718高温合金试样在不同处理前后的拉伸性能。试样的热等静压处理和固溶退火导致了所生产零件的延展性。该模型显示，在保持极限强度的同时，伸长率显著增加，而屈服强度略有下降。试样的类似极限强度源于此类处理后试样的强度淬透性。经过时效处理的样品显示出更高的拉伸强度，其延展性与制造件相当。然而，时效材料的延性明显低于HIPed或溶解退火材料。
图22 热处理前后Inconel 718试样的应力-应变曲线。
图23显示了文献中获得的主要拉伸性能之间的比较。数据表明，与商业状态相比，在PBF打印模式下，Inconel 718高温合金的强度和弹性略有增加。与商业和PBF模型相比，粉末进料样品表现出不理想的机械性能。然而，对此类试样进行热处理后，其机械性能可与商用和PBF制造的试样相媲美。
图23 激光增材制造的Inconel 718高温合金与商用变形合金热处理前后的拉伸性能比较。
来源：A review on metallurgical aspects of laser additive manufacturing(LAM): Stainless steels, nickel superalloys, and titanium alloys，Journal of Materials Research and Technology，doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.12.039
参考文献：J. Alcisto, A. Enriquez, H. Garcia, S. Hinkson, T. Steelman, E.Silverman, et al.，Tensile properties and microstructures of laser-formed Ti-6Al-4V，J Mater Eng Perform, 20 (2) (2011), pp. 203-212
江苏激光联盟陈长军原创作品！
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