新加坡制造技术研究院：激光辅助增材制造高强(2)

图 1. 粉末和实验过程。(a) 和 (b) 粉末形态，(c) LAAM 工艺示意图和照片，(d) 热历史测量位置，(e) 和 (f) 拉伸样品，其尺寸符合 ASTM E8 标准（厚度为 4 mm）。

图 2. 工艺参数优化。(a) 具有代表性的OM图像显示了不同参数加工样品的缺陷，以及 (b) 工艺参数对样品层厚度和硬度的影响。

图 3. LAM 处理的 420 SS 样品的微观形态。(a) 成品，(b) HT427，(c) 双相-HT，(d) 长枝晶和 (e) 成品样品中枝晶边界处的 Cr 偏析（插入 Cr 的 EDS 映射），以及（e）显示 HT427 样品中板条马氏体的 SEM 图像。

图 4. 样品沿构建方向 (Z) 的低倍率 EBSD 分析。(a) 和 (b) 分别是成品样品和 HT427 样品的 IPF；(c) 和 (d) 分别是成品样品和 HT427 样品的相位分布图。(c) 和 (d) 中的红色和蓝色区域分别代表 BCC 和 FCC。

综合考虑沉积材料的缺陷、硬度和脆性，确定最佳工艺参数为P = 890, v = 20 mm/s, h = 0.65 mm。对LAAM处理后的样品进行了多尺度微观结构表征。由于冷却速率高(高达9 × 103?K/s)，样品呈现亚微米晶粒(0.57 ~ 0.64 μm)和高密度位错(高达1.78 × 1015)。实时温度监测表明，在LAAM过程中，420SS进行了本质回火，有利于在成品样品中形成高分数的金属碳化物(M23C6和M7C3)。高温加热后FCC相含量降低，金属碳化物和NTs含量增加。

图 5. 沿构建方向 (Z) 对 (a) 成品、(b) HT427 和 (c) 双相 HT 样品进行高倍放大 EBSD 分析。

图 6. (a) 成品图、(b) HT427 和 (c) 双相 HT 样品的相位分布图；(d) FCC 相的 IPF 和成品样品中的元素分布，(e) 双相-HT 样品中的 Cr 分布；(f) GND 图（单位：/m2）和 (g) GND 密度分布曲线。

图 7. 420SS 样品在不同条件下的明场 TEM 图像 (a)-(c) 成品，(d) HT427，以及 (e) 和 (f) 双相-HT。

图 8. HT427 样品中纳米孪晶的微观结构观察。(a) BF-TEM 形貌，(b) 纳米孪晶的特写视图，(c) 对应于 (b) 中区域的纳米孪晶的 SADP，以及 (d) 纳米孪晶的 EDS 映射分析。

图 9. 成品样品的 TEM 显微结构观察。(a) BF-TEM 图像以及所选区域的 EDS 图和 SADP，(b) 颗粒的形态，(c) 对颗粒微观结构的特写观察，所选放大图像显示结晶-非晶复合材料 结构，以及 (d) 粒子周围畸变的形态，FFT 图像显示位错（用“T”标记）。

图 10. HT427 样品的 TEM 显微结构观察。(a) BF-TEM 图像，(b) (a) 显示粒子的选定区域的放大图像，(c) 粒子-基质界面的特写视图，以及 (d) 相应的 EDS 映射分析 (a) 的区域。

图 11. LAM 处理的 AISI 420SS 在不同条件下的拉伸性能。(a) 工程应力-应变曲线，和 (b) 真实应力-应变和加工硬化率曲线。

图 12. 420SS 成品后的微观力学性能。(a) 微柱位置的相位分布图和 OM 图像，(b) 柱的压缩应力-应变曲线，以及 (c) 柱 I 和 (d) 柱 II 压缩测试前后的 SEM 形貌。

图 13. LAAM 加工的 420SS 在这项工作中获得的拉伸性能与 (a) AM 加工的高强度钢 (HSS) 和 (b) 常规生产的 HSS 的拉伸性能相比。

图 14. 420SS LAAM 的固有回火行为研究。(a) 用两个热电偶在不同位置获得的实验时间-温度曲线，如图 1d 所示，以及 (b) 成品和后回火（204°C 2 h）样品的拉伸性能。

图 15. (a) XRD 谱显示了 420SS 样品在拉伸试验前后的 BCC 马氏体 (α) 和 FCC 奥氏体 (γ)；(b) IPF 和 (c) 接近断裂位置的成品样品的相位分布图。

综上所述，采用LAAM成功加工了具有良好强度-塑性组合的AISI 420 HHS。对LAAMed 420SS的工艺参数进行了优化，并采用不同的高温温度对其力学性能进行了调整。通过拉伸试验评估高温高温对力学性能的影响，并通过微柱压缩试验测量局部性能。富FCC区域的延性较好，但强度低于BCC区域。HT427试样的真强度约为1.81 GPa，真应变约为21%，与AM和传统方法加工的各种高强度钢相比，实现了优秀的强度-塑性组合。HTed 420SS的强化行为主要表现为晶界和孪晶界强化、析出强化和位错强化。在拉伸试验中，高的塑性是由于TWIP和TRIP效应以及高的WHR。这项工作强调了在AM期间利用AM的独特热历史通过IHT开发高性能金属的潜在方法，从而进一步促进AM定制新材料。

文章来源：《塑性工程学报》 网址: http://www.sxgcxb.cn/zonghexinwen/2021/1208/844.html