激光增材制造鋼的后熱處理研究現狀

李福泉，孟祥旭，董志宏，彭曉

（1. 哈爾濱工業大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001；2. 中國科學院金屬研究所，沈陽 110016）

激光增材制造鋼的后熱處理研究現狀

李福泉1，孟祥旭1，董志宏2，彭曉2

（1. 哈爾濱工業大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001；2. 中國科學院金屬研究所，沈陽 110016）

激光增材制造為非平衡凝固過程，容易產生組織應力及熱應力，出現變形和開裂等現象。通過后熱處理，能夠達到改善激光增材制造金屬構件組織、消除缺陷、優化性能的目的，因此，后熱處理制度的優化成為合金鋼件增材制造亟待解決的關鍵技術。針對合金鋼的激光增材制造，綜述了近年來激光增材制造鋼的后熱處理工藝的研究現狀。選擇典型的17-4PH不銹鋼及316L不銹鋼等增材制造鋼，研究不同后熱處理規范對組織形態、第二相質點分布的影響；及其相應的熱處理前后的拉伸強度及伸長率等力學性能的變化情況。通過熱處理規范的合理選擇，能夠顯著改善增材制造鋼的組織及機械性能。

激光增材制造；鋼；后熱處理；微觀組織

激光增材制造技術是一種以激光為熱源的增材制造技術，激光能量密度高，可實現難熔金屬、鈦合金、高溫合金、金屬間化合物等的制造。激光熱源靈活并易于自動化，激光增材制造技術不受零件結構的限制，可用于結構復雜、難加工以及薄壁零件等的加工制造。與國內外增材制造技術在航空、航天、醫療等領域日漸增多的應用相比，增材制造用于傳統工業領域中合金鋼構件制造的研究與應用則明顯滯后。一方面是由于高成本門檻的嚴重制約；另一方面在于成形材料本身及其工藝技術的局限性。高強合金鋼作為機械制造、交通運輸等國民經濟領域普遍采用的工業材料，因其合金化程度高、凝固與固態相變過程復雜、熱處理調控范圍大，對其進行增材制造的工藝成熟度遠未達到鈦合金增材制造水平。激光增材制造合金鋼組織中存在非平衡凝固的固溶體、合金碳化物、殘余奧氏體和馬氏體等多相組織，容易產生組織應力。同時，成形過程中熔池的溫度梯度很大，導致較大熱應力產生。這兩類應力極易導致構件出現變形和開裂等現象。通過后熱處理工藝優化，能夠達到改善組織、消除缺陷、優化性能的目的，成為合金鋼件增材制造亟待解決的關鍵技術。文中針對鋼的激光增材制造技術，介紹了國內外增材制造鋼的后熱處理研究現狀。

1 激光增材制造金屬后處理研究現狀

激光增材制造技術所應用的材料已涵蓋鈦合金、鎳基高溫合金、合金鋼、鋁合金、難熔合金等[1]。相應的增材制造后處理研究也得到開展。對于鈦合金而言，德國學者Erhard Brandl[2]研究了兩種不同熱處理工藝對激光填絲增材制造Ti-6Al-4V組織和力學性能的影響，還在激光增材制造鈦合金熱處理工藝上做了一些新探索[3]；國內學者C. M. Liu[4]等人對激光增材制造Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe鈦合金進行了熱處理工藝的探索；國內學者A. L. Zhang[5]等人探究了高退火溫度和標準雙級熱處理工藝對激光熔化沉積 Ti60組織和力學性能的影響；比利時學者 Ruden Wauthle[6]研究了去應力熱處理和熱等靜壓對激光選區熔化成形的 Ti-6Al-4V網格結構顯微組織和力學性能的影響；西北工業大學的張小紅[7]、張霜銀[8]和黃瑜[9]分別對激光增材制造TA15, TC4和TC11鈦合金后熱處理進行了研究。對于鎳基合金而言，新加坡學者Guijun Bi[10]、波蘭學者 E. Chlebus[11]、仲崇亮[12]等人對激光增材制造鎳基合金的后熱處理展開了研究。

激光增材的后處理研究方面，相比較而言，目前鈦合金的激光增材制造后處理相對研究較全面，而激光增材制造鋼的后處理研究相對較少。

2 增材制造鋼的后熱處理研究現狀

在此部分的介紹中，首先選擇典型的增材制造的17-4PH不銹鋼及316L不銹鋼后熱處理條件下的組織及性能演變進行綜述。在此基礎上，對其他幾種增材制造鋼（如S-04鋼、HY100鋼等）的后熱處理研究現狀也加以介紹。

2.1 激光增材制造 17-4PH不銹鋼后熱處理的研究現狀

西北工業大學的吳曉瑜[13]對激光立體成形17-4PH不銹鋼沉積區熱處理前后的組織和力學性能進行了研究。發現沉積態組織沿垂直于掃描方向呈現層帶結構，層間為致密的冶金結合。沉積態組織主要由板條狀馬氏體和分布于其上和板條間少量的第二相強化質點M7C3及NbC型等碳化物組成。靠近基材的沉積態組織以細長的板條狀淬火馬氏體為主；遠離基材的沉積態組織則變成粗大的板條狀馬氏體，而在熔覆層與層間的組織相比于層內稍微精細一些（見圖1）。沉積態試樣經過固溶（1040 ℃，1 h/空冷）和時效（550 ℃，4 h/空冷）處理后，熔覆層間的層帶結構消失，不同部位的組織無明顯差異，呈細小均勻分布。熱處理后組織轉變為細小均勻的板條狀回火馬氏體，并且在基體上析出了更多的第二相強化質點。

圖1 激光立體成形17-4PH不銹鋼沉積態試樣宏微觀組織[13]Fig.1 Macrostructure and microstructure of as-deposited 17-4 PH stainless steel

成形件經過熱處理后，強度、硬度略微提高，而塑性顯著增加，并且其抗拉強度和塑性均高于鍛棒標準，屈服強度則略低于鍛棒標準（見表 1）。熱處理前后成形件的拉伸斷裂均屬于韌性斷裂，其中M7C3型碳化物等形成的第二相質點是微觀空穴和韌窩形成之源。

表1 激光立體成形17-4PH不銹鋼沉積區熱處理前后試樣的拉伸性能[13]Tab.1 Tensile properties of as-deposited and heat-treated LSF 17-4 PH stainless steels

西北工業大學的王俊[14]等人還研究了時效處理對激光立體成形17-4PH不銹鋼組織和力學性能的影響。發現經時效處理后材料的微觀組織主要由淬火馬氏體、回火馬氏體和第二相強化質點組成。隨著時效溫度的升高，構成基體的馬氏體板條變得更加均勻細小，淬火馬氏體向回火馬氏體的轉變增多，且板條間的第二相質點逐漸粗化，數量逐漸增多；晶界變得更加清晰細長。熱處理后材料的塑性比沉積態有顯著提高（見表2）。480 ℃時效處理后，材料的強度、硬度達到最大值；隨著時效溫度升高，材料的強度、硬度逐漸降低，塑性逐漸提高。

密西西比大學的 Aref Yadollahi[15]等人研究了構造方向和熱處理(1040 ℃, 0.5 h/AC+482 ℃, 1 h/AC)對激光選區熔化17-4PH不銹鋼疲勞性能的影響。發現熱處理對材料的強度有顯著影響，而伸長率主要受構造方向的影響（見圖 2）。熱處理對于改善材料在低周疲勞下的疲勞性能和拉伸強度是必要的，但對于微觀雜質的影響不太明顯，但是，研究發現熱處理對其高周疲勞性能有不利影響。熱處理會導致沉淀硬化，使材料在高周疲勞下對雜質更為敏感。由于沉積層與施加載荷的相對方向不同，構造方向在低周疲勞和高周疲勞中都有重要的作用。由于融合不良和低激光穿透深度導致未熔化區域（即層間空穴）具有不規則的尺寸和形狀，該類缺陷對材料疲勞強度最有害。

表2 激光立體成形17-4PH不銹鋼沉積態及不同熱處理態的拉伸性能與國家標準對比[14]Tab.2 Tensile properties of as-deposited and tempered LSF of 17-4PH versus that of national standard

圖2 激光選區熔化17-4PH不銹鋼在不同條件下的工程應力-應變曲線[15]Fig.2 Engineering stress–strain curves of SLM 17-4 PH SS in different conditions

日本學者Masayuki Akita[16]等人研究了激光選區熔化(SLM)17-4PH不銹鋼的疲勞行為，并將其與常規熔融（CM態）的17-4PH不銹鋼相比較。在SLM17-4PH不銹鋼中發現了馬氏體不足而鐵素體富集的區域，而在CM鋼中針狀馬氏體均勻地分布在基質上。淬火后的SLM鋼組織均勻化，但針狀馬氏體仍比CM鋼的粗大，不同狀態 17-4PH鋼微觀結構見圖 3，其中箭頭所指區域為富鐵素體區域。

SLM鋼和SLM淬火鋼（1050 ℃，4 h/水冷）的硬度低于CM鋼。同時，SLM鋼的疲勞強度低于CM鋼，而SLM淬火鋼的疲勞強度有所改善，但由于缺陷的存在其疲勞強度依然低于CM鋼（見圖4和圖5）。

華中科技大學的 Zhiheng Hu[17]等人發現熱處理(1040 ℃, 0.5 h/AC+550 ℃, 4 h/AC)可以使激光選區熔化17-4PH不銹鋼中殘余奧氏體向馬氏體轉變。與沒有熱處理的樣品相比，熱處理后的材料由于殘余奧氏體向馬氏體的轉變以及析出強化相的增多，屈服強度增加，伸長率降低（見表 3）。熱處理后由于得到高硬度的馬氏體組織，顯微硬度提高。

圖3 不同狀態17-4PH鋼微觀結構[16]Fig.3 17-4PH Steel of microstructures in different states

圖4 不同狀態17-4PH鋼的硬度[16]Fig.4 Hardness of 17-4PH steel in different state

圖5 不同狀態17-4PH鋼的S-N曲線[16]Fig.5 S-N diagram of 17-4PH steel in different state

表3 不同條件下SLM 17-4PH不銹鋼成形件的拉伸性能[17]Tab.3 Tensile properties of SLM 17-4PH stainless steel forming parts in various conditions

2.2 激光增材制造316L不銹鋼后熱處理的研究現狀

中航工業北京航空制造工程研究所的丁利[18]等人研究了激光選區熔化成形 316L不銹鋼沉積態、400 ℃/3 h退火態、900 ℃/3 h退火態以及熱等靜壓態的組織與拉伸性能。發現沉積態組織主要是由呈外延生長的柱狀晶組成，單個柱狀晶貫穿幾層甚至十幾層不等?？梢钥闯鰡蔚廊酆暇€的剖面呈弧形，從整體上看熔合線如魚鱗狀，熔池疊加特征十分明顯。沉積態試樣經400 ℃/3 h退火后，組織變化不明顯，粗大柱狀晶比較完整，熔池疊加特征仍很明顯；經900 ℃/3 h退火后，粗大的柱狀晶分裂為較為細長的柱狀晶，黑白柱狀晶呈較為均勻的間隔分布，且難以觀察到明顯的熔池疊加特征；經熱等靜壓后粗大柱狀晶分裂為細小的柱狀晶，有等軸化的趨勢，熔池疊加特征已不明顯，與退火態相比柱狀晶更為細小。熱等靜壓態熔合不良缺陷沒有明顯變化，而氣孔有一定的減少，氣孔率由沉積態的1.1%降到0.8%（見圖6）。

圖6 激光選區熔化316L不銹鋼熱等靜壓下的組織形貌[18]Fig.6 Microstructure of 316L stainless steel by SLM processing at HIP treatment

試樣經400 ℃/3 h退火后，橫向和縱向強度略有提高，縱向伸長率明顯提高，橫向伸長率有所降低；經900 ℃/3 h退火后，橫向和縱向伸長率在強度有所降低的情況下得到了明顯的提高，拉伸強度與伸長率達到鍛件水平；經熱等靜壓后，橫向和縱向的強度有明顯的降低，橫向伸長率略有提升，縱向伸長率顯著提高，拉伸強度與伸長率達到鍛件水平（見圖7）。4種狀態相比較而言，900 ℃/3 h退火態的拉伸強度和伸長率匹配度最佳。

圖7 激光選區熔化316L不銹鋼室溫力學性能[18]Fig.7 Room temperature tensile properties of 316 stainless steel by SLM processing

德國學者Arne R?ttger[19]等人研究了制造工藝對316L奧氏體鋼微觀結構和材料性能的影響。比較了鑄態、固溶退火態、熱等靜壓(HIP)態、SLM態以及SLM+HIP態的微觀結構和力學性能。研究發現，鑄態和HIP致密化鋼微觀結構致密，而SLM致密化材料有明顯的氣孔、裂紋和層狀氧化物等缺陷；SLM材料經HIP處理后，孔隙度幾乎沒有變化，而裂紋減少（見圖8）。SLM致密條件下的屈服強度遠遠高于鑄造或HIP條件下的屈服強度，這是由于其較小的晶粒尺寸，但由于氣孔和裂紋的存在，其伸長率較低（見圖 9）。

2.3 其他激光增材制造鋼后熱處理工藝研究

華中科技大學的靖冠乙[20]等人研究了激光選區熔化成形S-04鋼熱處理(1130 ℃, 3 h/AC+(?70 ℃),2 h+400 ℃, 3 h/AC)前后試樣的顯微組織及力學性能。研究表明，當采用360 W激光功率、0.04 mm切片厚度、0.10 mm掃描間距和800 mm/s掃描速度時，成形試樣的致密度最高，達到99.791%。熱處理前后試樣均由α'馬氏體和少量γ殘余奧氏體構成，試樣中α’相與γ相的 X射線主衍射峰強度比在熱處理前為7.34，熱處理后為7.52；α'相與γ相的X射線次衍射峰強度比在熱處理前為2.26，熱處理后為3.79。結合衍射峰強度比與顯微組織SEM形貌可知，經過熱處理，成形件中殘余奧氏體含量減少。熱處理前試樣具有激光選區熔化技術特有的多層堆積特征（見圖10），熱處理后該特征消失且試樣物相主要為束狀馬氏體，其數量明顯增多，表面浮突更加明顯，γ殘余奧氏體數量顯著下降（見圖11）。此外，熱處理后的試樣產生了一定數量的彌散分布于α'馬氏體晶界處和γ殘余奧氏體內部的細小二次相。

圖8 不同狀態試樣的微觀結構[19]Fig.8 Microstructure of samples in differfent state

圖9 不同條件下316L鋼的拉伸性能[19]Fig.9 Tensile property of 316L steel in different conditions

熱處理后試樣成形態試樣水平面和豎直面的顯微硬度波動較大，且明顯高于成形態試樣。熱處理后試樣室溫力學性能優于熱處理前試樣（見表4）。

西北工業大學的楊海鷗[21]等人研究了激光立體成形300M超高強度鋼熱處理前后的組織演化。發現300M鋼的沉積態組織呈現細密的初生奧氏體柱狀枝晶形態，并導致整體形態呈現一定的取向性。試樣底部主要以馬氏體為主，晶界處含少量下貝氏體，中部為馬氏體和呈片狀分布的下貝氏體的混合物，頂部則為馬氏體和呈羽毛狀的上貝氏體。參照300M鋼鍛件的熱處理制度，選取 925 ℃, 45 min/AC+870 ℃, 3 h/OQ+300 ℃, 4 h/AC的熱處理工藝，其中925 ℃正火主要是進行合金均勻化處理，細化晶粒；870 ℃淬火及300 ℃回火是為了得到強度和塑性的良好配比，得到良好的綜合力學性能。熱處理后宏觀層帶結構消失，初生的柱狀枝晶生長形態消失，組織明顯均勻細化，呈現出顯著細馬氏體形態。

華中科技大學的羅喜望[22]研究了熱處理工藝對4Cr13粉末SLM成形件拉伸性能的影響。4Cr13粉末SLM成形件在 3個方向的拉伸性能表現出明顯的各向異性，沿x-y面平均抗拉強度僅達469.1 MPa，伸長率僅為3.0%；沿x-z面平均抗拉強度達1118.9 MPa，伸長率達 7.8%；沿材料堆疊z向平均抗拉強度高達1385.5 MPa，伸長率為7.1%（見圖12）。

圖12 SLM成形試樣拉伸結果直方圖[22]Fig.12 Histogram of SLM formed sample tensile results

退火處理后，沿x-z面和材料堆疊z向平均抗拉強度降低，分別為1067.9 MPa和1054.6 MPa，塑性大大提高，伸長率分別為19.1%和17.9%，各向異性得到了改善。研究不同熱處理后沿x-z面方向的拉伸性能，發現經退火處理后，材料拉伸性能的均勻性和一致性明顯變好，塑性明顯增強；正火處理后，抗拉強度大幅上升，但塑性明顯降低；淬火（回火）處理后，試樣的抗拉強度達到提高，試樣的塑性也有所提高；淬火（時效）處理后，拉伸性能與淬火+回火相近。

南京航空航天大學的 Hongyu Chen[23]等人研究了激光選區熔化成形5CrNi4Mo鋼的熔池結晶熱力學和動態過程。研究發現SLM過程中的形核速率由過冷度和固液界面的原子擴散能力綜合決定；熔池不同區域的異質形核率導致了微觀結構的各向異性。由于材料的快速凝固，包括Cr, Ni, C在內的化學成分分布均勻。由于在加載過程中不同的應變模式，不同方向的拉伸試樣表現出不同的拉伸性能（見圖13）。由于不均勻的微觀結構和殘余應力的存在，SLM 試樣的伸長率較低。經后真空熱處理（640 ℃，3 h/爐冷）后，由于殘余應力的緩解和重結晶效應，水平方向試樣的伸長率從5.6%增加到9.7%，韌性從63.68 J/m3上升到 134.12 J/m3，拉伸強度從 1576 MPa上升到1682 MPa。

圖13 不同狀態SLM構件的拉伸性能[23]Fig.13 Tensile properties (tensile strength and elongation) of SLM-processed parts in different states (η=215.28 J/mm3)

美國學者J. J. S. Dilip[24]等人針對激光選區熔化成形低合金高強鋼HY100，研究了SLM HY100鋼優化的工藝參數和后熱處理對其微觀結構及力學性能的影響。試樣由激光功率、掃描速度和艙口距離的不同組合 SLM 工藝參數制備，在激光功率密度為 65 J/mm3時得到了致密的試樣。SLM試樣完全由馬氏體組織組成，其存在由未回火和自回火區域組成的交替帶特征（見圖14）。

由于存在大量未經回火的脆硬馬氏體組織，部件不能直接使用，需要進行后熱處理。熱處理工藝為：① 直接回火，620, 650或670 ℃，2 h/爐冷；② 淬火后回火，900 ℃，1 h/水冷+620 ℃，650或 670 ℃，2 h/爐冷。直接回火和淬火后回火微觀結構差異不大，高溫回火顯示出有碳化物的較粗糙的微觀結構?；鼗饡沟肅從馬氏體晶格中擴散出形成碳化物，導致馬氏體的軟化。直接回火的試樣比淬火后回火試樣表現出更高的屈服強度和抗拉強度。由于微觀結構的不均勻性，在拉伸性能中觀察到了顯著的各向異性，尤其是伸長率。試樣經淬火后回火處理，晶粒發生了重結晶，微觀結構的各向異性得到了消除（見表5）。

北京航空航天大學的 Y. Liu[25]等人采用激光增材制造工藝制造了 AISI 431不銹鋼板，并且研究在沉積過程中的微觀結構演變以及在不同熱處理條件下的相變以及微觀結構對鋼的拉伸性能的影響。研究結果表明，激光增材制造的 AISI 431鋼具有精細的定向微結構，其由樹枝狀鐵素體相、枝晶間鐵素體相和(Cr,Fe)23C6碳化物組成。由于鐵素體和碳化物之間的結合力較低，裂紋容易產生并沿著界面傳播，脆性較大，機械性能較差。在1000～1100 ℃的溫度下進行固溶處理后，鋼的中間層熱影響區被消除，當固溶溫度升高時，碳化物逐漸溶解。在熱處理溫度到達1100 ℃之前，鐵素體含量沒有變化，并且在1050 ℃固溶熱處理之后，鋼具有最佳的機械性能，強度達到1283 MPa（見表6）。

北京航空航天大學Y. D. Wang[26]等人研究了熱處理對激光增材制造馬氏體不銹鋼 1Cr12Ni2WMoVNb組織與力學性能的影響。材料分別在1050, 1100, 1150,1200 ℃的溫度下固溶處理30 min后在油中淬火，再對 1150 ℃固溶處理的樣品進行調質處理（加熱至580 ℃回火后在空氣中冷卻）。材料經1150 ℃固溶處理后通過相變，有效地將柱狀晶轉變為等軸晶，枝間相得到溶解，并且消除了層間的熱影響區與顯微偏析的現象，而在1050 ℃的固溶處理并不能很好地消除各向異性（見圖15）。

固溶后再經調質處理可使材料的抗拉強度與斷后伸長率超過鍛件，達到較為理想的結果（見表7）。處理后的材料沖擊韌性略低于鍛件，且沖擊韌性值較為分散，這可能是沉積鋼中存孔隙的原因。

國外學者 Bo Song[27]等人研究了后真空熱處理（640 ℃，2.5 h/爐冷）對SLM鐵塊的影響。研究發現熱處理后鐵塊的相組成沒有發生改變，但發現了XRD光譜的擴展，這說明了晶粒細化和微應變現象的產生。沉積態試樣存在構造方向的柱狀晶結構，熱處理后雖然還存在剩余的柱狀晶結構，但晶粒發生了細化（見圖16）。

表5 不同熱處理條件下SLM HY100鋼的拉伸性能[24]Tab.5 Tensile properties of HY100 steel deposits tested in different heat treatment conditions

表6 激光直接沉積AISI 431鋼室溫拉伸性能[25]Tab.6 Room-temperature tensile properties of the laser deposited AISI 431 steel

與沉積態相比，退火試樣的彈性模量下降到(188±10)GPa，屈服強度、抗拉強度和應變大幅增加（見圖17），退火后殘余應力大幅下降，硬度也有所降低（見圖18）。

3 結語

對于激光增材制造鋼的后熱處理，國內外都進行研究。通過比較研究不同的熱處理規范及優化熱處理工藝，能夠達到對激光增材制造鋼構件改善組織、消除缺陷、優化性能的目的，因此，后熱處理制度的優化是實現合金鋼件增材制造控形控性的關鍵技術。

目前激光增材制造鋼所采用的熱處理工藝，大多數是沿用傳統的鍛件或鑄件的熱處理制度。激光增材制造的工藝特征決定其組織與傳統鑄件和鍛件有較大差別，傳統的熱處理制度無法充分發揮激光增材制造工藝的優勢。因而急需要結合增材制造金屬組織特性探索具有針對性的熱處理工藝，建立增材制造金屬特有的熱處理制度。在激光增材制造過程中，后一道激光熔覆會對前一道有一個回火熱處理作用，可以考察在激光增材制造過程中進行原位熱處理的的可行性與其所能達到的最佳效果。

圖15 不同熱處理條件下1Cr12Ni2WMoVNb鋼的縱向截面微觀結構[26]Fig. 15 Microstructure on longitudinal (YOZ) section of the laser deposited 1Cr12Ni2WMoVNb steel solution treated at 1050 and 1150 ℃and 1050 ℃

表7 激光沉積1Cr12Ni2WMoVNb鋼的室溫拉伸性能和沖擊韌性[26]Tab.7 Room temperature tensile properties and impact toughness of the laser deposited 1Cr12Ni2WMoVNb steel

圖16 沉積態及退火態SLM試樣側視圖及俯視圖OM照片[27]Fig.16 OM side view and top view of SLM sample of as-fabricated iron cubes and of the annealed iron cubes

圖17 不同狀態下SLM試樣的拉伸曲線[27]Fig.17 Tensile stress–strain curves of SLM sample in different statesσ=K

圖18 顯微硬度和由SLM試樣拉伸曲線計算的殘余應力[27]Fig.18 Microhardness and residual stress calculated from the tensile stress–strain curves of SLM sample

[1] 林鑫, 黃衛東. 高性能金屬構件的激光增材制造[J]. 中國科學: 信息科學, 2015, 45(9): 1111—1126.LIN Xin, HUANG Wei-dong. Laser Additive Manufacturing of High-performance Metal Components[J]. Science China: Information Science, 2015, 45(9): 1111—1126.

[2] BRANDL E, SCHOBERTH A, LEYENS C. Morphology,Microstructure, and Hardness of Titanium (Ti-6Al-4V)Blocks Deposited by Wire-feed Additive Layer Manufacturing (ALM)[J]. Materials Science & Engineering A, 2012,532(3): 295—307.

[3] BRANDL E, GREITEMEIER D. Microstructure of Additive Layer Manufactured Ti-6Al-4V after Exceptional Post Heat Treatments[J]. Materials Letters, 2012, 81(4): 84—87.

[4] LIU C M, WANG H M, TIAN X J, et al. Subtransus Triplex Heat Treatment of Laser Melting Deposited Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe NearβTitanium Alloy[J]. Materials Science & Engineering A, 2014, 590: 30—36.

[5] ZHANG A, LIU D, WU X, et al. Effect of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Laser Deposited Ti60A Alloy[J]. Journal of Alloys & Compounds,2014, 585(3): 220—228.

[6] WAUTHLE R, VRANCKEN B, BEYNAERTS B, et al.Effects of Build Orientation and Heat Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of Selective Laser Melted Ti6Al4V Lattice Structures[J]. Additive Manufacturing, 2015, 5: 77—84.

[7] 張小紅, 林鑫, 陳靜, 等. 熱處理對激光立體成形 TA15合金組織及力學性能的影響[J]. 稀有金屬工程與材料,2011, 40(1): 142—147.ZHANG Xiao-hong, LIN Xin, CHEN Jing, et al. Effects of Heat Treatment on the Microstructures and Mechanical Properties of TAl5 Titanium Alloys by Laser Solid Forming[J]. Rrae Metal Materials and Engineering, 2011, 40(1):142—147.

[8] 張霜銀, 林鑫, 陳靜, 等. 熱處理對激光立體成形 TC4殘余應力的影響[J]. 稀有金屬工程與材料, 2009, 38(1):774—778.ZHANG Shuang-yin, LIN Xin, CHEN Jing, et al. Influence of Heat Treatment on Residual Stress of Ti-6Al-4V Alloy by Laser Solid Forming[J]. Rrae Metal Materials and Engineering, 2009, 38(1): 774—778.

[9] 黃瑜, 陳靜, 林鑫, 等. 熱處理對激光立體成形TC11鈦合金組織的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2009, 38(12):2146—2150.HUANG Yu, CHEN Jing, LIN Xin, et al. Influence of Heat Treatment on Microstructure of Laser Solid Forming Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si Alloys[J]. Rrae Metal Materials and Engineering, 2009, 38(12): 2146—2150.

[10] BI G, SUN C N, CHEN H C, et al. Microstructure and Tensile Properties of Superalloy IN100 Fabricated by Micro-laser Aided Additive Manufacturing[J]. Materials &Design, 2014, 60(8): 401—408.

[11] CHLEBUS E, GRUBER K, KU?NICKA B, et al. Effect of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Inconel 718 Processed by Selective Laser Melting[J].Materials Science & Engineering A, 2015, 639: 647—655.

[12] 仲崇亮. 基于 Inconel1718的高沉積率激光金屬沉積增材制造技術研究[D]. 北京: 中國科學院大學, 2015.ZHONG Chong-liang. Investigations on High Deposition-rate Laser Metal Deposition for Additive Manufacturing Application Based on Inconel 718[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Science, 2015.

[13] 吳曉瑜, 林鑫, 呂曉衛, 等. 激光立體成形 17-4PH不銹鋼組織性能研究[J]. 中國激光, 2011, 38(2): 103—109.WU Xiao-yu, LIN Xin, LYU Xiao-wei, et al. Study on Microstructure and Mechanical Properties of Laser Solid Forming 17-4 PH Stainless Steel[J]. Chinese Journal of Lasers, 2011, 38(2): 103—109.

[14] 王俊, 林鑫, 黃春平, 等. 時效處理對激光立體成形17-4PH不銹鋼組織及性能的影響[J]. 中國激光, 2011,38(12): 71—77.WANG Jun, LIN Xin, HUANG Chun-ping, et al. Influence of Aging Treatment on the Microstructure and Properties of 17-4PH Alloy by Laser Rapid Forming[J]. Chinese Journal of Lasers, 2011, 38(12): 71—77.

[15] AREF Yadollahi, JUTIMA Simsiriwong, SCOTT M, et al.Effects of Building Orientation and Heat Treatment on Fatigue Behavior of Selective Laser Melted 17-4 PH Stainless Steel[J]. International Journal of Fatigue, 2017, 94:218—235.

[16] AKITA M, UEMATSU Y, KAKIUCHI T, et al. Defect-dominated Fatigue Behavior in Type 630 Stainless Steel Fabricated by Selective Laser Melting[J]. Materials Science & Engineering A, 2016, 666: 19—26.

[17] HU Z, ZHU H, ZHANG H, et al. Experimental Investigation on Selective Laser Melting of 17-4PH Stainless Steel[J]. Optics & Laser Technology, 2017, 87: 17—25.

[18] 丁利, 李懷學, 王玉岱, 等. 熱處理對激光選區熔化成形 316不銹鋼組織與拉伸性能的影響[J]. 中國激光,2015(4):179—185.DING Li, LI Huai-xue, WANG Yu-dai, et al. Heat Treatment on Microstructure and Tensile Strength of 316 Stainless Steel by Selective Laser Melting[J]. Chinese Journal of Lasers, 2015(4): 179—185.

[19] GEENEN K, R?TTGER A, WINDMANN M, et al. Comparison of Microstructure and Mechanical Properties of 316L Austenitic Steel Processed by Selective Laser Melting with Hot-isostatic Pressed and Cast Material[J]. Materials Science & Engineering A, 2016, 678: 365—376.

[20] 靖冠乙, 魏愷文, 王澤敏, 等. 激光選區熔化成形S—04鋼的組織及性能[J]. 激光與光電子學進展, 2016(11):213—220.JING Guan-yi, WEI Kai-wen, WANG Ze-min, et al. Microstructure and Mechanical Property of S-04 Steel by Selective Laser Melting[J]. Laser &Optoelectronics Progress,2016(11): 213—220.

[21] 楊海歐, 宋夢華, 楊東輝, 等. 激光立體成形300M超高強度鋼的組織演化[J]. 應用激光, 2011, 31(5): 384—390.YANG Hai-ou, SONG Meng-hua, YANG Dong-hui, et al.Microstructures Evolution of 300M Ultra-High Strength Steel Fabricated by Laser Solid Forming[J]. Appliied Laser,2011, 31(5): 384—390.

[22] 羅喜望. 激光選區熔化成形4Cr13模具鋼零件的力學性能研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2015: 30—41.LUO Xi-wang. The Study on Mechanical Properties of 4Cr13 Die Steel Fabricated by Selective Laser Melting[D].Wuhan: Huazhong University of Science and Technology Master Thesis, 2015: 30—41.

[23] CHEN H, GU D, DAI D, et al. Microstructure and Composition Homogeneity, Tensile Property, and Underlying Thermal Physical Mechanism of Selective Laser Melting Tool Steel Parts[J]. Materials Science & Engineering A,2017, 682: 279—289.

[24] DILIP J J S, RAM G D J, STARR T L, et al. Selective Laser Melting of HY100 Steel: Process Parameters, Microstructure and Mechanical Properties[J]. Additive Manufacturing, 2017, 13: 49—60.

[25] LIU Y, LI A, CHENG X, et al. Effects of Heat Treatment on Microstructure and Tensile Properties of Laser Melting Deposited AISI 431 Martensitic Stainless Steel[J]. Materials Science & Engineering A, 2016, 666: 27—33.

[26] WANG Y D, TANG H B, FANG Y L, et al. Effect of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Laser Melting Deposited 1Cr12Ni2WMoVNb Steel[J].Materials Science & Engineering A, 2010, 528(1):474—479.

[27] SONG B, DONG S, LIU Q, et al. Vacuum Heat Treatment of Iron Parts Produced by Selective Laser Melting: Microstructure, Residual Stress and Tensile Behavior[J]. Materials & Design, 2014, 54(2): 727—733.

Research Status of Post-heat Treatment of Steel Fabricated by Laser Additive Manufacturing

LI Fu-quan1,MENG Xiang-xu1,DONG Zhi-hong2,PENG Xiao2
(1. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Nonequilibrium solidification during AM of laser was likey to lead to thermal stress and structral stess, which was the source of distortion, cracking, etc. Through post-heat treatment, the aim of microstructral improvement, defect inhibitation and property optimization can be achieved. Estabishing the rules of post-heat treatment was the key issue for alloy steel fabricated by AM. In this paper, the recent research status of the post-heat treatment process of steel fabricated by AM was summerized. 17-4PH stainless steel, 316L stainless steel and other typical alloy steel were selected to investigate influences of different post-heat treatment process on the evolution of micrstructure and the distribution of second phase paricles. At the same time, the variation of tensile strength and elongation before and after post-heat treatment was investigated comparatively. It can be found, through post-heat treatment optimized, microstructure and mechanical property can be improved distinctively.

laser additive manufacturing; steel; post-heat treatment; microstructure

2017-11-16

國家重點研發計劃(2016YFB1100203-1)

李福泉（1972—），男，博士，副教授，主要研究方向為激光增材制造及再制造、激光焊接等。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.012

TG164.4

A

1674-6457(2018)01-0097-12