激光增材制造鐵基合金組織性能控制研究進展

王家明，趙彥華，2，*，路來驍，2，王茜，田文浩

(1.山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250101；2.山東省工業技術研究院增材制造協同創新中心，山東 濟南 250101；3.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

增材制造(Additive Manufacturing，AM)是當前先進制造熱點技術之一[1－2]，具有廣闊的應用前景[3]。與傳統減材加工不同，增材制造是通過逐層沉積實現的增量制造。增材制造技術常以合金粉末或絲材作為原料，在不同的能量源作用下熔化堆積成形為復雜形狀的構件。因此，增材制造技術為制備傳統制造工藝難以加工的復雜形狀的構件提供了一個嶄新的思路[4]。

金屬材料增材制造按其采用的能量源可分為激光、電子束、電弧等增材制造技術[5－8]。激光增材制造(Laser Additive Manufacturing，LAM)技術又稱為激光快速成形技術、激光3D打印技術，主要包括激光熔化沉積(Laser Melting Deposition，LMD)技術、激光熔覆(Laser Cladding，LC)技術、選擇性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技術、直接激光沉積(Direct Laser Deposited，DLD)技術等，其加工過程是基于計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)數字模型將構件模型的數據分層，再進行激光加工，逐層沉積生成三維實體。激光增材制造技術涵蓋了多種激光、數字、制造技術以及新材料和加工工藝，與傳統冶金、減材制造等技術相比，具有周期短、高靈活性、無模具、不受工件結構和材料的限制等優點[9－10]，已廣泛應用于航空航天、醫療、汽車、電子、軍事等領域[11－14]。

鐵基合金作為當今工程技術中應用廣泛、綜合性能良好的材料，因其原料價格較為低廉且硬度較高，增材制造后可以與基材形成良好的冶金結合，并具有良好的韌性和耐磨性能，受到了學者們的廣泛關注[15－16]。但近幾年來，隨著創新、綠色等需求逐漸增多，對于激光增材制造鐵基合金構件的成形質量、性能及環保等方面提出了更高的要求。受成形構件中存在著殘余應力、孔隙、裂紋等缺陷的影響，鐵基合金激光增材制造技術難以大規模的推廣應用，限制了其發展速度。

文章綜述了激光增材制造鐵基合金成形工藝的選擇，分析了激光增材制造鐵基合金構件的組織特征，總結了改善其組織性能的方法，指出了激光增材制造鐵基合金的發展趨勢及其面臨的挑戰。

1 工藝選擇

工藝參數在激光增材制造鐵基合金中起著至關重要的作用，激光增材制造所涉及的工藝參數有很多，主要包括激光功率、掃描速度、光斑直徑、保護氣體等[17]，這些參數不僅影響構件尺寸和致密度，還會影響內部的組織結構及其性能，故選擇合適的工藝參數以獲得最佳結構和性能的構件顯得尤為重要[5]。

1.1 激光能量密度的影響

迄今為止，在評判激光增材制造技術成形效果方面還沒有一個統一的標準，國內外研究人員將能量密度用于表征增材制造中各個工藝參數的關系，雖然大家對于能量密度定義不同，但可以根據其研究目的、條件、內容等進行調整以適應不同因素的場合。

能量密度E1可由式(1)表示為

式中P為激光功率，W；v為掃描速度，mm/s。

當能量密度以式(1)定義時，主要考慮的是激光功率和掃描速度對激光增材制造鐵基合金組織性能的影響。郭躍東[18]以Fe42.87Cr15.98Mo16.33C15.94B8.88合金粉末為原材料，研究不同工藝參數對直接激光沉積制備鐵基合金構件組織性能的影響。鐵基合金微觀組織形貌圖如圖1所示[18]。從圖1(a)～(c)中可以看到熔覆區主要為細小胞狀晶、少量花瓣晶和等軸晶，熱影響區主要為白色帶狀晶。其形成原因是熔覆區冷卻后未能再次加熱，受熱時間短，再加上其冷卻速率快，導致晶粒沒有足夠的生長時間，故只能形成少量細小花瓣晶與等軸晶；而由于熱影響區能夠再次被激光加熱熔化，此時冷卻速度降低，結晶速度加快，形成白色帶狀晶。在保持激光功率為800 W條件下，隨著掃描速度增加，能量密度減少，試樣的硬度降低，但當激光功率為1 000 W時，試樣的硬度反而提高，且在800 W時制備鐵基合金試樣硬度明顯高于在1 000 W制備鐵基合金試樣硬度，如圖2所示[18]。這是因為鐵基合金構件組織在800 W激光功率條件下具有更多細小晶粒，存在細晶強化作用，故硬度較高。GU等[19]采用粒度為5～30μm的氣霧化鐵基合金粉末為原材料，通過選擇性激光熔化技術制備鐵基合金試樣，研究了激光工藝參數對材料致密度的影響，結果表明隨著激光功率的增加和掃描速度的降低，能量密度增大，且掃描速度降低使得熔池形貌逐漸清晰，層間分布變均勻，不規則層間孔減少，致密化程度增加。

圖1 鐵基合金微觀組織形貌圖

圖2 不同工藝參數制備鐵基合金試樣洛氏硬度圖

能量密度E2也可由式(2)表示為

式中d為光斑直徑，mm。

能量密度以式(2)定義時加入了光斑直徑，且不同激光設備光斑直徑不同，導致其輸入能量的大小也不同。GUAN等[20]采用了直接激光沉積制造技術制備了12CrNi2Y合金鋼，研究了激光能量密度對成形構件致密度的影響，發現固定光斑直徑為1.8 mm，增大激光功率以提高激光能量密度時，直接激光沉積制備12CrNi2Y合金鋼成形致密度在初始階段增加，隨著能量密度逐漸增加反而呈現出減小的趨勢，在采用優化后的能量密度(72.02 J/mm2)時，12CrNi2Y合金鋼試樣致密度最高為98.95%，這與直接激光沉積過程中液相量對試樣凝固過程的連續性的影響有關，低能量密度導致了液相黏度過高，意味著熔池流動性差，導致了一定量的孔隙率；當激光能量密度過大，在熔池中產生明顯溫度梯度，導致液相表面張力梯度大，在快速凝固過程中容易形成氣孔，降低了其致密度。LARIMIAN等[21]研究了激光能量密度對選擇性激光熔化制備316L試樣致密度的影響，通過固定光斑直徑為0.2 mm、激光功率為100 W，改變掃描速度調節能量密度，發現隨著掃描速度增加，能量密度減小，試樣致密度逐漸降低。這是因為較低的能量密度造成液相黏度降低，導致球化缺陷和試樣裂紋的產生，當能量密度為70 J/mm3時，試樣致密度達到了97.7%。

綜上所述，無論采用哪種激光能量密度計算方式，當激光能量密度增大時，試樣致密度普遍有所增加，但要控制在一個合理范圍，此范圍在選用不同材料時也會有所不同，故仍需大量實驗進行研究。

1.2 保護氣體的影響

有研究發現在不同的保護氣體條件下進行鐵基合金構件的激光增材制造也會影響構件的孔隙率。WANG等[22]通過激光增材制造制備了17－4PH不銹鋼試樣，研究了不同保護氣體對試樣孔隙率的影響，發現在有Ar條件下制備出的試樣孔隙率為0.022%，在空氣條件下制備出試樣孔隙率則變為0.177%。因此，前者的孔隙率明顯低于后者，表明在有保護氣體條件下，試樣的孔隙率更低。王瑜等[23]研究了在不同的保護氣體情況下，直接激光沉積制備的17－4PH試樣組織和力學性能。發現在大氣條件下制備的17－4PH不銹鋼試樣無論是抗拉強度還是屈服強度都要比在Ar中制備的試樣高，但在氬氣中制備的試樣孔隙率明顯低于在大氣條件下所制備的試樣的孔隙率。因在激光增材制造過程中無論是鐵基合金粉末還是其激光增材制造成形構件都對氧氣十分敏感，極易發生化學反應，故為了獲得致密度高的構件要嚴格控制保護氣體中氧的含量。

工藝參數的選擇對于鐵基合金激光增材制造極為重要，成形構件的尺寸、致密度、組織特征和力學性能等都受工藝參數的影響，因此，選擇合適的工藝參數對激光增材制造鐵基合金組織及性能進行有效的把控，以獲得理想構件是今后研究的重點。

2 微觀組織特征及主要力學性能

2.1 組織特征

激光增材制造鐵基合金構件微觀組織是鐵基合金粉末受激光作用，在快速熔化、快速凝固的過程中形成的，由于不同區域的溫度梯度不同，其過冷度就不同，冷卻時沿沉積方向會產生不同的組織特征。丁紫陽等[24]采用27SiMn鋼管作實驗材料在其表面進行激光熔覆，研究發現該層的微觀組織主要由平面晶、胞狀晶和樹枝晶等組成，且在樹枝晶區域存在成分偏析現象。一般來說，在熔覆層與基材結合處的溫度梯度G與凝固速度R的比值最大，過冷度最小，凝固時熔覆材料在基材表面主要以平面晶方式外延生長。隨著激光熔覆過程進行，熱量逐漸傳遞給基材，G變小，冷卻速度降低，而R變大，G/R的比值變小，成分過冷度變大，液固界面穩定性下降，由此形成胞狀晶。隨著G/R的比值越來越小，成分過冷度越來越大，樹枝晶形成；當樹枝晶生長靠近激光熔覆層表面時，G變小，再加上熔池對流、表層與空氣較強的對流，使得熔覆層表層組織為細小等軸晶。CHANG等[25]研究了Ni－Cr－Si－B－Fe熔覆層組織特征，X射線衍射(X-ray Diffraction，XRD)分析結果發現熔覆層中非晶相和晶相共存且非晶相含量高達41%，其掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscop，SEM)圖如圖3所示[25]。

圖3 熔覆層中部和表面區域的橫截面SEM圖

通過SEM分析表明熔覆層中部和表面主要由共晶組織組成，底部靠近熔覆層—基體界面處存在柱狀晶，熔覆層基體主要由非晶相和γ(Fe、Ni)相組成。熔覆層/基材界面附近的橫截面SEM圖如圖4所示[25]。圖4(b)顯示了具有柱狀晶結構的熔覆層與基材結合處附近橫截面的SEM圖像，由于該區域相對較大的溫度梯度，柱狀晶容易形成，且由于成分的急劇變化及從結合處上部區域冷卻速率的增加限制了柱狀晶的生長，最終在圖4(a)中共晶起始區過渡線以上區域形成了共晶結構。

圖4 熔覆層/基材界面附近的橫截面SEM圖

張天馳等[26]在45鋼基材表面制備了兩種不同元素含量Fe－Cr－Ni合金熔覆層，研究其組織特征，結果表明兩種Fe－Cr－Ni合金熔覆層的顯微組織均存在大量細小的等軸晶及沿熔池壁垂直生長的少量柱狀晶和胞狀樹枝晶。戴曉琴等[27]研究了激光增材制造FeCrSiAlC合金，發現FeCrSiAlC合金主要由α－Fe、Fe3Si與FeAl金屬間化合物，以及少量M7C3型碳化合物組成，這主要是由于鐵基合金粉末內的Fe、Si、Al元素之間發生復雜的化學反應導致的，且隨著掃描速度的增大，FeCrSiAlC合金的晶粒尺寸差異逐漸減小，且晶體形態也出現變化。當掃描速度為360 mm/s時，晶體為大量胞狀晶、等軸晶和少量柱狀晶；當掃描速度為480 mm/s時，晶體為大量胞狀晶、少量柱狀晶；當掃描速度為600 mm/s時，晶體為大量細小等軸晶[27]。

TAN等[28]采用18Ni(300)馬氏體時效鋼粉末(化學成分為Fe－18.2Ni－9Co－5.2Mo－0.8Ti－0.2Cr－0.15Al)，通過選擇性激光熔化技術制備馬氏體時效鋼試樣，研究了該試樣的顯微組織與性能。選擇性激光熔化技術制備馬氏體時效鋼試樣典型顯微組織水平截面如圖5～10所示[28]。馬氏體時效鋼試樣水平截面組織主要為0.2～0.6μm的胞狀組織，垂直截面則出現了胞狀、柱狀和針狀組織，在實驗中還發現當使用67 J/mm3的激光能量密度時制備出了接近完全致密的馬氏體時效鋼，致密度達到了99.9%。

圖5 水平截面組織形貌特征及激光運動軌跡光學顯微鏡圖

圖6 水平截面顯微組織SEM圖

圖7 水平截面顯微組織局部放大SEM圖

圖8 垂直截面組織形貌光學顯微鏡圖

圖9 垂直截面顯微組織SEM圖

圖10 垂直截面顯微組織局部放大SEM圖

2.2 力學性能

激光增材制造鐵基合金的力學性能一直是人們研究的熱點。戴曉琴等[29]制備了304不銹鋼試樣，分析了其顯微組織特征及力學性能。發現激光增材制造制備304不銹鋼試樣主要由γ－(Fe，C)與馬氏體C0.055Fe1.945組成，無明顯氣孔、裂紋等缺陷，其屈服強度與抗拉強度分別達到了572和720 MPa，見表1[29]。其力學性能優于傳統方式制備的304不銹鋼，屈服強度與抗拉強度分別約為傳統制造的1.24和1.22倍。張鵬[30]研究了選擇性激光熔化制備24CrNiMo合金鋼試樣力學性能，發現在高能量密度(71.02 J/mm3)下，顯微硬度出現最大值，為560 HV0.3，且此時試樣耐磨性也最優，磨損失重僅為1.57 mg；當試樣的致密度逐漸增加時，抗拉強度為1 100～1 150 MPa，屈服強度由365 MPa增長到572 MPa，伸長率由5%增加到6.5%。激光增材制造是快速熔化、快速凝固的過程，在此過程中，會形成馬氏體或貝氏體等硬相組織，同時，也可以細化晶粒，起到細晶強化的作用，從而獲得致密的組織，體現出優異的力學性能。

表1 激光增材制造304不銹鋼力學性能表

CHEN等[31]研究了直接激光沉積制備50Cr6Ni2Y合金鋼試樣的力學性能，發現當采用工藝參數為激光功率2 000 W、掃描速度5 mm/s、重疊率35%時，能夠制備出無裂紋和無氣孔缺陷的50Cr6Ni2Y合金鋼試樣，其平均顯微硬度可達到534 HV、極限抗拉強度為1 139 MPa、屈服強度為989 MPa、平均伸長率為2%，如圖11所示[31]。這是因為碳化物(Fe、Cr)23C6顆?？梢蕴岣吆辖鹩捕燃皬姸龋姨蓟镌郊毿?，對強度的影響越大。馬明明[32]對比了激光熔覆和選擇性激光熔化兩種激光增材制造技術制備出的316L合金力學性能，結果顯示采用選擇性激光熔化成形技術制備的316L不銹鋼構件的顯微硬度與拉伸性能均優于激光熔覆成形構件的顯微硬度與拉伸性能，且兩種激光增材制造方式制備的316L不銹鋼構件的顯微硬度與拉伸性能均隨著能量密度的增加而減小。GHAYOOR等[33]研究了體能量密度對選擇性激光熔化技術制備的304L不銹鋼零件的力學性能的影響，發現致密度為99%試樣的屈服強度、抗拉強度和顯微硬度分別為(540±15)、(660±20)和(254±7)MPa，高于常規制造的304L不銹鋼的力學性能，這是因為隨著體能量密度增大，試樣致密度增加，孔隙率和裂紋等缺陷減少，使得制備試樣的力學性能較為優異。

圖11 直接激光沉積制備50Cr6Ni2Y合金鋼試樣顯微硬度及應力應變曲線圖

綜上所述，激光增材制造鐵基合金構件顯微組織主要由胞狀晶、柱狀晶和等軸晶構成，因垂直于熔池邊界方向溫度梯度最大(即過冷度最大)，故胞狀晶、柱狀晶大都分布在基材與熔池結合處；而等軸晶則多分布于增材成形層頂部，這是由于在增材制造過程中，隨著層數逐漸增高，熱量逐漸累積，溫度梯度變小導致的。使用優選的激光增材制造工藝可以獲得與傳統制造方式相比性能更優的鐵基合金構件。

3 組織性能改善

3.1 熱處理

為了獲得理想構件的組織性能，通常在增材制造后對沉積態試樣做相應的熱處理，近年來對于激光增材制造鐵基合金熱處理已有大量的研究。劉正武等[34]制備了05Cr15Ni5Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼板件，分析了熱處理后3種不同狀態的顯微組織及力學性能，研究發現沉積態組織主要由柱狀晶、胞狀枝晶組成，枝晶間存在殘余鐵素體。經時效熱處理后，消除了殘余鐵素體，產生了大量ε－Cu相和彌散NbC顆粒，如圖12、13所示[34]。

圖12 沉積態顯微組織形貌及組成成分圖

圖13 固溶＋時效處理后05Cr15Ni5Cu4Nb微觀形貌圖

吳曉瑜等[35]研究了熱處理前后激光立體成形制備17－4PH不銹鋼試樣的組織和力學性能，結合XRD物相分析和金相觀察發現沉積態組織主要由板條狀馬氏體和彌散析出的少量M7C3及NbC型等碳化物組成。沉積態試樣經過固溶＋時效處理后，不同部位的組織無明顯差異，呈緊密、細小、均勻分布，其力學性能見表2[35]，如圖14所示[35]。熱處理后成形件的強度、硬度有小幅度的提高。

圖14 激光立體成形17－4PH不銹鋼沉積區熱處理前后硬度分布圖

表2 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表

激光增材制造典型鐵基合金構件室溫拉伸力學性能見表3。熱處理后激光增材制造鐵基合金構件的抗拉強度和屈服強度比未進行熱處理構件有了明顯提高，這主要是由于激光增材制造技術冷卻速率極快這一特性，導致強化相沒有完全析出，即使構件在此過程中已受到多次熱循環作用，沉積態構件力學性能還是較熱處理態構件力學性能要低一些。

表3 激光增材制造典型鐵基合金構件的室溫力學性能表

3.2 顆粒增強金屬基復合材料

金屬基復合材料(Metal Matrix Composites，MMC)由金屬或合金制造，并通過其他材料的顆粒或纖維增強，目的是實現構件高比強度和比剛度，更好的熱穩定性和耐磨性，提升構件疲勞強度[38－41]。在鐵基合金的MMC中，常見的增強元素包括碳化物(SiC、TiC、WC)、氮化物(TaN、TiN)、硼化物(TiB、TiB2、WB)、金屬氧化物(Al2O3)和碳纖維[38，42]。與滲碳體相比，在鋼基體中添加第二相碳化物可以提高力學性能。如在馬氏體鋼基體中加入增強熱力學穩定的TiC，提升了構件的剛度、硬度和耐磨性[38]。

董志宏等[43]在制備合金鋼構件時發現，在構件內部有大量的孔洞產生，孔洞的形成原因主要是在激光成形過程中熔池內來自粉末中的O與C反應生成的碳的氧化物(COx)。在12CrNi2粉末中增加鉻后，因Cr與O結合力大于C與O的結合力，故在熔池中優先與氧結合析出Cr2O3，大大減少了合金鋼構件中孔洞的形成。隨著Cr含量的增加，合金鋼構件的顯微硬度也逐漸增加。徐勤官[44]制備了TiCTiB2－MoC－B4C復合陶瓷顆粒增強的鐵基合金激光熔覆層，研究加入不同類型、不同含量的增強基對于熔覆層的組織性能的影響，發現TiC、MoC、B4C及TiB2等硬質顆粒同時存在時熔覆層的硬度、耐磨性均有明顯增加，構件平均顯微硬度達到約1 100 HV0.3。

3.3 輔助工藝

何文淵等[45]采用鐵基合金(Fe901)粉末，在層間垂直掃描方式下，對比分析了施加與未施加交變磁場輔助激光增材制造鐵基合金試樣的微觀組織和力學性能。研究發現磁場強度為30～40 mT能夠獲得成形質量好、無明顯裂紋、孔隙率低的試樣。施加交變磁場輔助工藝制備的試樣顯微硬度顯著提升，其耐磨性比未施加交變磁場輔助制備試樣的高約0.4倍，抗拉強度和屈服強度也都優于未施加交變磁場輔助制備的試樣。

CONG等[46]提出了一種新型超聲振動輔助工藝制造AISI630不銹鋼，以減少或消除由于熔融材料中的非線性作用和超聲振動所造成的氣孔、裂紋等缺陷，研究發現通過超聲振動輔助激光近凈成形工藝制備的AISI630不銹鋼試樣組織晶粒得到細化，降低了試樣孔隙率，減少了殘余應力，提升了試樣拉伸性能和顯微硬度。GORUNOV等[47]通過超聲振動輔助激光熔覆技術制備了鐵基合金熔覆層，發現超聲輔助制備的試樣極限抗拉強度和可塑性提高了近1.3倍。

目前常用于改善激光增材制備鐵基合金構件力學性能的方式包括熱處理、顆粒增強金屬基復合材料及輔助工藝。在激光增材制備鐵基合金構件后，通常會進行熱處理(如固溶、時效處理等)，經熱處理后能消除各向異性、殘余應力等，提升了構件的力學性能；通過添加碳化物(如SiC)、氮化物(如TiN)、硼化物(如TiB)和金屬氧化物(如Al2O3)等獲得顆粒增強金屬基復合材料，可有效提升增材制造鐵基構件了的剛度、硬度及耐磨性；在制備鐵基構件過程中使用輔助工藝(如交變磁場、超聲振動等)，鐵基構件的耐磨性、拉伸性能及顯微硬度均得到了顯著提升。

4 展望

在激光增材制造過程中涉及大量的工藝參數，如激光功率、掃描速度、粉末特性等，且激光成形構件微觀結構及力學性能都取決于其工藝參數之間的相互作用，因此優化工藝參數以制備出幾乎無缺陷(孔、裂紋等)且接近最終形狀的構件至關重要，且在實驗時，也需要新穎有效的統計方法考慮各參數間的相互依賴性。

在激光增材制造過程中構件經歷多次熱循環作用，會產生殘余應力、裂紋等影響構件力學性能的缺陷，故可以適當通過熱處理、顆粒增強金屬基、輔助工藝對構件組織特征和力學性能進行有效的調控，獲得具有理想微觀組織及良好力學性能的構件。

目前，激光增材制造鐵基合金技術仍不夠成熟，在某些方面的研究也不夠深入，其潛力有待進一步發掘，仍存在許多制約著鐵基合金增材制造發展的關鍵問題:(1)激光增材制造鐵基合金在工藝的選擇、優化方面的研究不夠深入，制備的構件仍存在一定程度上的缺陷，很難實現完全的致密化、無缺陷，雖然能夠通過后續的熱處理、顆粒增強金屬基復合材料等方法在一定程度上改善構件的組織性能，但目前所采用的熱處理方法大多是參考制備傳統鑄件時所采用的熱處理方法，顆粒增強金屬基復合材料中的增強顆粒也是沿用傳統制造工藝所用，因此針對激光增材制造鐵基合金構件專門開發特殊的熱處理方法，尋找新型增強基顯得尤為重要，同時在激光增材制造鐵基合金構件的精度及制備大型零件等方面也需要加強。(2)目前對于激光增材制造技術與電磁輔助、超聲輔助工藝相結合的研究較少，在增材制造過程中與成形同步的在線輔助工藝相結合等方面的技術不夠成熟，因此進一步開展在激光增材制造成形過程中同步輔助工藝的研究也是一大重點。