激光熔絲增材制造低合金鋼的微觀組織及性能研究

劉旭明，張大越，張 建，李彬周，趙 陽，王軍生

（鞍鋼集團北京研究院有限公司,北京 102200）

0 引言

增材制造，又稱為3D 打印，隨著社會經濟的發展，該技術的應用前景非常廣闊，越來越多的3D 打印材料應用在航空航天、核工業、海洋工業等領域，增材制造的產品質量在某些方面可以達到鍛造件的質量水平[1-2]。低合金鋼由于其較低的制造成本以及優異的綜合性能，在船舶工業、海洋工業等方面有著廣泛的應用[3]。

在增材制造領域，目前主要的工藝有激光選區熔化（SLM）、激光選區燒結（SLS）、熔融沉積建模（FDM）、激光工程凈成形（LENS）、電弧增材制造（WAAM）和電子束熔化（EBM）等[4]。金屬材料的3D 打印，其原材料主要是粉材和絲材，采用激光熔絲的3D 打印工藝，其特點是激光的能量密度大，同時相比粉材的3D 打印，絲材的成材率較高，接近100%，該工藝能夠降低材料的應用成本，在未來有很好的應用前景[5]。

低合金鋼經過激光3D 打印后，在隨后的連續冷卻過程中，會發生貝氏體轉變。一般情況下，貝氏體鋼的微觀組織有粒狀貝氏體GB、貝氏體鐵素體BF、板條貝氏體LB、多邊形貝氏體PF、針狀鐵素體AF 以及馬奧島組織M-A。對于貝氏體型低合金鋼，在打印過程中，即使發生層間退火、回火，或者即使在等溫條件下，仍會發生貝氏體轉變[6]。

在貝氏體鋼微觀組織的研究中，經常會出現馬奧島組織，馬奧島是一種硬脆性相，其硬度要遠大于基體組織，因而在材料中可以理解為一種第二相強化組織[7]。馬奧島的形貌一般分為塊粒狀和棒狀的，其形貌以及尺寸的差異會直接影響馬奧島在鋼中的作用。從形貌上講，塊粒狀的馬奧島在裂紋沿邊界擴展時會消耗更大的能量，而棒狀的馬奧島在塑性變形時則更容易沿著馬奧島界面撕裂。塊粒狀彌散分布的馬奧島能夠提高材料的屈服強度和抗拉強度，也能夠帶來更高的韌性指標[8]。

筆者采用化學成分清潔化的思路進行了絲材的開發，通過真空感應爐對氣體元素進行深度去除，隨后對坯料進行熱軋和拉拔，開發了增材制造專用的高強高韌低合金鋼絲，并進行了3D 打印試驗，其產品可以滿足海工用900 MPa 級增材制造的應用。

1 高強高韌合金鋼絲的開發及試驗方法

1.1 材料設計

表1 為低合金鋼絲設計成分，從化學成分可以看出，該鋼絲Mn、Ni、Cr、Mo 的相對含量較高，經過激光熔絲3D 打印后，在連續冷卻過程中，其綜合作用抑制了珠光體的轉變，即使在空冷的情況下也容易發生貝氏體轉變[9]，甚至會發生部分馬氏體轉變。

表1 鋼絲主要化學成分Table 1 Main chemical compositions of wire%

采用鞍鋼集團北京研究院高性能材料計算中心的JMatpro 軟件進行了CCT 曲線的計算，利用其計算數據，采用軟件Origin 做圖，其結果如圖1 所示。

圖1 低合金鋼的CCT 曲線Fig.1 Continuous cooling transition (CCT) curve of lowalloy steel

從CCT 曲線（圖1）可以看出，該鋼種在冷速≤30 ℃/s 下，均有貝氏體生成。在冷速≤0.015 ℃/s時，此時的冷速較為緩慢，從奧氏體開始相變時，先共析鐵素開始析出，隨后伴隨著珠光體開始析出，隨著進一步冷卻，開始生成貝氏體。在冷速0.015 ℃/s和0.25 ℃/s 之間，在整個冷卻過程中，全部生成為貝氏體組織。在冷速0.25 ℃/s 和30 ℃/s 之間，在整個冷卻過程中，生成貝氏體以及馬氏體組織，隨著溫度的降低，奧氏體中碳元素的擴散速度降低，貝氏體的轉變溫度逐漸降低。在冷速超過30 ℃/s 時，則全部析出為馬氏體組織。

1.2 絲材制備流程

通過對增材制造用合金鋼絲材的制備過程及應用進行研究，為獲得強度和韌性相匹配的力學性能，采用清潔化煉鋼的思路，為了降低成本并對殘余有害元素精確控制，采用了真空脫氣煉鋼工藝，嚴格控制O、N、H 元素的含量。殘余元素的高水平控制，是保證絲材有較好強度和韌性的必要條件[10-11]。在煉鋼后，通過對鑄錠進行鍛造，制備了熱軋坯料，隨后對熱軋坯料進行熱連軋，制備了直徑為5.5 mm的合金鋼盤條，合金鋼盤條經過拉拔制絲工藝，形成了增材用?1.2 mm 的專用絲材。

具體的工藝流程如下：合金配比→真空感應爐煉鋼→鑄錠→熱連軋→?5.5 mm 盤條→粗拉絲至?3.2 mm→退火→中拉絲至?2.0 mm→退火→中拉絲至?1.26 mm→精拉絲至?1.2 mm。在拉拔過程中，需要對加工硬化態的鋼絲進行兩次退火軟化，最終精拉拔至?1.2 mm[12]。

1.3 打印試驗及試驗方法

1.3.1 激光增材制造工藝

在進行激光熔絲3D 打印（圖2 所示）時，為了保證打印塊體不出現氧化夾雜物，采用純氬氣作為保護氣，流量為20 L/min。經過試驗摸索，特采用表2 的試驗參數作為最終的3D 打印參數。利用紅外測溫儀對塊體打印過程中的溫度進行測量，其冷速為在2.5～5.2 ℃/s，按照前述CCT 曲線來看，其組織為貝氏體和少量的馬氏體組織。

圖2 激光熔絲3D 打印示意Fig.2 Schematic diagram of 3D printing of laser wirefeed using wire material

表2 激光熔絲增材制造試驗技術參數Table 2 Technical parameters of laser wire-feed additive manufacturing

對沉積層厚度而言，主要的影響因素是掃描速度、喂絲速度、光絲距、離焦量。在光絲距、離焦量一定的前提下，掃描速度的降低、喂絲速度的加快會增加單位時間的金屬沉積量[13]。通過激光熔絲打印，制備了厚度為30 mm，截面為80 mm×120 mm的合金塊體。

1.3.2 微觀組織表征

金相組織采用ZEISS 40 MAT 型號的光鏡，為了觀察馬奧島的微觀組織，特對試樣進行染色金相處理，采用的腐蝕液為Lepera 試劑，其配比為2%偏重亞硫酸鈉水溶液和4%的苦味酸乙醇溶液按照1∶1 混合。

掃描電鏡的設備型號為 650-FEG，配備能譜分析系統 Pegasus Apex 4.拉伸使用WE-300 型萬能測試儀，透射電鏡型號為日立公司的H-800，并配備H-8010 掃描電鏡系統。

1.3.3 拉伸和夏比沖擊試驗

夏比V 型缺口沖擊試驗依據《GB/T 229-2007 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，使用該標準進行沖擊試驗。拉伸試樣采用《GBT 228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗第1 部分；室溫試驗方法》進行樣品制備。每個試驗的次數為3 次，取其平均值作為最終的性能數據。

2 結果和討論

2.1 微觀組織研究

經過激光熔絲3D 打印后，對打印塊體的金屬進行取樣并進行金相制樣，經過腐蝕后利用掃描電鏡進行觀察，發現其顯微微觀組織主要是由板條狀鐵素體LB、貝氏體鐵素體BF、塊狀貝氏體GB、馬奧島組元M-A 組成，見圖3。金相試樣經過Lepera試劑染色后，從染色金相可以看出，白色區域的微觀組織為馬奧島組織(見圖3(b)，可以看到粒狀的馬奧島分布在貝氏體基體之上。馬奧島的分布對打印金屬性能的影響非常顯著，一般來講，塑性指標隨著馬奧島組織比例的增加而減小。彌散分布的粒狀的馬奧島組織有益于提高金屬的塑性，如延伸率和沖擊韌性指標，而網狀分布的馬奧島會惡化沖擊性能[14-15]。

圖3 (a)貝氏體的SEM 形貌照片,(b)馬奧島組織Fig.3 SEM microscope micrographs of (a) bainite;(b) martensite-austenite (M-A) constituents

在進行貝氏體相變時，奧氏體內成分開始變的不穩定，主要表現為C 元素的富集。當冷卻溫度較低時，貝氏體鐵素體首先在貧碳位置形核，隨著鐵素體的不斷長大，不斷的向周圍排碳。在碳元素富集的位置，隨著冷卻的進行，富碳的奧氏體發生馬氏體轉變，并殘留一定的奧氏體。在冷速相對較慢時，C、Fe 元素擴散較為充分，形成的鐵素體的形貌為塊狀，不規則的馬奧島M-A 就夾雜在塊狀鐵素體之間。在冷速加快時，貝氏體的轉變溫度降低，C、Fe 元素的擴散受限，此時板條狀的貝氏體鐵素體形成，在板條之間形成富碳的奧氏體，冷卻時發生馬氏體轉變并殘留一定的奧氏體，棒狀的馬奧島M-A 一般平行于鐵素體板條。

2.2 力學性能

通過表3 可以發現，打印合金鋼的屈服強度和抗拉強度分別達到了857 MPa 和930 MPa。其在-40 ℃下的V 型缺口沖擊韌性指標達到了118 J，見表4。可以看出，該低合金鋼的打印塊體具有優異的強韌性。

表3 打印金屬拉伸性能Table 3 Tensile properties of printed metal

表4 打印金屬沖擊性能Table 4 Impact properties of printed metal

將打印塊體按照拉伸樣和沖擊樣的標準進行制樣，經過拉伸和沖擊試驗后，將斷口經過掃描電鏡進行觀察。拉伸斷口在電鏡下，斷口總體上呈現出韌性金屬典型的微孔聚集型斷口形貌，斷口上遍布大小不等的韌窩，見圖4(a)。沖擊試樣的斷口呈現韌性和脆性混合的形貌特征，但脆性斷口形貌偏多，韌窩底部較潔凈，未見夾雜物存在，韌窩的大小不一，在脆性斷口處，試樣的解理面沿著裂紋源及擴展方向伸長，形成橢圓或狹長的特征，其外貌類似扇形或河流狀，見圖4(b)。

圖4 斷口形貌的掃描電鏡照片Fig.4 SEM microscope micrographs at different fractured states (a) tensile fracture;(b) impact fracture

2.3 微觀組織對力學性能的影響

在高溫奧氏體冷卻的過程中，形成貝氏體鐵素體BF、粒狀貝氏體GB 和馬奧島組織，其透射電鏡形貌見圖5(a)，貝氏體的位錯密度較高，因而具有較大的強度。馬奧島的形貌見圖5(b)和5(c)，其對沖擊韌性的影響較大。一般情況下，晶界處存在的網狀的馬奧島會最大程度的惡化沖擊性能。馬奧島的尺寸也會對沖擊性能產生關鍵的影響，裂紋會在原奧氏體晶界和馬奧島的交叉處擴展。彌散分布的粒狀的馬奧島則有助于沖擊韌性的提升，而粗大的塊狀或者棒狀分布的馬奧島則會惡化沖擊性能。劉清友等對管線鋼進行研究時，亦得出了類似的結論[16-17]。

圖5 (a)板條貝氏體和粒狀貝氏體整體形貌；(b)板條貝氏體之間的馬奧島透射電鏡照片；(c)粒狀貝氏體之間的馬奧島透射電鏡照片Fig.5 TEM microscope micrographs of experimental steel.(a) Overall morphology of lath bainite and granular bainite;(b)M-A constituents between lath bainites;(c) M-A constituents between granular bainites

由于馬奧島屬于硬脆相，與基體相存在著較大的硬度差，當晶界處的馬奧島遇到變形導致的位錯堆積時，馬奧島無法緩解應力集中，以及馬奧島與基體存在的強度錯配，此處便會成為應力集中點，裂紋會由此展開。即使在裂紋擴展的過程中，塊粒狀的馬奧島裂紋擴展的路徑是之字型的，棒狀的馬奧島在擴展時是直線的，這也導致了棒狀的馬奧島更容易發生裂紋傳播[18]。

板條狀的貝氏體形貌見圖6(a)，條狀貝氏體板條之間馬奧島組元呈粒狀(圖6(b)，可有效阻斷裂紋擴展，保證3D 打印金屬具有較高的低溫韌性[19]，這與打印金屬塊體具有相對較高的沖擊功相吻合，其中奧氏體的分布與圖3(b)中Lepera 試劑染色后的馬奧島組織的分布規律相吻合，均為粒狀分布在貝氏體微觀組織的相界面之間。

圖6 (a)板條貝氏體和粒狀貝氏體EBSD 照片；(b)奧氏體組織分布的EBSD 照片Fig.6 (a) EBSD inverse pole figure (IPF) map of the lath and granular bainite;(b) EBSD phase map of the austenite

3 結論

1）低合金鋼絲經激光熔絲3D 打印后，在空氣中連續冷卻時，微觀組織主要為粒狀貝氏體、板條狀貝氏體以及M-A(馬奧島)組織組成。

2）經過激光3D 打印后，合金鋼絲打印件的力學性能達到了900 MPa 級別，且在-40 ℃的低溫韌性達到了118 J，其綜合強度歸因于高密度位錯分布的貝氏體微觀組織以及彌散分布的馬奧島進一步增強了對貝氏體基體的強度同時提高了打印塊體的沖擊韌性指標。

3）本次開發的3D 打印專用的高強高韌性合金鋼絲，其化學成分的潔凈化，尤其是O、N、H 元素的高水平控制，從成分設計上保證了綜合力學性能的高水平。