激光粉床增材制造不銹鋼中氧化物夾雜調(diào)控的研究進展  

劉  偉 ¹ , 劉成松 ¹ , 丁小明 ² , 張  華 ¹ , 倪紅衛(wèi) ¹

(1.武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室,湖北 武漢 430081;  2.中國航發(fā)北京航空材料研究院,北京 100095) 

摘　要： 激光粉床增材制造技術(shù)是一個涉及熔池移動、快速非平衡凝固、固態(tài)相變的復雜冶金過程,該過程的非均勻快速熱-力耦合易導致金屬制件出現(xiàn)翹曲變形、裂紋及孔洞、夾雜物、晶粒異常形核與長大等缺陷,這些缺陷會對金屬制件的尺寸精度、致密度及力學性能等產(chǎn)生不利影響。激光粉床增材制造金屬制件中非金屬氧化物夾雜大多為內(nèi)生夾雜物,產(chǎn)生于金屬液脫氧以及極速熔化和凝固過程中的二次氧化,其種類、尺寸、形貌以及分布等物化特性直接影響或決定了金屬產(chǎn)品的質(zhì)量與性能,也是導致金屬中產(chǎn)生各類缺陷的重要原因之一。分析了不銹鋼材料激光粉床增材制造及后續(xù)熱處理過程金屬中氧化物夾雜的形成和演化及其對金屬零件性能的影響性,并對不銹鋼金屬制件中氧化物夾雜特性的調(diào)控研究進展進行了總結(jié),為激光粉床增材制造企業(yè)生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供了科學指導和理論依據(jù)。

關鍵詞： 激光粉床熔融技術(shù);增材制造;不銹鋼;氧化物夾雜;熱處理;力學性能

引用格式：

劉偉,劉成松,丁小明,張華,倪紅衛(wèi). 激光粉床增材制造不銹鋼中氧化物夾雜調(diào)控的研究進展[J]. 鋼鐵研究學報,2023,35(05):489-503.

DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220165

重要圖表：

結(jié)論：

    (1)激光增材制造不銹鋼金屬微熔池中夾雜物主要來源于粉末原料、熔池氧化和熔池飛濺等,已有研究更多地從實驗現(xiàn)象角度闡述和表征不銹鋼微熔池中夾雜物的演變行為,但缺乏相應的熱力學和動力學機制分析和理論計算,這也是目前研究重點和難點之一。

   (2)激光打印氣氛(氧含量)、掃描功率、掃描速度、鋪粉厚度等打印參數(shù)對不銹鋼中夾雜物特性存在一定的定性影響,夾雜物尺寸與掃描速度和激光功率分別呈負相關和正相關關系,氧含量提高,則夾雜物數(shù)量密度也呈增大趨勢,但以往研究并未形成完整的、可實際操作的優(yōu)化工藝,未能實現(xiàn)對不銹鋼金屬制件中夾雜物特性的精準調(diào)控。

   (3)受高溫“不銹鋼基體-夾雜物”界面反應的影響,熱處理過程打印不銹鋼金屬制件中夾雜物成分會發(fā)生改變,尺寸也會發(fā)生變化,主要原因在于高溫下不銹鋼中合金元素與夾雜物之間能夠發(fā)生相互擴散和界面反應,導致新相的析出或者原有相的長大。

   (4)彌散分布的微納米夾雜物可以起到釘扎不銹鋼奧氏體晶界、細化晶粒的作用,已成功應用于增材制造生產(chǎn)氧化物彌散強化金屬領域。激光增材制造工藝雖可以解決傳統(tǒng)固結(jié)工藝帶來的不能個性化制造和一體化成形的問題,但其內(nèi)部自身產(chǎn)生的夾雜物尺寸仍難以達到彌散強化的要求,更多地依賴于外加納米強化粒子的技術(shù)來實現(xiàn)不銹鋼金屬制件力學性能的提升。

   (5)基于以上分析和結(jié)論,未來激光增材制造不銹鋼金屬微熔池中夾雜物的調(diào)控研究,應從以下幾個方面進行開展研究。

   ①將傳統(tǒng)冶金領域?qū)Σ讳P鋼中夾雜物的研究方法和理論移植到激光增材制造領域。激光打印過程不銹鋼微熔池的熔凝溫度曲線梯度極大,在不銹鋼金屬液極速熔化和凝固過程中,不銹鋼中非金屬夾雜物與微熔池的界面作用行為及其物化特性的演變規(guī)律,是實現(xiàn)其有效控制的重要問題。

   ②打印過程對“夾雜物-不銹鋼基體”界面行為的影響和控制問題,尤其是逐層打印時,上層微熔池溫度變化所形成的熱影響區(qū)對下層“夾雜物-不銹鋼基體”界面固相反應的影響規(guī)律和機制,值得進行深入的研究。

   ③激光增材制造過程中,不銹鋼微熔池的凝固過程不同于傳統(tǒng)鋼鐵冶金領域鋼液的一次性緩慢凝固。逐層打印或直接沉積過程中,部分不銹鋼基體可能存在“熔化-凝固”的交替行為,其溶質(zhì)元素包括S、O等元素的微觀偏聚行為,也是決定能否有效控制不銹鋼中夾雜物物化特性的關鍵。

   ④激光增材制造的不銹鋼打印件,除晶內(nèi)和晶界以外,還具有多個打印層界面。包括熱處理在內(nèi)的熱加工工藝對不銹鋼晶內(nèi)、晶界以及多層界面處夾雜物物化特性的影響及其細化晶粒尺寸的作用機制,也是亟待深入研究的重要內(nèi)容。