激光工程净成形马氏体／奥氏体功能梯度材料的制造及力学性能

　　图1.(a)MSS粉末的SEM图像，(b)MSS粉末的颗粒分布，(c)ASS粉末的SEM图像，(d)ASS粉末的颗粒分布。图12.MSS试样、ASS试样和MSS/ASSFGMs试样的拉伸应力-应变曲线。图１３．沉积样品的拉伸断裂形貌：(a)100%MSS,(b)100%ASS,(c)MSS/ASSFGMs。图１４．拉伸测试的MSS/ASSFGMs样品在断裂区域的凝固路径

　　本文报道了武汉理工大学陈斐课题组近期发表在期刊《JournalofMaterialsResearchandTechnology上的研究：激光工程净成形马氏体/奥氏体功能梯度材料的制造及力学性能。

　　图０功能梯度材料的广泛的应用及其一个设计案例

　　在工业中，铁合金和特殊的不锈钢作为最常见的原材料被用于通过AM制造部件。MSS的特性保证了其在高要求应用中的性能，如机器部件、手术器械。因为马氏体在其体心四方(BCＣ)晶体结构中几乎没有可操作的滑移系统，所以MSS坚固但易碎。ASS是一种重要的金属材料，具有优良的机械强度和耐腐蚀性。它已广泛应用于许多工业领域，包括海洋环境、核电站。MSS和ASS的结合有可能获得强度和韧性最佳的材料。直接连接这两种材料是困难的，因为它们的机械和物理特性有很大的不同。

　　最近对不锈钢的研究集中在机械性能上。与传统方法不同，AM工艺独特的热场将成为提高材料力学性能的关键因素。Saeidi等人研究SS316L显著提高的机械性能。结果表明，SLM沉积的SS316L钢的多级精细组织导致了性能的改善。赛巴斯-蒂恩等人报告了各向异性行为通过研究激光粉末床熔合(L-PBF)SS316L的各种构建方向，热处理显示出能够降低各向异性行为。Jamshidinia等人报告了工艺参数对由L-PBF沉积的420不锈钢的性能的影响。在Hosemann等人的相关研究中，SS316L和C300马氏体时效钢对通过DED(定向能量沉积)连接并进行热处理。机械性能与SS316L相似。然而，梯度结构对力学性能和微观结构演变的影响却鲜有报道。

　　图2.(a)ＬＥＮＳ系统，(b)MSS/ASS功能梯度材料制造的示意图，(c)MSS/ASS功能梯度材料横截面前视图，(d)刀具路径策略。

　　图3.拉伸试样示意图及尺寸

　　2.2.材料准备

　　图5图２（ｂ）所示的不同区域的MSS/ASS功能梯度材料的XRD图谱

　　2.3.微观结构表征

　　用WilsonTukon1202在1.98N负载(HV0.2)下测量制造样品的轮廓的显微硬度，保持时间为15s。单轴拉伸试样通过电火花线切割加工(Wire-EDM)制备。机械性能测试是在美国制造商Instron的Instron-2663上进行的。基于E8ASTM标准，加工出用于拉伸试验的试样。试件的切割方向平行于试件的建造方向的高度MSS/ASSFGMs为48mm，如所示图3。制备了三种类型的样品:MSS、ASS和MSS/ASS功能梯度材料。对于每种情况，至少测试三个样品，伸长率为0.1毫米/分钟。

　　2.5.热力学建模

　　3.结果和讨论

　　图4显示了不同质量分数区域的MSS/ASS功能梯度材料的光学图像。观察到熔池呈现典型的网状形貌。这种网状形态在整个MSS/ASS功能梯度材料中是一致的。在这个特征中，它包含水平和垂直弯曲薄层带。垂直和水平层带的形态通常是不规则的或不规则的。

　　图5显示了每个区域沉积态MSS/ASS功能梯度材料构建方向上的XRD衍射峰(如所示图2(b))。(110)、(200)和(211)面是马氏体的典型峰，而(111)、(200)、(220)和(311)是奥氏体。虽然形成了一个完整地马氏体微观结构是预期的，值得注意的是，100%MSS区域显示了主要的马氏体相分布，带有少量奥氏体，这与相关研究一致。本研究中制造的MSS/ASS功能梯度材料揭示了大量体积分数的其他微成分，即残余奥氏体，这是由于材料在AM工艺中连续加热和冷却循环期间经历了复杂的热场。先前已在添加制造的420MSS零件的微观结构中报告了残余奥氏体和其他相的形成。随着奥氏体成分的增加，可以观察到马氏体峰强度的下降。如所示，100%ASS的主要相分布是奥氏体，以及少量的-铁素体相。

　　图8.不同质量分数区域的MSS/ASS功能梯度材料的元素分布

　　在图7(aeb)里，值得注意的是Cr似乎完全且均匀地覆盖铁素体枝晶。

　　图9显示了沿构建方向沉积的MSS/ASS功能梯度材料的EBSD图和粒度分布，所有样品都没有明显的择优取向。它清楚地显示了从MSS侧到ASS侧晶粒尺寸的剧烈变化。在图.9(ae)中，观察到透镜产生的材料沿构建方向有轻微拉长的U形晶粒。在图9(a)和图9(b)在奥氏体占优势的区域可以观察到大晶粒。50%MSS+50%ASS区域是晶粒尺寸开始如图9(ｃ)所示增长。在图9(e)和(d)里，值得注意的是这两个区域的晶粒为细晶粒，具有等轴晶粒形态，表明晶粒生长现象从100%MSS过渡到100%ASS。材料的强度随着晶粒尺寸的增大而降低。从图10中，它清楚地显示了从ASS侧到MSS侧的明显的相位变化。EBSD相图显示100%ASS中的主要相是奥氏体，如所示图10(ａ)。在图10(bec)，从75%MSS+25%ASS区的主要奥氏体到两相区有一个过渡奥氏体和马氏体在50%MSS+50%ASS区域。在图10(d)随着MSS的增加，马氏体变为初生相，并伴有少量奥氏体。这是值得注意的是，在100%MSS区域可以清楚地观察到残留的奥氏体，如图10(e)所示。

　　图10.不同质量分数区域的MSS/ASS功能梯度材料的相分布:(a)100%ASS，(b)75%ASS+25%MSS，(c)50%MSS+50%ASS，(d)75%MSS+25%ASS，(e)100%MSS。

　　图11显示了MSS/ASS功能梯度材料横截面的显微硬度结果。沉积样品在100%MSS侧具有358HV的最大硬度。原因可能是由于FGM结构的梯度区域中的等轴晶粒结构的晶粒尺寸更细也可以由EBSD的结果直接表现出来，如图9(e)。随着ASS的增加，MSS/ASS梯度材料的硬度相应降低。在100%ASS侧观察到试样的最小硬度范围为170-190HV。显微硬度结果与奥氏体的增加有关。随着奥氏体的增加，会形成晶粒长大区。晶粒生长区类似于粗晶粒热影响区。在热影响区，发现了一种典型的软化现象，这在低碳钢焊接中很常见。一般来说，从100%MSS侧到100%ASS侧，随着奥氏体的增加，硬度几乎立即开始降低。

　　图12分别显示了MSS、ASS和MSS/ASS功能梯度材料试样的拉伸应力-应变曲线。在这种情况下，构建和拉伸方向是一致的。如所示图12，MSS样品具有大约1173MPa的抗拉强度和14%的伸长率。ASS试样具有542MPa的抗拉强度和29.5%的伸长率，类似于通过DED存放ASS的相关研究。沉积态MSS/ASSFGMs样品具有669MPa的抗拉强度和19%的伸长率。显而易见，图11与ASS试样相比，MSS/ASSFGMs试样的强度提高了127MPa。此外，与MSS试样相比，MSS/ASSFGMs试样的延性提高了35.7%。

　　图１５多晶结构的设计及其一个具体的应该案例，以上这种是传统工艺无法实现或者很难实现的