激光增材制造鐵基合金組織性能控制研究進(jìn)展

王家明，趙彥華，2，*，路來(lái)驍，2，王茜，田文浩

(1.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省工業(yè)技術(shù)研究院增材制造協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)南 250101；3.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

增材制造(Additive Manufacturing，AM)是當(dāng)前先進(jìn)制造熱點(diǎn)技術(shù)之一[1－2]，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。與傳統(tǒng)減材加工不同，增材制造是通過(guò)逐層沉積實(shí)現(xiàn)的增量制造。增材制造技術(shù)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(fù)雜形狀的構(gòu)件。因此，增材制造技術(shù)為制備傳統(tǒng)制造工藝難以加工的復(fù)雜形狀的構(gòu)件提供了一個(gè)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(shù)[5－8]。激光增材制造(Laser Additive Manufacturing，LAM)技術(shù)又稱為激光快速成形技術(shù)、激光3D打印技術(shù)，主要包括激光熔化沉積(Laser Melting Deposition，LMD)技術(shù)、激光熔覆(Laser Cladding，LC)技術(shù)、選擇性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技術(shù)、直接激光沉積(Direct Laser Deposited，DLD)技術(shù)等，其加工過(guò)程是基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，CAD)數(shù)字模型將構(gòu)件模型的數(shù)據(jù)分層，再進(jìn)行激光加工，逐層沉積生成三維實(shí)體。激光增材制造技術(shù)涵蓋了多種激光、數(shù)字、制造技術(shù)以及新材料和加工工藝，與傳統(tǒng)冶金、減材制造等技術(shù)相比，具有周期短、高靈活性、無(wú)模具、不受工件結(jié)構(gòu)和材料的限制等優(yōu)點(diǎn)[9－10]，已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、汽車(chē)、電子、軍事等領(lǐng)域[11－14]。

鐵基合金作為當(dāng)今工程技術(shù)中應(yīng)用廣泛、綜合性能良好的材料，因其原料價(jià)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(jié)合，并具有良好的韌性和耐磨性能，受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[15－16]。但近幾年來(lái)，隨著創(chuàng)新、綠色等需求逐漸增多，對(duì)于激光增材制造鐵基合金構(gòu)件的成形質(zhì)量、性能及環(huán)保等方面提出了更高的要求。受成形構(gòu)件中存在著殘余應(yīng)力、孔隙、裂紋等缺陷的影響，鐵基合金激光增材制造技術(shù)難以大規(guī)模的推廣應(yīng)用，限制了其發(fā)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(gòu)件的組織特征，總結(jié)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(fā)展趨勢(shì)及其面臨的挑戰(zhàn)。

1 工藝選擇

工藝參數(shù)在激光增材制造鐵基合金中起著至關(guān)重要的作用，激光增材制造所涉及的工藝參數(shù)有很多，主要包括激光功率、掃描速度、光斑直徑、保護(hù)氣體等[17]，這些參數(shù)不僅影響構(gòu)件尺寸和致密度，還會(huì)影響內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)及其性能，故選擇合適的工藝參數(shù)以獲得最佳結(jié)構(gòu)和性能的構(gòu)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(píng)判激光增材制造技術(shù)成形效果方面還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外研究人員將能量密度用于表征增材制造中各個(gè)工藝參數(shù)的關(guān)系，雖然大家對(duì)于能量密度定義不同，但可以根據(jù)其研究目的、條件、內(nèi)容等進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)不同因素的場(chǎng)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(dāng)能量密度以式(1)定義時(shí)，主要考慮的是激光功率和掃描速度對(duì)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(shù)對(duì)直接激光沉積制備鐵基合金構(gòu)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(qū)主要為細(xì)小胞狀晶、少量花瓣晶和等軸晶，熱影響區(qū)主要為白色帶狀晶。其形成原因是熔覆區(qū)冷卻后未能再次加熱，受熱時(shí)間短，再加上其冷卻速率快，導(dǎo)致晶粒沒(méi)有足夠的生長(zhǎng)時(shí)間，故只能形成少量細(xì)小花瓣晶與等軸晶；而由于熱影響區(qū)能夠再次被激光加熱熔化，此時(shí)冷卻速度降低，結(jié)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(dāng)激光功率為1 000 W時(shí)，試樣的硬度反而提高，且在800 W時(shí)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?yàn)殍F基合金構(gòu)件組織在800 W激光功率條件下具有更多細(xì)小晶粒，存在細(xì)晶強(qiáng)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(guò)選擇性激光熔化技術(shù)制備鐵基合金試樣，研究了激光工藝參數(shù)對(duì)材料致密度的影響，結(jié)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(guī)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(shù)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(shí)加入了光斑直徑，且不同激光設(shè)備光斑直徑不同，導(dǎo)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(shù)制備了12CrNi2Y合金鋼，研究了激光能量密度對(duì)成形構(gòu)件致密度的影響，發(fā)現(xiàn)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(shí)，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(xiàn)出減小的趨勢(shì)，在采用優(yōu)化后的能量密度(72.02 J/mm2)時(shí)，12CrNi2Y合金鋼試樣致密度最高為98.95%，這與直接激光沉積過(guò)程中液相量對(duì)試樣凝固過(guò)程的連續(xù)性的影響有關(guān)，低能量密度導(dǎo)致了液相黏度過(guò)高，意味著熔池流動(dòng)性差，導(dǎo)致了一定量的孔隙率；當(dāng)激光能量密度過(guò)大，在熔池中產(chǎn)生明顯溫度梯度，導(dǎo)致液相表面張力梯度大，在快速凝固過(guò)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(duì)選擇性激光熔化制備316L試樣致密度的影響，通過(guò)固定光斑直徑為0.2 mm、激光功率為100 W，改變掃描速度調(diào)節(jié)能量密度，發(fā)現(xiàn)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?yàn)檩^低的能量密度造成液相黏度降低，導(dǎo)致球化缺陷和試樣裂紋的產(chǎn)生，當(dāng)能量密度為70 J/mm3時(shí)，試樣致密度達(dá)到了97.7%。

綜上所述，無(wú)論采用哪種激光能量密度計(jì)算方式，當(dāng)激光能量密度增大時(shí)，試樣致密度普遍有所增加，但要控制在一個(gè)合理范圍，此范圍在選用不同材料時(shí)也會(huì)有所不同，故仍需大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

1.2 保護(hù)氣體的影響

有研究發(fā)現(xiàn)在不同的保護(hù)氣體條件下進(jìn)行鐵基合金構(gòu)件的激光增材制造也會(huì)影響構(gòu)件的孔隙率。WANG等[22]通過(guò)激光增材制造制備了17－4PH不銹鋼試樣，研究了不同保護(hù)氣體對(duì)試樣孔隙率的影響，發(fā)現(xiàn)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?yōu)?.177%。因此，前者的孔隙率明顯低于后者，表明在有保護(hù)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(hù)氣體情況下，直接激光沉積制備的17－4PH試樣組織和力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)在大氣條件下制備的17－4PH不銹鋼試樣無(wú)論是抗拉強(qiáng)度還是屈服強(qiáng)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(guò)程中無(wú)論是鐵基合金粉末還是其激光增材制造成形構(gòu)件都對(duì)氧氣十分敏感，極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故為了獲得致密度高的構(gòu)件要嚴(yán)格控制保護(hù)氣體中氧的含量。

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

2 微觀組織特征及主要力學(xué)性能

2.1 組織特征

激光增材制造鐵基合金構(gòu)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(guò)程中形成的，由于不同區(qū)域的溫度梯度不同，其過(guò)冷度就不同，冷卻時(shí)沿沉積方向會(huì)產(chǎn)生不同的組織特征。丁紫陽(yáng)等[24]采用27SiMn鋼管作實(shí)驗(yàn)材料在其表面進(jìn)行激光熔覆，研究發(fā)現(xiàn)該層的微觀組織主要由平面晶、胞狀晶和樹(shù)枝晶等組成，且在樹(shù)枝晶區(qū)域存在成分偏析現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，在熔覆層與基材結(jié)合處的溫度梯度G與凝固速度R的比值最大，過(guò)冷度最小，凝固時(shí)熔覆材料在基材表面主要以平面晶方式外延生長(zhǎng)。隨著激光熔覆過(guò)程進(jìn)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(guò)冷度變大，液固界面穩(wěn)定性下降，由此形成胞狀晶。隨著G/R的比值越來(lái)越小，成分過(guò)冷度越來(lái)越大，樹(shù)枝晶形成；當(dāng)樹(shù)枝晶生長(zhǎng)靠近激光熔覆層表面時(shí)，G變小，再加上熔池對(duì)流、表層與空氣較強(qiáng)的對(duì)流，使得熔覆層表層組織為細(xì)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(jié)果發(fā)現(xiàn)熔覆層中非晶相和晶相共存且非晶相含量高達(dá)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(qū)域的橫截面SEM圖

通過(guò)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(jié)構(gòu)的熔覆層與基材結(jié)合處附近橫截面的SEM圖像，由于該區(qū)域相對(duì)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(jié)合處上部區(qū)域冷卻速率的增加限制了柱狀晶的生長(zhǎng)，最終在圖4(a)中共晶起始區(qū)過(guò)渡線以上區(qū)域形成了共晶結(jié)構(gòu)。

圖4 熔覆層/基材界面附近的橫截面SEM圖

張?zhí)祚Y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(jié)果表明兩種Fe－Cr－Ni合金熔覆層的顯微組織均存在大量細(xì)小的等軸晶及沿熔池壁垂直生長(zhǎng)的少量柱狀晶和胞狀樹(shù)枝晶。戴曉琴等[27]研究了激光增材制造FeCrSiAlC合金，發(fā)現(xiàn)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(nèi)的Fe、Si、Al元素之間發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的，且隨著掃描速度的增大，F(xiàn)eCrSiAlC合金的晶粒尺寸差異逐漸減小，且晶體形態(tài)也出現(xiàn)變化。當(dāng)掃描速度為360 mm/s時(shí)，晶體為大量胞狀晶、等軸晶和少量柱狀晶；當(dāng)掃描速度為480 mm/s時(shí)，晶體為大量胞狀晶、少量柱狀晶；當(dāng)掃描速度為600 mm/s時(shí)，晶體為大量細(xì)小等軸晶[27]。

TAN等[28]采用18Ni(300)馬氏體時(shí)效鋼粉末(化學(xué)成分為Fe－18.2Ni－9Co－5.2Mo－0.8Ti－0.2Cr－0.15Al)，通過(guò)選擇性激光熔化技術(shù)制備馬氏體時(shí)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(shù)制備馬氏體時(shí)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(shí)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(xiàn)了胞狀、柱狀和針狀組織，在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用67 J/mm3的激光能量密度時(shí)制備出了接近完全致密的馬氏體時(shí)效鋼，致密度達(dá)到了99.9%。

圖5 水平截面組織形貌特征及激光運(yùn)動(dòng)軌跡光學(xué)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(xué)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(xué)性能

激光增材制造鐵基合金的力學(xué)性能一直是人們研究的熱點(diǎn)。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(xué)性能。發(fā)現(xiàn)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(wú)明顯氣孔、裂紋等缺陷，其屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到了572和720 MPa，見(jiàn)表1[29]。其力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)方式制備的304不銹鋼，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別約為傳統(tǒng)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(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在高能量密度(71.02 J/mm3)下，顯微硬度出現(xiàn)最大值，為560 HV0.3，且此時(shí)試樣耐磨性也最優(yōu)，磨損失重僅為1.57 mg；當(dāng)試樣的致密度逐漸增加時(shí)，抗拉強(qiáng)度為1 100～1 150 MPa，屈服強(qiáng)度由365 MPa增長(zhǎng)到572 MPa，伸長(zhǎng)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(guò)程，在此過(guò)程中，會(huì)形成馬氏體或貝氏體等硬相組織，同時(shí)，也可以細(xì)化晶粒，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用，從而獲得致密的組織，體現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。

表1 激光增材制造304不銹鋼力學(xué)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(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用工藝參數(shù)為激光功率2 000 W、掃描速度5 mm/s、重疊率35%時(shí)，能夠制備出無(wú)裂紋和無(wú)氣孔缺陷的50Cr6Ni2Y合金鋼試樣，其平均顯微硬度可達(dá)到534 HV、極限抗拉強(qiáng)度為1 139 MPa、屈服強(qiáng)度為989 MPa、平均伸長(zhǎng)率為2%，如圖11所示[31]。這是因?yàn)樘蓟?Fe、Cr)23C6顆?？梢蕴岣吆辖鹩捕燃皬?qiáng)度，且碳化物越細(xì)小，對(duì)強(qiáng)度的影響越大。馬明明[32]對(duì)比了激光熔覆和選擇性激光熔化兩種激光增材制造技術(shù)制備出的316L合金力學(xué)性能，結(jié)果顯示采用選擇性激光熔化成形技術(shù)制備的316L不銹鋼構(gòu)件的顯微硬度與拉伸性能均優(yōu)于激光熔覆成形構(gòu)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(gòu)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(duì)選擇性激光熔化技術(shù)制備的304L不銹鋼零件的力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)致密度為99%試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和顯微硬度分別為(540±15)、(660±20)和(254±7)MPa，高于常規(guī)制造的304L不銹鋼的力學(xué)性能，這是因?yàn)殡S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(xué)性能較為優(yōu)異。

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

綜上所述，激光增材制造鐵基合金構(gòu)件顯微組織主要由胞狀晶、柱狀晶和等軸晶構(gòu)成，因垂直于熔池邊界方向溫度梯度最大(即過(guò)冷度最大)，故胞狀晶、柱狀晶大都分布在基材與熔池結(jié)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(guò)程中，隨著層數(shù)逐漸增高，熱量逐漸累積，溫度梯度變小導(dǎo)致的。使用優(yōu)選的激光增材制造工藝可以獲得與傳統(tǒng)制造方式相比性能更優(yōu)的鐵基合金構(gòu)件。

3 組織性能改善

3.1 熱處理

為了獲得理想構(gòu)件的組織性能，通常在增材制造后對(duì)沉積態(tài)試樣做相應(yīng)的熱處理，近年來(lái)對(duì)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(tài)的顯微組織及力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)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(jīng)時(shí)效熱處理后，消除了殘余鐵素體，產(chǎn)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(tài)顯微組織形貌及組成成分圖

圖13 固溶＋時(shí)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(xué)性能，結(jié)合XRD物相分析和金相觀察發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)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(tài)試樣經(jīng)過(guò)固溶＋時(shí)效處理后，不同部位的組織無(wú)明顯差異，呈緊密、細(xì)小、均勻分布，其力學(xué)性能見(jiàn)表2[35]，如圖14所示[35]。熱處理后成形件的強(qiáng)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(qū)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(qū)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(gòu)件室溫拉伸力學(xué)性能見(jiàn)表3。熱處理后激光增材制造鐵基合金構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比未進(jìn)行熱處理構(gòu)件有了明顯提高，這主要是由于激光增材制造技術(shù)冷卻速率極快這一特性，導(dǎo)致強(qiáng)化相沒(méi)有完全析出，即使構(gòu)件在此過(guò)程中已受到多次熱循環(huán)作用，沉積態(tài)構(gòu)件力學(xué)性能還是較熱處理態(tài)構(gòu)件力學(xué)性能要低一些。

表3 激光增材制造典型鐵基合金構(gòu)件的室溫力學(xué)性能表

3.2 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料(Metal Matrix Composites，MMC)由金屬或合金制造，并通過(guò)其他材料的顆?；蚶w維增強(qiáng)，目的是實(shí)現(xiàn)構(gòu)件高比強(qiáng)度和比剛度，更好的熱穩(wěn)定性和耐磨性，提升構(gòu)件疲勞強(qiáng)度[38－41]。在鐵基合金的MMC中，常見(jiàn)的增強(qiáng)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(xué)性能。如在馬氏體鋼基體中加入增強(qiáng)熱力學(xué)穩(wěn)定的TiC，提升了構(gòu)件的剛度、硬度和耐磨性[38]。

董志宏等[43]在制備合金鋼構(gòu)件時(shí)發(fā)現(xiàn)，在構(gòu)件內(nèi)部有大量的孔洞產(chǎn)生，孔洞的形成原因主要是在激光成形過(guò)程中熔池內(nèi)來(lái)自粉末中的O與C反應(yīng)生成的碳的氧化物(COx)。在12CrNi2粉末中增加鉻后，因Cr與O結(jié)合力大于C與O的結(jié)合力，故在熔池中優(yōu)先與氧結(jié)合析出Cr2O3，大大減少了合金鋼構(gòu)件中孔洞的形成。隨著Cr含量的增加，合金鋼構(gòu)件的顯微硬度也逐漸增加。徐勤官[44]制備了TiCTiB2－MoC－B4C復(fù)合陶瓷顆粒增強(qiáng)的鐵基合金激光熔覆層，研究加入不同類(lèi)型、不同含量的增強(qiáng)基對(duì)于熔覆層的組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)TiC、MoC、B4C及TiB2等硬質(zhì)顆粒同時(shí)存在時(shí)熔覆層的硬度、耐磨性均有明顯增加，構(gòu)件平均顯微硬度達(dá)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(duì)比分析了施加與未施加交變磁場(chǎng)輔助激光增材制造鐵基合金試樣的微觀組織和力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度為30～40 mT能夠獲得成形質(zhì)量好、無(wú)明顯裂紋、孔隙率低的試樣。施加交變磁場(chǎng)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(chǎng)輔助制備試樣的高約0.4倍，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也都優(yōu)于未施加交變磁場(chǎng)輔助制備的試樣。

CONG等[46]提出了一種新型超聲振動(dòng)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(dòng)所造成的氣孔、裂紋等缺陷，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)超聲振動(dòng)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(xì)化，降低了試樣孔隙率，減少了殘余應(yīng)力，提升了試樣拉伸性能和顯微硬度。GORUNOV等[47]通過(guò)超聲振動(dòng)輔助激光熔覆技術(shù)制備了鐵基合金熔覆層，發(fā)現(xiàn)超聲輔助制備的試樣極限抗拉強(qiáng)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(gòu)件力學(xué)性能的方式包括熱處理、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料及輔助工藝。在激光增材制備鐵基合金構(gòu)件后，通常會(huì)進(jìn)行熱處理(如固溶、時(shí)效處理等)，經(jīng)熱處理后能消除各向異性、殘余應(yīng)力等，提升了構(gòu)件的力學(xué)性能；通過(guò)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(qiáng)金屬基復(fù)合材料，可有效提升增材制造鐵基構(gòu)件了的剛度、硬度及耐磨性；在制備鐵基構(gòu)件過(guò)程中使用輔助工藝(如交變磁場(chǎng)、超聲振動(dòng)等)，鐵基構(gòu)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(guò)程中涉及大量的工藝參數(shù)，如激光功率、掃描速度、粉末特性等，且激光成形構(gòu)件微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能都取決于其工藝參數(shù)之間的相互作用，因此優(yōu)化工藝參數(shù)以制備出幾乎無(wú)缺陷(孔、裂紋等)且接近最終形狀的構(gòu)件至關(guān)重要，且在實(shí)驗(yàn)時(shí)，也需要新穎有效的統(tǒng)計(jì)方法考慮各參數(shù)間的相互依賴性。

在激光增材制造過(guò)程中構(gòu)件經(jīng)歷多次熱循環(huán)作用，會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力、裂紋等影響構(gòu)件力學(xué)性能的缺陷，故可以適當(dāng)通過(guò)熱處理、顆粒增強(qiáng)金屬基、輔助工藝對(duì)構(gòu)件組織特征和力學(xué)性能進(jìn)行有效的調(diào)控，獲得具有理想微觀組織及良好力學(xué)性能的構(gòu)件。

目前，激光增材制造鐵基合金技術(shù)仍不夠成熟，在某些方面的研究也不夠深入，其潛力有待進(jìn)一步發(fā)掘，仍存在許多制約著鐵基合金增材制造發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題:(1)激光增材制造鐵基合金在工藝的選擇、優(yōu)化方面的研究不夠深入，制備的構(gòu)件仍存在一定程度上的缺陷，很難實(shí)現(xiàn)完全的致密化、無(wú)缺陷，雖然能夠通過(guò)后續(xù)的熱處理、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料等方法在一定程度上改善構(gòu)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(tǒng)鑄件時(shí)所采用的熱處理方法，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中的增強(qiáng)顆粒也是沿用傳統(tǒng)制造工藝所用，因此針對(duì)激光增材制造鐵基合金構(gòu)件專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)特殊的熱處理方法，尋找新型增強(qiáng)基顯得尤為重要，同時(shí)在激光增材制造鐵基合金構(gòu)件的精度及制備大型零件等方面也需要加強(qiáng)。(2)目前對(duì)于激光增材制造技術(shù)與電磁輔助、超聲輔助工藝相結(jié)合的研究較少，在增材制造過(guò)程中與成形同步的在線輔助工藝相結(jié)合等方面的技術(shù)不夠成熟，因此進(jìn)一步開(kāi)展在激光增材制造成形過(guò)程中同步輔助工藝的研究也是一大重點(diǎn)。