【最新综述】激光粉床增材制造不锈钢中氧化物夹杂调控的研究进展||钢铁研究学报

  激光粉床增材制造不锈钢中氧化物夹杂调控的研究进展  

刘  伟 ¹ , 刘成松 ¹ , 丁小明 ² , 张  华 ¹ , 倪红卫 ¹

(1.武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室,湖北 武汉 430081;  2.中国航发北京航空材料研究院,北京 100095) 

摘　要： 激光粉床增材制造技术是一个涉及熔池移动、快速非平衡凝固、固态相变的复杂冶金过程,该过程的非均匀快速热-力耦合易导致金属制件出现翘曲变形、裂纹及孔洞、夹杂物、晶粒异常形核与长大等缺陷,这些缺陷会对金属制件的尺寸精度、致密度及力学性能等产生不利影响。激光粉床增材制造金属制件中非金属氧化物夹杂大多为内生夹杂物,产生于金属液脱氧以及极速熔化和凝固过程中的二次氧化,其种类、尺寸、形貌以及分布等物化特性直接影响或决定了金属产品的质量与性能,也是导致金属中产生各类缺陷的重要原因之一。分析了不锈钢材料激光粉床增材制造及后续热处理过程金属中氧化物夹杂的形成和演化及其对金属零件性能的影响性,并对不锈钢金属制件中氧化物夹杂特性的调控研究进展进行了总结,为激光粉床增材制造企业生产工艺优化提供了科学指导和理论依据。

关键词： 激光粉床熔融技术;增材制造;不锈钢;氧化物夹杂;热处理;力学性能

引用格式：

刘伟,刘成松,丁小明,张华,倪红卫. 激光粉床增材制造不锈钢中氧化物夹杂调控的研究进展[J]. 钢铁研究学报,2023,35(05):489-503.

DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20220165

重要图表：

结论：

    (1)激光增材制造不锈钢金属微熔池中夹杂物主要来源于粉末原料、熔池氧化和熔池飞溅等,已有研究更多地从实验现象角度阐述和表征不锈钢微熔池中夹杂物的演变行为,但缺乏相应的热力学和动力学机制分析和理论计算,这也是目前研究重点和难点之一。

   (2)激光打印气氛(氧含量)、扫描功率、扫描速度、铺粉厚度等打印参数对不锈钢中夹杂物特性存在一定的定性影响,夹杂物尺寸与扫描速度和激光功率分别呈负相关和正相关关系,氧含量提高,则夹杂物数量密度也呈增大趋势,但以往研究并未形成完整的、可实际操作的优化工艺,未能实现对不锈钢金属制件中夹杂物特性的精准调控。

   (3)受高温“不锈钢基体-夹杂物”界面反应的影响,热处理过程打印不锈钢金属制件中夹杂物成分会发生改变,尺寸也会发生变化,主要原因在于高温下不锈钢中合金元素与夹杂物之间能够发生相互扩散和界面反应,导致新相的析出或者原有相的长大。

   (4)弥散分布的微纳米夹杂物可以起到钉扎不锈钢奥氏体晶界、细化晶粒的作用,已成功应用于增材制造生产氧化物弥散强化金属领域。激光增材制造工艺虽可以解决传统固结工艺带来的不能个性化制造和一体化成形的问题,但其内部自身产生的夹杂物尺寸仍难以达到弥散强化的要求,更多地依赖于外加纳米强化粒子的技术来实现不锈钢金属制件力学性能的提升。

   (5)基于以上分析和结论,未来激光增材制造不锈钢金属微熔池中夹杂物的调控研究,应从以下几个方面进行开展研究。

   ①将传统冶金领域对不锈钢中夹杂物的研究方法和理论移植到激光增材制造领域。激光打印过程不锈钢微熔池的熔凝温度曲线梯度极大,在不锈钢金属液极速熔化和凝固过程中,不锈钢中非金属夹杂物与微熔池的界面作用行为及其物化特性的演变规律,是实现其有效控制的重要问题。

   ②打印过程对“夹杂物-不锈钢基体”界面行为的影响和控制问题,尤其是逐层打印时,上层微熔池温度变化所形成的热影响区对下层“夹杂物-不锈钢基体”界面固相反应的影响规律和机制,值得进行深入的研究。

   ③激光增材制造过程中,不锈钢微熔池的凝固过程不同于传统钢铁冶金领域钢液的一次性缓慢凝固。逐层打印或直接沉积过程中,部分不锈钢基体可能存在“熔化-凝固”的交替行为,其溶质元素包括S、O等元素的微观偏聚行为,也是决定能否有效控制不锈钢中夹杂物物化特性的关键。

   ④激光增材制造的不锈钢打印件,除晶内和晶界以外,还具有多个打印层界面。包括热处理在内的热加工工艺对不锈钢晶内、晶界以及多层界面处夹杂物物化特性的影响及其细化晶粒尺寸的作用机制,也是亟待深入研究的重要内容。