综述：钢铁材料增材制造过程中的研究进展与挑(2)

对PH系列的不锈钢来说，循环载荷是该合金应用的理想场合。因此，部件的疲劳性能就成为AM制造这类钢的最为重要的性能。采用SLM制造的１５－５PH钢的疲劳性能同传统工艺的合金相比要减少２０％。这主要归因于SLM制造的部件表面的粗糙度比较差的原因。AM制造产品的表面精度的提高和表面缺陷的去除，对疲劳性能的提高非常显著，但这一点对传统的变形合金来说并不明显。但表面缺陷对AM制造的１５－５PH钢的疲劳性能影响非常大确实被观察到的结果所证实。然而，优化参数和表面精度的改善结合在一起利用AM技术制造出来的１５－５PH钢，其疲劳性能可以同变形合金相当。

AM制造的１５－５PH钢的高温蠕变性能并没有得到广泛的研究。同传统变形的合金相比较，温度为 530 °C时，SLM制造的１５－５PH钢的蠕变性能可以提高大约１７％。其背后的原因并没有得到完全的理解。

图 1图解：SLＭ工艺制造的合金的应力应变曲线（载荷方向同Ｘ－Y平面平行），用黑色线来表示，传统工艺制造的１７－４PH钢采用红色线来表示。a低的应变速率，准静态的拉伸测试结果.b高应变速率的动态拉伸测试结果。

17–4 PH不锈钢

同变形部件相比较，AM制造的１７－４PH钢的韧性会降低。在状态A和H900的状态下，AM制造的17-4PH钢的强度比传统的样品要高，但失效的延伸率却降低。这一结果在低应变速率（准静态）和高应变速率（动态）的拉伸测试中，均如此，见图1 。针对17-4PH钢的许多研究均表明，同传统的合金相比较，均得到强度增加和韧性下降的结果。强度增加的原因是因为AM制造的部件的显微组织细化，而韧性下降的原因则在于AM工艺得到的样品中存在气孔的缘故。

Lass等人对SLM制造的17-4PH钢在经过不同的热处理后的样品同传统的合金在A状态 (YS?=?824 MPa, UTS?=?1121 MPa, 失效时的延伸率?=?10%)进行了大量的对比研究。一个可替代的固溶退火工艺，可以让变形合金获得YS>?90%。为了比较，AM样品在沉积态和状态A的时候呈现出的YS为变形态的大约55%。在这一新的处理工艺中得到的UTS同传统工艺相比较，也显著增加，而韧性有降低。后热处理对显微组织的影响见图2 ，表明了在AM制造17-4PH钢的时候得到 的不同的显微组织。对于沉积态的17-4PH钢，熔池边界和胞状的凝固组织可以清晰的观察到（见图2 a），但经过均质化和固溶处理后（经历了状态A的处理过程），这一凝固组织消失了。得到的组织（图2 b）同变形后的合金的显微组织相当（见图 2c）。其他的研究也 表明AM制造的17-4 PH钢在热处理之后的显微组织的显著的变化，这些显著的显微组织的变化也会造成AM制造的17-4 PH钢部件性能的增加。

用于SLM制造的原始粉末的特征对获得的制品的机械性能至关重要。曾经有研究发现，改变17-4PH粉末和/或调整激光的能量密度，抗拉强度同变形的合金相当或高于变形合金。Pasebani等人研究了气雾化或水雾化的粉末进行SLM制造17-4PH钢同传统工艺制造的部件进行对比以及不同的热处理工艺对机械性能的影响进行比较。AM制造过程中采用适宜的能量密度进行制造，采用气雾化的粉末进行SLM制造得到的部件，固溶处理条件为1051 °C@ 45 min，时效条件为 482 °C@1 h，呈现出较高的强度，相当的YS和优异的UTS，这是同传统制造的部件相比较的结果。在时效处理之前，固溶处理条件为 1315 °C@ 1 h 时，采用水雾化的粉末进行制造的部件，得到的YS和UTS均显著增加。这归因于马氏体板条结构的细化。采用水雾化粉末进行AM的产品的性能，同传统的工艺相比较，要相对差一点点，YS下降大约为１５％，UTS减少大约４％。这一差别非常明显，因为水雾化的粉末的价格比气雾化的价格要低得多。

图2 １７－４PH不锈钢的金相显微组织

图解：(a) SLM制造的沉积态；(b) 经过均质化处理；(c) 变形态的合金。这些显微组织均取自平行于SLM的制造方向和变形合金的轧制方向 １７－４PH不锈钢的金相显微组织钢

显微组织中的奥氏体被观察到会显著的影响到17-4PH钢的机械性能，这是因为在机械测试的过程中奥氏体转变为马氏体。AM制造的17-4PH钢，含有大量的奥氏体时会呈现出显著的韧性和如同TRIP钢一样具有加工硬化的特征。在AM制造17-4PH钢的时候，会有大量的奥氏体组织存在，或者在直接时效的时候（如在制造的时候不经过固溶时效处理）。Lebrun等人的研究结果表明这些样品同传统的工艺相比较，具有相当的韧性。例如，沉积态的AM制品具有36%体积分数的残余奥氏体，在时效时的延伸率为16.2%。而传统的变形合金的时效延伸率为15%。17-4PH钢的SLM制造时奥氏体的保留则在压缩和拉紧时会得到增加的韧性。图3 a为SLM制造的17-4PH钢的显微组织，而图3 b则为沿着熔池边界所得到的增加的奥氏体组织。

文章来源：《金属功能材料》 网址: http://www.jsgncl.cn/zonghexinwen/2021/0523/553.html