大连理工大学：超过锻件水平！一种新的高性能316L不锈钢增材制造

导读：塑性变形辅助方法对调节增材制造(AM) 金属样品的微观结构和力学性能具有积极作用。然而，当通过激光定向能量沉积制造金属样品时（LDED），常用的轧制变形辅助方法的适用性和工艺灵活性有很大的局限性，需要进一步改进。本研究开发了一种同步锤锻辅助激光定向能量沉积 (SHLDED) 方法，研究了同步锤锻对 LDED 处理的 316L 不锈钢样品的显微组织和力学性能的影响。结果表明，使用55 N的小锤击力可以实现高达21%的沉积材料的大塑性变形。与LDED样品相比，SHLDED样品的微观结构显示出明显的等轴晶粒和细化效果。极图最大强度降低50%，平均晶粒度减少 69%。由于晶粒细化和加工硬化的综合作用，SHLDED样品的屈服强度（YS）、极限抗拉强度（UTS）和显微硬度分别达到494±19 MPa、677±7 MPa和243±11 HV0.2，分别比 LDED 样品高 41%、10% 和 22%。该研究为LDED金属样品的微观结构和力学性能调控提供了一种新方法。

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激光定向能量沉积（LDED）是一种重要的金属增材制造（AM）技术，它以高能量密度的激光为热源，熔化并沉积同步输送的金属粉末或线材，实现金属3D样品的近净制造。通过层层积累。由于原位沉积和逐层积累的工艺特点，LDED在材料和结构调控方面具有很高的工艺灵活性，在制备高性能复杂定制样品方面显示出广阔的应用前景。随着 LDED 的进步，越来越多的研究人员倾向于实现各种材料的定向制造，例如 Ti-6Al-4V ( Carroll et al., 2015 )、Inconel718 ( Li et al., 2022 )、高熵合金 ( Dobbelstein et al., 2021 )、不锈钢 ( Arrizubieta et al., 2018 )、钛基基体材料( Attar et al., 2018 )、异质结构材料（Tan et al., 2022）、梯度材料（Wu et al., 2022）等。正如Tan 等人报道的那样。(2021)，LDED制造的零件广泛应用于航空航天、能源、医疗等领域。不幸的是，正如Debroy 等人报道的那样。(2018) , 用于 LDED 工艺中的近一维散热和典型的外延生长由于凝固组织的特点，目前制备的金属试样往往具有晶粒粗大、组织不均匀等特点。这些特性容易引起金属样品的各向异性问题，影响最终的力学性能，极大地限制了LDED技术在主要承重关键金属样品中的应用。如何实现金属样品的晶粒细化和等轴化已成为包括 LDED 技术在内的所有金属增材制造领域的关键问题之一( Colegrove et al., 2013 )。

为了实现塑性变形控制方法在LDED金属样品中的有效应用，大连理工大学提出了一种SHLDED 增材制造方法，并设计和构建了一种 SHLDED 系统，用于制备 316L 不锈钢金属样品。结果表明，同步锤锻对组织调节有积极作用，如晶粒等轴化和细化，显著提高了制造样品的力学性能。沉积层的原位塑性变形是通过在 LDED 316L 样品的混合 AM 工艺中同时应用50 Hz 高频锤锻实现的。值得注意的是，与Duarte 等人相比。这项工作的重点是通过同步锤锻工艺调节 LDED 金属样品的微观结构和机械性能，以验证对弱刚性部件的适用性。YS 强化机制通过 Hall-Patch 公式和泰勒公式。改进和丰富同步锤锻工艺在LDED AM领域的应用，对调节金属的显微组织和力学性能具有很大的前景。

相关研究成果以题“Synchronous-hammer-forging-assisted laser directed energy deposition additive manufacturing of high-performance 316L samples”发表在增材制造顶刊Journal of Materials Processing Technology上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013622002072

(1)该同步锤锻装置可在高温区以55 N的小锤击力实现21%的沉积层的大塑性变形，并且可以制作出高精度的样品。制造的 316L 薄壁样品的顶层表面质量显着提高，表面 3D 粗糙度 Sa 小于 1 µm。此外，SHLDED 工艺对 316L 金属粉末的利用率有积极影响。

(2)与LDED样品相比，SHLDED制造的316L样品没有产生新的相。在同步锤锻的帮助下，SHLDED样品表现出显着的晶粒细化和等轴效应。与 LDED 316L 样品中的 55 µm 相比，晶粒尺寸减小到 17 µm，减小了 69%。同步锤锻辅助有效降低了LDED 316L样品的各向异性，极图的最大强度从24.54降低到12.71，与LDED 316L样品相比降低了50%。

(3)SHLDED制备的316L试样的力学性能明显提高，整体水平已达到并超过锻件。SHLDED样品的显微硬度增加到243±11 HV 0.2 ，而LDED样品的显微硬度为199±6 HV 0.2 ，增加了22%。由于晶粒细化和位错强化，SHLDED 样品的 YS 增加到 494±19 MPa，而 LDED 样品的 YS 为 351±7 MPa，增加了近 40%。此外，与 LDED 样品的 617 ± 6 MPa 相比， UTS增加到 677 ± 7 MPa，增加了近 10%，同时保持了可塑性，伸长率大于 45%。

图 1。316L粉末：（a）SEM图和（b）粒径分布。

图 2。同步锤锻辅助激光定向能量沉积系统。

图 3。实验参数测量装置：（a）锤击力测量装置和（b）锤击温度测量装置。

图 4。试样制备：（a）试样位置和（b）拉伸试样尺寸（单位：mm）。

图 5。同步锤锻参数测量结果：（a）温度曲线和（b）锤击力曲线。

图 6。不同输入电压的单通道单层截面尺寸：(a) 0 V、(b) 80 V、(c) 90 V、(d) 100 V、(e) 110 V 和 (f) 120 V。

图 7。不同输入电压下上表面的 3D 粗糙度测量结果。

图 8。通过两种工艺制造的金属样品：（a）LDED薄壁样品，（b）LDED样品横截面，（c）SHLDED薄壁样品和（d）SHLDED样品横截面，以及（e）宏观统计结果形态变化。

图 9。XRD相分析：（a）BD-SD 截面和（b）BD-TD 截面。

图 10。相组成和元素检测：(a) LDED样品中的 SEM 图像，(b) SHLDED 样品中的 SEM 图像，(c) 元素线扫描，和 (d) 元素表面扫描。

图 11。BD-TD 横截面的金相组织图：(a) LDED样品的金相全局视图，(b) SHLDED 样品的金相全局视图，(c) LDED 样品的骨架结构晶粒，(d) LDED 样品的枝晶晶粒，( e) LDED 样品的取向晶粒，(f) SHLDED 样品的原纤化骨架结构晶粒，(g) SHLDED 样品的等轴树枝晶，(h) SHLDED 样品的短柱状晶粒和树枝状晶粒。

图 12。制造样品的极图：（a）LDED样品极图和（b）SHLDED样品极图。

图 13。BD-SD横截面的粒度统计：（a）LDED样品的EBSD图和粒度分布；（b）SHLDED样品的EBSD图和粒度分布。

图 14。结构演化的EBSD图：（a） LDED样品顶部两层的IPF着色图和（b）SHLDED样品顶部两层的IPF着色图。

图 15。LDED和SHLDED的显微硬度测试结果。

图 16。LDED和 SHLDED的拉伸特性：(a) 统计数据和 (b) 工程拉伸应力-应变曲线。

图 17。机械性能统计：(a) 极限抗拉强度(UTS) 和 (b) 屈服强度 (YS)。

图 18。GND位错密度分布：（a）LDED样品和（b）SHLDED 样品。

图 19。SHLDED样品的TEM图像：(a) 显示高密度位错纠缠在一起的明场图像，(b) 位错处的高分辨率 TEM，和 (c) 对应的逆快速傅里叶图像。

图 20。断面的 SEM 图像：(a) LDED拉伸断口和 (b) SHLDED 拉伸断口。

图 21。SHLDED复杂结构和弱刚性结构的制造：（a）叶片结构和（b）倾斜结构。