上海大学任忠鸣、陈超越等：激光粉末床增材制造高均质高性能M50轴承钢 | AMF论文推荐

引用论文

Wang Zhao, Yuyang Hou, Ruixin Zhao, Ruixin Wang, Songzhe Xu, Enxiang Fan, Lin Lu, Jiang Wang, Chaoyue Chen, Zhongming Ren, Enhanced cracking resistance of LPBF-fabricated M50 bearing steel with substrate preheating induced by synergistic control of cooling rate and martensite, Additive Manufacturing Frontiers, Volume 5, Issue 2, 2026, 200285,

https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200285.

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1研究背景及目的

M50钢是制造航空发动机主轴轴承的核心材料，传统工艺易产生粗大碳化物，损害性能。激光粉末床熔融（L-PBF）技术虽能显著细化其组织，但快速冷却与高残余应力也导致了明显的裂纹倾向，制约了该技术在高碳高合金钢中的应用。

研究目的：采用150°C的基板预热工艺，重点探究其在消除宏观裂纹、调控马氏体等微观组织方面的作用机制，以提升L-PBF成形M50钢的完整性与质量。

2论文亮点或创新点

（1）采用150°C低温基板预热（低于Ms点），揭示了其通过降低温度梯度与利用马氏体相变膨胀应力以抵消残余拉应力的双重抑裂机制，有效消除了宏观裂纹。

（2）通过多尺度表征，阐明了预热对微观结构均匀化的调控作用：它将马氏体含量提升约50%，板条尺寸从7.96μm增至11.3μm，并使上/中部硬度差值从103 HV0.2大幅降至14 HV0.2。

（3）基于预热和组织优化，获得超过1500MPa和1.5%良好强塑性匹配。明确了预热是提升成形性的根本，而高功率主要优化熔池与胞状结构，为分层工艺调控提供了清晰指导。

3实验方法

采用真空气体雾化制备的M50轴承钢粉末（D50=36.06 μm）作为原料。使用AF250MD-PLUS型激光粉末床熔融设备，在氩气保护气氛下（氧含量<300 ppm）制备10×10×10 mm³的立方体试样。工艺参数设置为：层厚50 μm，扫描间距80 μm，激光功率250/300/350 W，扫描速度600-1000 mm/s，采用双向扫描及90°层间旋转策略。关键变量为基板预热温度，设置了无预热（NPreH）与150°C预热（PreH）两组进行对比。

微观组织表征在平行于建造方向的纵截面上进行，选取底部（1.5 mm）、中部（5.0 mm）和上部（8.5 mm）三个高度。试样经研磨抛光后，用硝酸乙醇溶液（4% HNO₃）腐蚀，随后采用光学显微镜、扫描电镜和X射线衍射进行相组成与形貌分析。维氏硬度测试在200 g载荷下进行，以评估沿建造方向的硬度分布。

Fig. 1 Defects in the LPBF M50 specimens under different conditions: (a)-(e) NPreH specimens without preheating under the conditions of (a) 350 W, 1000 mm/s, (b) 300 W, 900 mm/s (c) 250 W, 900 mm/s, (d) 250 W, 700 mm/s, (e) 350 W, 600 mm/s; (f)-(j) PreH specimens with preheating under the conditions of (f) 350 W, 1000 mm/s, (g) 300 W, 700 mm/s (h) 250 W, 600 mm/s, (i) 250 W, 900 mm/s, (j) 350 W, 700 mm/s.

Fig. 2 Martensite morphology and elemental distribution of the cellular structure of LPBF M50 steels: (a, b) bright field of martensite and corresponding SAED pattern; (c-h) micrographs and elemental mapping of the cellular structure.

4结论

预热能显著提升成形性，其机制在于协同降低了冷却过程的热梯度，并利用马氏体相变产生的膨胀应力抵消了残余拉应力，从而有效抑制了宏观冷裂纹：预热促进了组织的均匀化，使马氏体含量增加约50%，板条尺寸增大，并显著缩小了构件沿建造方向的硬度梯度差异：较高的激光功率可进一步优化胞状结构的尺寸分布。

本研究通过优化LPBF工艺解决了M50轴承钢成形缺陷，核心应用于航空轴承内部冷却流道一体化制造，可破解航空发动机轴承散热难题，助力发动机性能升级。同时可延伸至航空航天多类高端零部件及其他高端装备轴承制造，完善高碳高合金钢增材制造技术体系，应用前景广阔。

Fig. 3 Stress–strain curves of samples with and without substrate preheating.

Fig. 4 Schematic of the crack formation mechanism under different substratepreheating conditions.

关于团队

作者介绍

任忠鸣，上海大学教授/博导，国家杰出青年基金获得者、教育部“长江学者”特聘教授、国家百千万人才，、上海大学伟长学者，全国重点实验室副主任，我国磁场下材料制备研究的开创者之一。率领团队培养学生300余名，其中有多名学生获得国家级人才称号，也有学生获得法国科学院“法中奖”，被誉为中法科技合作的成功典范。面向国家重大需求，率领团队攻克多个国家“卡脖子”难题。推动上海大学建成首个国家重点实验室。主持获批上海大学首个国家自然科学基金重大项目及两机重大专项；获国家教学成果二等奖1项、上海市自然科学一等奖1项、上海市技术发明一等奖2项、教育部自然科学和科技进步二等奖各1项。

陈超越（通讯作者），上海大学教授/博导，上海市青年东方学者并入选上海青年英才扬帆计划。主要从事金属增材制造微观组织及性能调控和电磁下材料制备研究。主持国家自然科学基金3项、上海市科委科研项目3项、科技部国家重点研发计划子课题3项、中国商飞等企业合作项目4项。在Materials Today, Acta Materialia, Additive Manufacturing等期刊发表学术论文150余篇，总引用6000余次，ESI热点论文1篇、高被引论文4篇。连续四年入选美国斯坦福大学全球前2%科学家。现任中国金属学会增材制造分会委员、中国有色金属学会增材制造技术分会委员、中国机械工程学会增材制造技术分会委员、上海市机械工程学会第十五届理事会理事，担任Materials Research Letter等5个SCI期刊青年编委，机械工程材料等4个中文核心期刊青年编委。荣获2023年中国材料研究学会技术发明二等奖、2024年上海市技术发明二等奖。

侯雨阳（通讯作者），男，博士，国家海外人才专项获得者、上海市海外高层次人才。主持国家重点研发计划子课题、日本自然科学基金青年项目（JSPS若手项目）、上海市自然科学基金青年项目，参与国家自然科学基金、日本自然科学基金、日本文部科学省专项、企业横向课题十余项。基于连铸、焊接及增材制造技术，聚焦不锈钢与高温合金等先进特殊钢，开展凝固组织调控、凝固裂纹、力学性能与耐腐蚀性能研究。相关成果在《Corrosion Science》、《Material Science and Engineering A》、《Metallurgical and Materials Transactions A/B》等期刊发表研究论文40余篇，获授权专利7项。

赵睿鑫（通讯作者），上海大学材料科学与工程学院师资博士后，合作导师任忠鸣教授。主要从事金属增材制造与电磁冶金等方面研究，聚焦钛合金、高温合金及金属间化合物凝固-固态相变组织调控及性能评价。入选中国博士后科学基金会第77批面上资助，并作为核心成员参与国家自然科学基金重大项目、工信部“两机”重大专项和上海市科委基础项目等科研项目，累计发表学术论文38篇，总引用1400余次，ESI高被引论文1篇。担任Additive Manufacturing, Materials Science and Engineering: A, International Journal of Mechanical Science等期刊审稿人。

团队研究方向

团队长期致力于面向航空航天及能源领域的高性能金属材料制备科学与技术攻关，主要研究方向聚焦于激光增材制造过程中的微观组织调控、凝固缺陷抑制与性能优化。研究特色在于融合电磁冶金原理，创新性利用磁场等手段原位调控熔池凝固行为，并深入揭示激光制造中的热循环效应与固态相变规律，以实现从高温合金、钛合金到金属间化合物等关键材料的组织细化、取向控制与性能提升。团队在镍基单晶高温合金、TiAl金属间化合物及超高强钛合金的激光增材制造方面取得了系列突破，相关技术已服务于航空发动机、重型燃气轮机等关键部件的研制。

团队先后承担国家973计划、国家自然科学基金重点项目、国家重大科技专项课题及上海市重大专项等科研项目数十项，研究成果在 Corrosion Science、Materials Science and Engineering: A 等高水平期刊发表，并获得工程化应用，有力支撑了高性能金属构件的自主可控制造。

近年团队发表文章

[1]K. Guo, S. Xu, C. Sun, W. Yan, J. Yan, H. Yu, C. Wang, W. Xu, J. Li, Z. Bi, T. Hu, R. Zhao, J. Wang, C. Chen, Z. Ren, Challenges and opportunities in machine learning for metal additive manufacturing: data scarcity and interpretability, Materials Today 97 (2026) 103371.

[2]R. Wang, C. Chen, T. Cao, R. Zhao, Y. Hou, S. Xu, T. Hu, X. Li, W. Zhao, G. Ji, N. Ma, J. Wang, Z. Ren, Thermal distortion evolution and residual stress characteristics of Ti-6Al-4 V alloy by laser-directed energy deposition: In-situ monitoring, contour method, and XRD, Thin-walled Structures 211 (2025) 113131.

[3]C. Chen, T. Cao, C. Xie, S. Xu, T. Hu, H. Liao, J. Wang, Z. Ren, Recent progress in laser additive manufacturing of intermetallic alloys: Defects, microstructure, and mechanical properties, Additive Manufacturing Frontiers 4(1) (2025) 200187.

[4]T. Cao, C. Chen, D. Wei, R. Zhao, Y. Hou, L. Lu, T. Yang, L. Ke, W. Gong, T. Kawasaki, S. Harjo, L. Shi, L. Lei, J. Wang, Z. Ren, Microstructural evolution and mechanical instability of Mar-M509 superalloy fabricated by laser powder bed fusion under short-term thermal exposure, Materials Science and Engineering: A 940 (2025) 148534.

[5]Z. Zhang, R. Zhao, Y. Hou, X. Zhu, Z. Cao, S. Xu, L. Lu, J. Wang, C. Chen, Z. Ren, Unveiling intrinsic heat treatment effects on heterogeneous microstructure and mechanical property in laser-directed energy deposition of Ni-based single-crystal superalloys, Materials Characterization 232 (2026) 115979.

[6]T. Zhu, Y. Xie, B. Song, C. Chen, R. Zhao, Z. Ren, S. Yin, Bi-modal structured cold spray copper deposits enabling high strength and ductility, Materials & Design 257 (2025) 114432.

[7]Y. Peng, C. Chen, R. Zhao, Y. Hou, X. Li, L. Lu, A. Issariyapat, X. Du, L. Lei, J. Wang, Z. Ren, Strong and ductile metastable β titanium alloy via laser powder bed fusion through nitrogen interstitials and tailored microstructure, Materials Characterization 225 (2025) 115121.

[8]X. Pan, T. Cao, C. Chen, T. Hu, D. Guan, S. Xu, X. Li, L. Ke, E. Fan, L. Lan, J. Wang, Z. Ren, Ultra-strong Inconel 718 superalloy reinforced with in-situ formation of nano-scale carbides via laser powder bed fusion, Nano Materials Science (2025).

责任编辑：李 娜

责任校对： 金 程

审 核： 张 彤

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