随着增材制造设备加工技术的提高，加上材料的协调和材料的合理化，金属3D打印在工业化领域势必会越来越宽。 对于加工应用来说，要迎接这样的技术浪潮，了解金属3D打印的冶金加工已经成为必修课。
本期，3D科学谷将与顾友一起聚焦2024年不锈钢增材制造领域的重要进展。
3D打印金属材料 - 航空航天。
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不锈钢
制造业的中流砥柱
根据《洞察双相钢3D打印对汽车增材制造的意义》一文，为了实现汽车轻量化，高强度钢被广泛应用于汽车车身、底盘、悬架和转向部件。 其中，双相钢是一种基于相变的新型高强度钢，在显微组织方面，双相钢由较软的铁素体和硬相马氏体组成。 在力学性能方面，具有强度高、加工硬化指数、屈服比低等特点。 双相钢可以满足汽车多种结构件的使用，包括车身结构件——结构复杂的冲压件和非车身结构件——主要包括悬架件、底盘和车轮。
以不锈钢为核心部件，以轴承为例。
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根据3D科学谷市场研究战略合作伙伴Ampower的数据，2024年增材制造金属材料的全球销量约为6,852吨（约9.）。5亿欧元），预计2024年市场将达到4.4%，年增长率为44%。20,000吨（约30亿欧元），其中不锈钢有望达到1370,000吨。
2022 年全球金属材料消费量和 2027 年增长**
3D打印金属材料销量及**（吨）。
ampower
行业对不锈钢的关注往往与汽车制造有关，但不锈钢材料在航空航天、能源等领域的采用正呈现出需求多样化的趋势。 一个典型的例子是，SpaceX的主要努力之一是尽可能用不锈钢代替材料，最初避免更换暴露在高温富氧气体燃烧下的零件，但最终埃隆·马斯克成功地用不锈钢替换了大部分零件。 随着SpaceX建造一艘全尺寸的星际飞船，埃隆·马斯克（Elon Musk）表示，火箭的材料成本不会花费4亿至5亿美元，只有1000万美元，而且它将是一个可重复使用的航天器。 钢不仅成本低，而且熔点高，铬镍含量高的不锈钢即使在-160°C的温度下也能保持足够的延展性和强度。
不仅是航空航天，根据《中国核电研究设计院：核电用316L不锈钢粉末增材制造研究现状》，钢材在核电领域的应用也具有巨大的潜力，增材制造316L不锈钢的组织和性能是各向异性的，但各向异性可以通过增材制造后处理技术消除。 目前，增材制造最常用的后处理技术是热处理。 与锻造316L不锈钢相比，经HIP处理的增材制造的316L不锈钢具有更好的机械和辐照性能。目前，核不锈钢的增材制造技术仍处于起步阶段，后续应关注增材制造的成形机理和成形材料的中子辐照性能。
不锈钢材质。
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17-4 pH 不锈钢是一种沉淀硬化马氏体不锈钢，通常用于需要高强度和中等耐腐蚀性的应用。 是一种抗拉强度高的材料，牌号是最常用的不锈钢304和316的两倍。来自美国国家标准与技术研究院 （NIST）、威斯康星大学麦迪逊分校和阿贡国家实验室的一组研究人员已经确定了特定 17-4 钢成分这项新发现可以帮助17-4 pH值部件的生产商通过3D打印降低成本并提高制造灵活性。
根据NIST科学家Fan Zhang的说法，由于材料升温和冷却的速度如此之快，材料内部原子或晶体结构的排列变化迅速，难以确定。 在不了解3D打印钢的晶体结构发生了什么的情况下，研究人员多年来一直在尝试3D打印17-4 PH不锈钢，打印结果的晶体结构必须恰到好处，才能证明其备受追捧的材料特性。
X射线衍射（XRD）是材料科学与工程的基本技术，用于观察几毫秒内发生的快速结构变化提供有关明确定义的结构的信息，例如多层材料中的晶格或界面。 这项新研究也可能在17-4 ph钢领域引起轰动，并且基于XRD的方法也可用于优化其他合金，以实现更先进的3D打印特别是，XRD显示的信息可用于构建和测试旨在提高3D打印零件质量的计算机模型。
与锻造的316L不锈钢相比，增材制造的316L不锈钢观察到显着的异质滑移定位，观察到单元结构和低角度晶界控制初始塑性。 此外，滑移定位特征表明，增材制造材料的额外增强主要与作为位错森林型屏障的细胞结构有关。 增材制造的 316L 不锈钢比铸态或锻造不锈钢具有更高的屈服强度这与增材制造过程中发生的高冷却速率导致的微观蜂窝结构以及复杂的晶粒和亚晶粒结构有关。
来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、上海交通大学材料科学与工程学院轻合金精密成形国家工程研究中心、弗吉尼亚大学材料科学与工程系、加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员通过了“增材制造316L不锈钢中的异质滑移定位”。对增材制造316L材料在早期塑性应变下的微观结构和滑移定位进行了统计和定量研究。这些研究提供的证据是：增材竣工材料中亚晶粒微观结构特征的不均匀性密切控制了滑动变形，从而控制了增材制造材料的强度。
2024年，南华大学机械工程学院邱长军教授团队将利用激光熔池的淬火，诱导碳氧杂质元素形成短程有序的间隙原子团簇，产生显著的强化增韧效果，拓展激光增材高强韧性奥氏体不锈钢成分设计新范围， 并成功开发了高强度和中碳奥氏体不锈钢材料及制备技术，大大降低了成本。原创研究成果基于金属领域国际一流期刊《遨问学报》（Acta Materials， Chinese Academy of Sciences， Zone 1， IF： IF： 9）。第209页）。
邱长军教授团队将激光熔池的快速冷却特性与金属间隙固溶强化的基本原理相结合充分利用激光熔池的快速冷却，产生“间隙原子过饱和溶液强化”效果的激光增材制造专用材料设计新思路。将传统奥氏体不锈钢中需要严格控制的杂质碳含量提高到04~0.46%，杂质氧含量控制在一般技术范围内 < 0055%，已开发激光增材制造用高强韧性奥氏体中碳铁基合金材料在保证耐腐蚀性和韧性不降低的前提下，抗拉强度从约650MPa提高到近1GPA研究结果为设计具有增强间隙杂质的激光增材制造高性能不锈钢材料提供了科学依据。
迄今为止，激光粉末床熔融（L-PBF）和后热处理过程中微观结构不均匀性的演变尚未得到系统的量化和研究。 一方面，需要了解激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造技术诱导的液-固和固-固相变及其对低合金钢微观组织不均匀性形成的影响。 另一方面，L-PBF固有的独特热分布为L-PBF在竣工状态下获得特定微观结构提供了可能性。 为了积极利用这种可能性，对潜在的相变有深刻的理解是必不可少的。
亚琛工业大学在MATAM项目（汽车工业增材制造高性能材料设计）框架内进行的一项研究“增材制造低合金钢微观结构异质性的演变”研究了L-PBF固有性能和后热处理对双相低合金（DPLA）的影响，潜在的液-固和固-固相相变的作用以及钢的相关微观组织演变。 多尺度微观结构表征与多相场模拟相结合，以获得对相变机理和由此产生的微观结构异质性的基本见解。此外，还批判性地讨论了L-PBF诱导的成分和形态异质性对热处理状态下显微组织演变和相应拉伸性能的影响。
为了探究低合金多相钢在增材制造和增材制造后热处理过程中组织不均匀性的影响和演变，亚琛工业大学的研究人员利用激光粉末床熔融（L-PBF）技术加工了成分类似于DP600双相钢的低合金钢。 随后，进行了两次L-PBF后热处理，获得了铁素体-马氏体DP显微组织。 第一次热处理包括奥氏体化，然后在铁素体（奥氏体（区域（AIH））中保持等温，而第二次热处理包括该区域的临界间退火（IC）。 竣工状态表现出回火马氏体微观结构，具有弱（几乎随机）的晶体结构以及成分和形貌的不均匀性。
关于不锈钢3D打印的更深入分析，请参考3D科学谷发布的《不锈钢3D打印》
l 参考资料：
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