随着增材制造设备加工技术的提升，加之材料的配合以及价格的合理化，金属3D打印势必在产业化领域的道路越来越宽。而对于加工应用方来说，要迎接这样的技术浪潮，了解金属3D打印的冶金加工学就成为必修课。
本期3D科学谷将与谷友一起聚焦2023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《洞悉双相钢3D打印对汽车增材制造的意义》一文，为了实现汽车轻量化，高强度钢大量应用于汽车车身、底盘、悬架和转向零件上。其中，双相钢是以相变为基础的新型高强度钢，在微观组织上，双相钢是以较软的铁素体加硬相马氏体所构成。在力学性能上，同时具有高的强度和加工硬化指数、低屈强比的特点。双相钢能满足汽车多种结构件的使用，包括用作车身结构件-为结构复杂的冲压件以及非车身结构件-主要包括悬挂件、底盘和车轮等。
不锈钢作为核心零件应用举例-轴承
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根据3D科学谷市场研究战略合作伙伴AMPower, 2022年全球增材制造金属材料的销量大约为6852吨（约9.5亿欧元），该市场有望以44%的年增长率在2027年达到4.2万吨（约30亿欧元），其中不锈钢将有望达到1.37万吨。
2022年全球金属材料消耗量及2027年增长预测
3D打印金属材料销量及预测（吨）
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业界对不锈钢的关注通常跟汽车制造领域相关联，不过航空航天、能源等领域对不锈钢材料的采用正在呈多样化需求发展趋势。一个典型的案例是SpaceX的一大努力是将材料经可能多的用不锈钢来替代，最初能避免被替换掉的是那些暴露在高温富氧气体燃烧环境中的零件，但最终Elon Musk成功地将大部分零件材料都换成了不锈钢。在SpaceX建造全尺寸星舰（Starship）之际，Elon Musk表示，由于使用了钢材，因此一枚火箭的材料花费不需要4-5亿美元，仅需1000万美元，并且它将是可重复使用的飞船 。钢不仅仅低成本，一个重要优势是其熔点高，其中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。
不仅仅是航空航天，根据《中国核动力研究设计院：核电用316L不锈钢粉末增材制造研究现状》，钢在核电领域的应用也颇具潜力，增材制造316L不锈钢的组织与性能存在各向异性，但各向异性可通过增材制造的后处理技术消除。目前增材制造最为常用的后处理技术为热处理。与锻造316L不锈钢相比，经热等静压处理的增材制造316L不锈钢的力学性能与辐照性能更优。目前，核用不锈钢的增材制造技术还处于起始阶段，后续应重点关注增材制造的成形机理及成形材料中子辐照性能等内容。
不锈钢材料
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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适度耐腐蚀性的应用中。是一种具有高抗拉强度的材料，该牌号的强度是最常用的不锈钢 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的 17-4 钢成分，新发现可以帮助 17-4 PH 零件的生产商通过3D 打印来降低成本并提高制造灵活性。
根据NIST科学家张帆，由于材料加热和冷却如此迅速，材料内原子的排列或晶体结构迅速变化，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 – 一种称为马氏体的材料 – 才能展示其备受追捧的材料特性。
通过X 射线衍射 (XRD) 观察在毫秒内发生的结构快速变化，是材料科学和工程的一项基础技术，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，而且基于 XRD 的方法还可以用于优化其他合金以进行更可预测的3D 打印，尤其是XRD 所揭示的信息可用于构建和测试旨在预测3D打印零部件质量的计算机模型。
与锻造 316L 不锈钢相比，在增材制造的 316L 不锈钢中观察到显着的异质滑移局部化，观察细胞结构和低角度晶界以控制初始塑性。此外，滑移定位特征表明增材制造材料的额外强化主要与充当错位林型障碍的细胞结构有关。增材制造的 316L 不锈钢显示出比铸态或锻造不锈钢高得多的屈服强度，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和复杂的晶粒和亚晶粒结构有关。
来自美国伊利诺伊大学香槟分校，上海交通大学材料科学与工程学院轻合金精密成型国家工程研究中心，弗吉尼亚大学材料科学与工程系，加州大学圣巴巴拉分校的研究人员通过《Heterogeneous slip localization in an additively manufactured 316L stainless steel》论文，对 AM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。此类研究提供的证据表明，增材制造竣工材料中亚晶粒微观结构特征的不均匀性密切控制着滑动变形，从而控制着增材制造材料的强度。
2023年，南华大学机械工程学院邱长军教授团队利用激光熔池急冷诱导碳氧杂质元素形成间隙原子短程有序团簇，产生显著强韧化效应，拓展了激光增材专用高强韧奥氏体不锈钢成分设计新区间，成功开发了高强韧中碳奥氏体不锈钢材料和制备技术，大幅降低了成本。相关原创性研究成果以“An exceptionally strong, ductile and impurity-tolerant austenitic stainless steel prepared by laser additive manufacturing”（激光增材制备高强韧高杂质容忍度奥氏体不锈钢的研究）为题在金属领域国际一流期刊Acta Materialia（《材料学报》，中科院1区，IF：9.209）发表。
邱长军教授团队将激光熔池快冷特性和金属间隙固溶强化基本原理相结合，提出了充分利用激光熔池快冷产生“间隙原子过饱和固溶强化”效应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严控的杂质碳含量提高到0.4~0.46%、杂质氧含量控制在通用技术所及的的<0.055%，研发了激光增材制造专用高强韧奥氏体型中碳铁基合金材料，在确保抗蚀性、韧性不下降前提下，将其抗拉强度从650MPa左右提升至近1GPa，该项研究成果为间隙杂质强化的激光增材专用高性能不锈钢材料设计提供了科学依据。
迄今为止，激光粉末床熔融 (L-PBF) 技术 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-固以及固-固相变及其对低合金钢微观结构不均匀性形成的影响。另一方面，L-PBF 固有的独特热分布引入了在竣工状态下获得 L-PBF 特定微观结构的可能性。为了积极利用这种可能性，对潜在相变的深刻理解至关重要。
亚琛工业大学在MatAM 项目（汽车行业增材制造高性能材料设计）的框架内完成的一项研究《Evolution of microstructural heterogeneities in additively manufactured low-alloy steel》探究了 L-PBF 固有特性和后热处理对双相低合金 (DPLA) 钢潜在液-固和固-固相变以及相关微观结构演变的作用。多尺度微观结构表征与多相场模拟相结合，以获得对相变机制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 引起的成分和形态异质性对热处理状态微观结构演变和相应拉伸性能的影响。
为了探索增材制造和增材制造后热处理过程中低合金多相钢微观结构不均匀性的影响和演变，亚琛工业大学的研究人员采用激光粉末床熔融（L-PBF）技术加工成分与 DP600 双相钢类似的低合金钢。随后，进行两次L-PBF后热处理以获得铁素体-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 (α)/奥氏体 (γ) 区域 (AIH) 进行等温保持，而第二次热处理包括在 α/γ 区域进行临界间退火 (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态的不均匀性。
更多不锈钢3D打印的深入分析，请参考3D科学谷发布的《不锈钢3D打印白皮书》。
l 参考资料：
中国核动力研究设计院：核电用316L不锈钢粉末增材制造研究现状
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