文章題目：Additive manufacturing SiC-reinforced maraging steel: Parameter optimisation, microstructure and properties

第一作者：譚超林

通訊作者：譚超林，周克崧

激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技術(shù)憑借其獨(dú)特的沉積方式和多材料原位合金化的優(yōu)勢(shì)，在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)高性能金屬基復(fù)合材料（MMCs）上得到廣泛應(yīng)用。陶瓷顆粒密度低，但硬度和模量高于大多數(shù)金屬材料，常被用作增強(qiáng)相來(lái)改善金屬基體的性能。陶瓷增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料（IMMCs）的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注，但是，目前此類(lèi)復(fù)合材料的基體主要采用延展性?xún)?yōu)異的316L奧氏體不銹鋼，而較少使用馬氏體高強(qiáng)鋼作為基體。馬氏體時(shí)效鋼是一種典型的馬氏體高強(qiáng)鋼，具有良好的激光成形性、較高的強(qiáng)度和良好的韌性。目前LPBF馬氏體時(shí)效鋼已經(jīng)成功并廣泛應(yīng)用于隨形冷卻模具。高硬度和高激光吸收率的SiC顆粒可以有效強(qiáng)化基體，并提高激光吸收率，改善材料的可成型性。此外，添加陶瓷顆粒可以進(jìn)一步提高馬氏體高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度和耐磨性能，進(jìn)而提高LPBF成型的馬氏體時(shí)效鋼零件的使用壽命。

近日，譚超林等人在Advanced Powder Materials上發(fā)表題為“Additive manufacturing SiC-reinforced maraging steel: Parameter optimisation, microstructure and properties”的文章。該文章采用LPBF制備SiC增強(qiáng)C300馬氏體時(shí)效鋼復(fù)合材料，研究了激光工藝參數(shù)對(duì)沉積樣品密度、粗糙度和硬度的影響規(guī)律，闡明了SiC含量對(duì)合金組織、力學(xué)性能、摩擦學(xué)性能和耐磨性的影響，為具有復(fù)雜構(gòu)型的金屬基復(fù)合材料模具在產(chǎn)業(yè)界的潛在應(yīng)用提供了新思路。

研究?jī)?nèi)容

（1）LPBF制備馬氏體高強(qiáng)鋼的工藝參數(shù)優(yōu)化

采用LPBF制備了含量為3、6、9、12、15、18 vol% SiC顆粒增強(qiáng)馬氏體高強(qiáng)鋼基復(fù)合材料。以體積激光能量密度：Ev（Ev=P/（v x t x h））為參考，探討試樣的表面粗糙度、孔隙度、硬度與工藝參數(shù)的關(guān)系。表面粗糙度的結(jié)果顯示，Ev和P的減少會(huì)降低熔池的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，兩者的增加則會(huì)導(dǎo)致熔池表面張力上升，同時(shí)，Ev的增加會(huì)加劇馬蘭戈尼效應(yīng)引起的質(zhì)量對(duì)流，從而在試樣中形成冶金缺陷，三者都會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度增加。孔隙度的結(jié)果顯示，Ev（< 89 J mm?）較低易導(dǎo)致粉末熔化不完全，（Ev> 131 J mm?）較高易產(chǎn)生小孔效應(yīng)，導(dǎo)致孔隙的形成。此外，Ev相同時(shí)，在一定范圍內(nèi)，隨著熔池穿透深度隨P增大而增大，可以有效改善因熔融不足產(chǎn)生的孔洞，從而降低孔隙率。硬度的結(jié)果顯示，較低的能量易使粉末熔化不完全，較高的能量易誘發(fā)小孔效應(yīng)和導(dǎo)致元素燃燒損失，從而降低硬相含量和硬度值。添加了3-12 vol% SiC的馬氏體高強(qiáng)鋼基復(fù)合材料的相對(duì)密度高于99.4%，進(jìn)一步增加SiC含量導(dǎo)致高孔隙率。

圖1 激光參數(shù)對(duì)LPBF制備的M9 MMCs表面粗糙度和孔隙率的影響

圖2 激光參數(shù)對(duì)LPBF制備的M9 MMCs （a）顯微硬度的影響，以及（b）不同SiC含量的LPBF制備的MMCs的孔隙率和阿基米德密度

（2）SiC含量對(duì)合金組織的影響

通過(guò)LPBF成功制備了陶瓷顆粒分散均勻的馬氏體高強(qiáng)鋼基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)SiC顆粒的數(shù)量會(huì)隨SiC含量的增加而顯著增加。隨著SiC顆粒的增加，高角度晶界（HAGBs）增加，失配區(qū)域和位錯(cuò)密度增加。同時(shí)，SiC顆粒的增加使得試樣的平均晶粒尺寸降低，其原因可能是添加陶瓷會(huì)促進(jìn)非均相成核，提高成核速率，導(dǎo)致晶粒細(xì)化。

圖3 SiC顆粒在LPBF處理（a） M9和（b） M12樣品中的分布

圖4 M6和M9 MMCs樣品的EBSD分析：（a） M6的IPF和PFs，（b） M6的晶界圖，（c） M9的IPF和PFs，（d） M9的晶界圖，（e） M6和M9的晶粒尺寸分布，（f）和（g）分別為M6和M9的KAM圖

（3）SiC含量對(duì)力學(xué)性能的影響

隨著SiC含量的增加，馬氏體高強(qiáng)鋼基復(fù)合材料的硬度逐漸提高，最高可達(dá)618。它的延性變化趨勢(shì)相反，隨著SiC含量的增加而逐漸降低至5.3%。它的極限抗拉強(qiáng)度（UTS）的變化趨勢(shì)不同，在SiC含量為3 vol%時(shí)達(dá)到最高極限抗拉強(qiáng)度1611 MPa，遠(yuǎn)高于馬氏體高強(qiáng)鋼的極限抗拉強(qiáng)度。

圖5 LPBF生產(chǎn)的MMCs的硬度和（b）拉伸性能

（4）SiC含量摩擦磨損性能的影響

馬氏體高強(qiáng)鋼基復(fù)合材料樣品的摩擦系數(shù)隨SiC含量的增加而略有降低，但都低于馬氏體高強(qiáng)鋼的摩擦系數(shù)。馬氏體高強(qiáng)鋼的磨損機(jī)制主要為粘著磨損，馬氏體高強(qiáng)鋼基復(fù)合材料磨損軌跡以顆粒磨屑為主，這些顆粒是磨粒磨損的產(chǎn)物，抑制了粘著磨損程度，隨著SiC添加量的增加，磨粒磨損成為復(fù)合材料的主要磨損機(jī)制。

圖6 摩擦磨損試驗(yàn)后MS和MMCs磨損表面的掃描電鏡圖像

（5）SiC含量對(duì)耐腐蝕性能的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加SiC對(duì)耐蝕性沒(méi)有明顯的不利影響，當(dāng)SiC的添加量大于6 vol%時(shí)，C300 馬氏體高強(qiáng)鋼的耐蝕性有輕微提高的趨勢(shì)。

表1 LPBF法制備的MS和MMCs試樣的腐蝕性能

總結(jié)

采用LPBF法對(duì)SiC增強(qiáng)C300馬氏體時(shí)效鋼基復(fù)合材料進(jìn)行了工藝優(yōu)化、組織、力學(xué)性能、摩擦學(xué)性能和耐蝕性研究。主要結(jié)論：

以9 vol% SiC增強(qiáng)馬氏體高強(qiáng)鋼基復(fù)合粉末的制備結(jié)果為基礎(chǔ)，優(yōu)化了馬氏體高強(qiáng)鋼基復(fù)合材料的LPBF工藝參數(shù)，即P=280 W, v=950 mm/s, h=110 μm和Ev=89 J/mm?。

激光處理后SiC顆粒在金屬基體中分布均勻。SiC含量為3 vol%的馬氏體高強(qiáng)鋼基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到1611 MPa，遠(yuǎn)高于馬氏體高強(qiáng)鋼，斷裂伸長(zhǎng)率為10.1%。

與馬氏體高強(qiáng)鋼相比，添加SiC顆粒的馬氏體高強(qiáng)鋼基復(fù)合材料的耐磨性和耐蝕性都有所提高。

作者簡(jiǎn)介

譚超林，新加坡制造技術(shù)研究院Scientist和博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事金屬增材制造（3D打印）研究。獲英國(guó)伯明翰大學(xué)榮譽(yù)研究員、廣州市青年托舉人才和國(guó)際先進(jìn)材料協(xié)會(huì)（IAAM）杰出科學(xué)家獎(jiǎng)等榮譽(yù)。主持和參與新加坡基礎(chǔ)研究項(xiàng)目和重大專(zhuān)項(xiàng)多項(xiàng)。以第一作者發(fā)表SCI論文23篇和通訊作者SCI論文6篇，其中影響因子大于9.4的論文14篇，H-index 20。擔(dān)任機(jī)械與制造領(lǐng)域頂刊International Journal of Machine Tools and Manufacture （IF 10.33）編委和International Journal of Extreme Manufacturing （IF 10.03）青年編輯。同時(shí)擔(dān)任SCI期刊《中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)》中、英文版和Rare Metals期刊青年編委。是Nat. Commun., Int. J. Mach. Tools Manuf., Addit. Manuf., Mater. Des., Compos. B. Eng, JMST 等國(guó)內(nèi)外10余種SCI期刊的審稿人。