高強度調質鋼優異的力學性能在關鍵部件制造方面引起了一定關注。這些零件在使用過程中會產生集中的應力和應變，不可避免地會造成各種損傷，設備停機所造成的經濟損失遠遠大于再制造同一件零件的成本。因此，發展快速修復技術具有重要的經濟意義。隨著增材制造(AM)技術的發展，基于激光熔覆和快速成型技術的快速修復技術逐漸發展起來，如激光立體成型(LSF)和直接能量沉積(DED)技術。激光立體成型(LSF)技術可以快速制造和修復性能優越的高強度鋼零件，但加工過程中的熱輸入難以量化，對零件的組織和力學性能有很大影響。精確控制熱輸入，探索熱輸入與組織和力學性能的關系，是提高低合金鋼零件成型效率和質量的有效途徑。為了實現零件的完美修復和再制造，準確地了解熱輸入與修復區和熱影響區組織和力學性能之間的關系非常重要。

南昌航空大學的研究人員采用LSF技術制造了34CrNiMo6高強鋼，用無量綱數反求出了LSF過程中所用的實驗參數。觀察了LSF零件的微觀組織差異；研究了熱處理前后硬度、強度、伸長率等性能的變化；闡明了熱輸入對高強鋼LSF的綜合影響。相關論文以題為“Effect of dimensionless heat input during laser solid forming of high-strength steel”發表在Journal of Materials Science& Technology。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.038

本研究采用了粉末尺寸小于150μm的球形34CrNiMo6合金粉末。將粉末在真空干燥爐中烘干150℃×2h，使用變形后的34CrNiMo6合金板，尺寸為100mm、60mm、6mm，LSF前用碳化硅紙打磨表面，用丙酮清洗。

為消除實驗中其他變量的干擾，引入無量綱熱輸入Q*。預先設計Q*值，用于計算進行LSF實驗的實驗參數。無量綱熱輸入(Q*)作為唯一變量，和系統的復雜的變量被集成到一個統一的評價指標，它提供了一種測量單位面積上的能量沉積的方法。

式中P、r分別為激光功率和光束直徑。P0和r0分別為參考激光功率和光束直徑。在本文中，為了便于比較，將A組的SE設置為SE0。設計Q*A:Q*B:Q*C=1:2:3，實際Q*A:Q*B:Q*C=1:1.9:2.9。

研究發現熱輸入直接影響LSF高強度鋼頂部的組織。當Q*=1時，高冷卻速率導致板條馬氏體的形成。增加熱輸入會減緩凝固速率并降低頂部的溫度梯度，導致不同Q*值下形成不同的微觀組織。熱輸入間接影響了底部的微觀結構，雖然所有樣品均為回火馬氏體，但當Q*=1時，晶粒細小均勻；在Q*=1.9時，鐵素體變粗；在Q*=2.9時，出現了許多棒狀碳化物。熱輸入改變了原始組織，經過不同的熱循環后，碳化物的形貌有明顯的差異，隨著Q*的增加碳化物變得更粗。

圖1 不同熱輸入條件下LSF鋼塊的宏觀組織

(a) Q*=1；(b) Q*=1.9；(c) Q*=2.9；(d)單道沉積的尺寸 

圖2 34CrNiMo6鋼A組(Q*=1)截面圖像

(a)頂部；(b)中；(c)下；1為OM；2為SEM

圖3 34CrNiMo6鋼B組(Q*=1.9)截面圖像

(a)頂部；(b)中；(c)下；1為OM；2為SEM

圖4 34CrNiMo6鋼C組(Q*=2.9)截面圖像

(a)頂部；(b)中；(c)下；1為OM；2為SEM

圖5 不同熱輸入條件下LSF樣品的頂部和底部示意圖

(a)熔池和熱影響區；(b)熱循環曲線

熱輸入對機械性能也有一定影響。顯微硬度呈先降低后逐漸穩定的趨勢。穩定區硬度隨Q*值的增加而降低，最低硬度約為190 HV(Q*=2.9)。同樣，隨著Q*值的增加，LSF試樣的抗拉強度和屈服強度大幅降低，最小值分別為735和604MPa(Q*=2.9)。熱輸入對熱處理有顯著影響。Q*=1樣品經過調質(QT)后的拉伸強度和屈服強度略有提高(約9%)，而Q*=2.9樣品的拉伸強度提高約29%，屈服強度提高約44%。本文為LSF技術在關鍵設備高強度鋼零件制造和維修中的應用提供了科學依據。