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譚超林/周克崧團隊：增材制造高強耐磨SiC增強馬氏體時效鋼

2022-09-26 15:05:43 作者：研之成理來源：研之成理分享至：

激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技術憑借其獨特的沉積方式和多材料原位合金化的優勢，在制備復雜結構高性能金屬基復合材料（MMCs）上得到廣泛應用。陶瓷顆粒密度低，但硬度和模量高于大多數金屬材料，常被用作增強相來改善金屬基體的性能。陶瓷增強鐵基復合材料(IMMCs)的研究受到越來越多的關注，但是，目前此類復合材料的基體主要采用延展性優異的316L奧氏體不銹鋼，而較少使用馬氏體高強鋼作為基體。馬氏體時效鋼是一種典型的馬氏體高強鋼，具有良好的激光成形性、較高的強度和良好的韌性。目前LPBF馬氏體時效鋼已經成功并廣泛應用于隨形冷卻模具。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一步提高馬氏體高強鋼的強度和耐磨性能，進而提高LPBF成型的馬氏體時效鋼零件的使用壽命。

該文章采用LPBF制備SiC增強C300馬氏體時效鋼復合材料，研究了激光工藝參數對沉積樣品密度、粗糙度和硬度的影響規律，闡明了SiC含量對合金組織、力學性能、摩擦學性能和耐磨性的影響，為具有復雜構型的金屬基復合材料模具在產業界的潛在應用提供了新思路。

01 研究內容

1. LPBF制備馬氏體高強鋼的工藝參數優化

采用LPBF制備了含量為3、6、9、12、15、18 vol% SiC顆粒增強馬氏體高強鋼基復合材料。以體積激光能量密度Ev圖片（圖片Ev=P/（v×t×h））為參考，探討試樣的表面粗糙度、孔隙度、硬度與工藝參數的關系。表面粗糙度的結果顯示，Ev和P的減少會降低熔池的流動性和潤濕性，兩者的增加則會導致熔池表面張力上升，同時，圖片Ev的增加會加劇馬蘭戈尼效應引起的質量對流，從而在試樣中形成冶金缺陷，三者都會導致表面粗糙度增加。孔隙度的結果顯示，圖片Ev（< 89 J/mm3 圖片)較低易導致粉末熔化不完全，圖片Ev（> 131 J/mm3圖片)較高易產生小孔效應，導致孔隙的形成。此外，圖片圖片Ev相同時，在一定范圍內，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生的孔洞，從而降低孔隙率。硬度的結果顯示，較低的能量易使粉末熔化不完全，較高的能量易誘發小孔效應和導致元素燃燒損失，從而降低硬相含量和硬度值。添加了3-12 vol% SiC的馬氏體高強鋼基復合材料的相對密度高于99.4%，進一步增加SiC含量導致高孔隙率。

圖1 激光參數對LPBF制備的M9 MMCs表面粗糙度和孔隙率的影響

圖2 激光參數對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含量對合金組織的影響

通過LPBF成功制備了陶瓷顆粒分散均勻的馬氏體高強鋼基復合材料，發現SiC顆粒的數量會隨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，失配區域和位錯密度增加。同時，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促進非均相成核，提高成核速率，導致晶粒細化。

圖3 SiC顆粒在LPBF處理(a) M9和(b) M12樣品中的分布圖片

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含量對力學性能的影響

隨著SiC含量的增加，馬氏體高強鋼基復合材料的硬度逐漸提高，最高可達618 圖片HV0.1。它的延性變化趨勢相反，隨著SiC含量的增加而逐漸降低至5.3%。它的極限抗拉強度(UTS)的變化趨勢不同，在SiC含量為3 vol%時達到最高極限抗拉強度1611 MPa，遠高于馬氏體高強鋼的極限抗拉強度。

圖5 LPBF生產的MMCs的硬度和(b)拉伸性能

4. SiC含量對摩擦磨損性能的影響

馬氏體高強鋼基復合材料樣品的摩擦系數隨SiC含量的增加而略有降低，但都低于馬氏體高強鋼的摩擦系數。馬氏體高強鋼的磨損機制主要為粘著磨損，馬氏體高強鋼基復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，磨粒磨損成為復合材料的主要磨損機制。

圖6 摩擦磨損試驗后MS和MMCs磨損表面的掃描電鏡圖像

5. SiC含量對耐腐蝕性能的影響

實驗發現，添加SiC對耐蝕性沒有明顯的不利影響，當SiC的添加量大于6 vol%時，C300 馬氏體高強鋼的耐蝕性有輕微提高的趨勢。

表1 LPBF法制備的M S和M MCs試樣的腐蝕性能

02 總結

采用LPBF法對SiC增強C300馬氏體時效鋼基復合材料進行了工藝優化、組織、力學性能、摩擦學性能和耐蝕性研究。主要結論：（1）以9 vol% SiC增強馬氏體高強鋼基復合粉末的制備結果為基礎，優化了馬氏體高強鋼基復合材料的LPBF工藝參數，即P=280 W, v=950 mm/s, h=110 μm和Ev=89圖片 J/mm3。（2）激光處理后SiC顆粒在金屬基體中分布均勻。SiC含量為3 vol%的馬氏體高強鋼基復合材料的抗拉強度最高，達到1611 MPa，遠高于馬氏體高強鋼，斷裂伸長率為10.1%。（3）與馬氏體高強鋼相比，添加SiC顆粒的馬氏體高強鋼基復合材料的耐磨性和耐蝕性都有所提高。

03 作者簡介

譚超林，新加坡制造技術研究院Scientist和博士生導師。長期從事金屬增材制造(3D打印)研究。獲英國伯明翰大學榮譽研究員、廣州市青年托舉人才和國際先進材料協會(IAAM)杰出科學家獎等榮譽。主持和參與新加坡基礎研究項目和重大專項多項。以第一作者發表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。擔任機械與制造領域頂刊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。同時擔任SCI期刊《中國有色金屬學報》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 等國內外10余種SCI期刊的審稿人。

周克崧，材料與表面工程專家，博士生導師，1965年畢業于清華大學，1980-1982年美國紐約州立大學訪問學者，2009年當選中國工程院化工、冶金與材料工程學部院士。周克崧院士主要從事熱噴涂、薄膜和激光等現代表面工程技術方面的研究和工程化應用工作，成功研制了國內首臺機器人控制的大型低壓等離子噴涂設備，并率先將低壓等離子噴涂技術成功應用于航空發動機渦輪葉片中；在低壓等離子噴涂、等離子噴涂-物理氣相沉積、熱噴涂技術替代電鍍硬鉻、復合表面工程技術等方面進行了許多開創性的研究和工程化應用工作，提出了熱障涂層鍍鋁原位改性等一系列創新性學術觀點，多項技術已經成功應用于航空、鋼鐵、包裝印刷和核能等國民經濟部門。先后承擔和主持了國家973、863等科研項目和省市項目40多項。獲國家科技進步二等獎1項，省部級一等獎3項、二等獎10項、三等獎7項。發表論文200余篇，編著、參編著作3部。先后兩次獲國防配套先進工作者，并獲全國優秀科技工作者等榮譽。（來源：中國工程院院士館官網、廣東省科學院官網）

04 文章信息

Chaolin Tan, Wenyou Ma, Cheng Deng, Danli Zhang, Kesong Zhou,Additive manufacturing SiC-reinforced maraging steel: Parameter optimisation,microstructure and properties, Adv. Powder Mater., 2023,2,100076. https://doi.org/10.1016/ j.apmate.2022.100076

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