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(yōu)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(shù)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(yōu)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(jīng)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。

       廣東省科學院新材料研究所周克崧院士、新加坡制造技術研究院譚超林博士等學者，在研究工作中采用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(shù)對沉積樣品密度、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(chǎn)業(yè)界的潛在應用提供了新思路。

相關論文以’Additive manufacturing SiC-reinforced maraging steel: Parameter optimisation, microstructure and properties’為題，發(fā)表在Advanced Powder Materials期刊。

原文下載鏈接：
https://wws.lanzouj.com/isamJ0c2p0je

 LPBF 馬氏體高強鋼的工藝參數(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(shù)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(zhì)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。

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

孔隙度的結果顯示，Ev（< 89 J/mm3 )較低易導致粉末熔化不完全，Ev（> 131 J/mm3)較高易產(chǎn)生小孔效應，導致孔隙的形成。此外，Ev相同時，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2 激光參數(shù)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

 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(fā)現(xiàn)SiC顆粒的數(shù)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(qū)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。

 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(chǎn)的MMCs的硬度和(b)拉伸性能

 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(shù)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(shù)。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(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

 SiC含量對耐腐蝕性能的影響

實驗發(fā)現(xiàn)，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MS和MMCs試樣的腐蝕性能圖片

 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(yōu)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(yōu)化了馬氏體高強鋼基復合材料的LPBF工藝參數(shù)，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。

(責任編輯：admin)

• 逐夢生物3D打印人造組織器
• 16歲高中生“手搓”折疊屏
• 3D Systems 創(chuàng)始人Chuck H
• 吳鑫華院士領銜建設蘇州大
• 武漢三維陶瓷總經(jīng)理馬濤：
• 李方正：中國增材制造產(chǎn)業(yè)

• ·逐夢生物3D打印人造組織器官—博士生梁
• ·16歲高中生“手搓”折疊屏手機！3D打印
• ·3D Systems 創(chuàng)始人Chuck Hull當選美國
• ·吳鑫華院士領銜建設蘇州大學金屬材料與
• ·武漢三維陶瓷總經(jīng)理馬濤：工業(yè)化應用落
• ·李方正：中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展洞悉暨《
• ·張麗娟：增材制造技術發(fā)展動態(tài)，德國Fr
• ·楊曉光：增材制造裝備可靠性檢測賦能新