超高强度钢具有优异的综合力学性能，其先进制造技术引起了人们的极大兴趣。增材制造的超高强度钢具有独特的微观结构，为实现良好的力学性能提供了巨大的潜力。
直接打印的超高强度钢虽然存在组织缺陷，但其组织细密、元素固溶度过饱和、无宏观偏析钢材加工 系数，对提升钢材力学性能具有很大的潜力。后处理是实现其潜力的重要因素。例如，热处理可以使超高强度钢获得较多的残余奥氏体、马氏体和贝氏体，从而提高零件的延展性和韧性。热处理还可以消除微观偏析，显著提高零件的冲击韧性。此外，机加工可以有效改善零件表面的表面光洁度、尺寸精度和残余应力状态。
近日，重庆大学科研人员与新加坡科技署材料研究所、中山大学、英国埃克塞特大学、美国德克萨斯大学等单位联合综述了超高强度钢增材制造技术的最新研究进展，本文主要介绍超高强度钢增材制造后处理技术的研究部分。
不同钢材的强度-延展性图
典型的超高强度钢开发顺序
1.热处理
热处理被广泛报道为增材制造的主要后处理。回火热处理可使组织均质化，消除织构特征。LMD制备的钢抗裂性能差，疲劳裂纹沿晶界扩展（沿晶断裂）导致裂纹扩展速率各向异性。回火后，疲劳裂纹扩展由沿晶断裂转变为穿晶断裂方式，抗疲劳裂纹扩展性能明显提高。研究发现，AF185钢回火后的组织主要由板条马氏体和沿板条边界的薄膜状逆奥氏体组成（图8a和b中白色箭头）。505℃回火后，马氏体间的奥氏体厚度很薄，而515℃回火后，奥氏体的宽度和体积分数明显增加。热处理钢碳复制品的TEM工作如图8c和d所示。 回火后组织中的析出相可识别为3种类型的碳化物，分别为球状MC和M23C6碳化物（图8e、f）以及短棒状M2C碳化物（图8g）。随着回火温度的升高，组织中的碳化物类型没有发生改变，但尺寸变粗。这种变化导致抗拉强度大幅提高，伸长率略有提高，综合力学性能较好。
图8 不同回火温度下钢的微观结构演变：（a）505°C和（b）515°C回火，（c）和（d）回火奥氏体的TEM图像：（e）MC沉淀物，（f）M2C沉淀物，和（g）M23C6沉淀物的SAD。
固溶和时效热处理能够通过析出大量金属间化合物来沉淀强化超高强度钢。通过SLM制备的15-5PH不锈钢经标准时效处理后，形成了细小的富铜沉淀物，获得了较高的屈服强度和硬度。然而，材料变脆，导致伸长率低，磨损率增加。随着时效温度的升高，牺牲屈服强度和硬度来获得更高的伸长率和更低的磨损率。固溶处理使微观组织均匀，降低了其各向异性。同时发现延长固溶时间可以提高均匀性。对马氏体时效钢进行了不同形式的热处理。图9a-c为直接打印样品的微观组织，其中可以清楚地看到由细小的胞状结构组成的熔点边界。经过时效热处理后，熔点边界逐渐模糊，经过长时间的时效后熔点边界终于消失（图9df），而经过半小时的固溶处理（9g-i）后熔点边界也消失了。 经固溶时效处理后，熔池边界很快完全消失，组织更加均匀（图9j-l）。因此，时效前固溶处理促使时效前组织的快速均匀化。另外，固溶处理后马氏体的体积分数达到99.9%，位错密度分布在马氏体板条上，更有利于时效过程中细小析出相的析出。
回火处理主要用于提高LUHSS、MTS、SHS的力学性能。回火可消除显着的晶粒取向，降低组织中的残余应力，从而降低裂纹敏感性。回火钢中析出Fe3C、ε-碳化物等强化相，可显著提高抗拉强度和屈服强度。对于合金元素含量较高的PHSS和MS，固溶时效是更好的选择。固溶处理可获得高密度的位错，而时效处理可在马氏体基体中析出大量金属间化合物。通过这种方式实现沉淀强化，显著提高抗拉强度和伸长率。
图9 热处理后样品的微观结构OM和SEM图像：（a）-（c）直接打印样品；（d）-（f）直接时效处理；（g）-（i）固溶处理；（j）-（l）固溶时效处理。
2.机械加工
增材制造所获得的成形表面通常不如常规制造零件的表面质量，因为增材制造零件的表面粗糙度通常不小于1μm。采用机加工作为后处理手段，可以显著提高增材制造零件的表面光洁度，与锻造H13的铣削行为相比，增材制造零件的切削力和切削系数更高。学者们研究了不同热处理条件下增材制造马氏体时效钢的铣削行为，观察到增材制造马氏体时效钢在打印状态（图10a）和固溶状态（图10c）下表现出最小的磨损区域钢材加工 系数，而时效状态的马氏体时效钢均导致刀具磨损明显增加（图10b和d）。由于析出颗粒的形成，对刀具有严重的划伤作用。 研究了切削速度和每齿进给量对L-PBF马氏体时效钢铣削加工过程中平均粗糙度和残余应力的影响，图10显示了研究中得到的最佳（e）和最差表面状况（f）。通过适当的切削参数可以实现表面粗糙度降低和残余应力修正的结合。其中，切削速度和每齿进给量对细化粗糙度水平的影响更为显著。
图10 不同工艺的刀具磨损情况
3. 其他方法
振动精加工和喷砂也可作为增材制造部件表面改性的后处理。经振动精加工和喷砂处理的L-PBF制备的马氏体时效钢与未处理样品相比表现出较高的疲劳性能，这可能归因于表面残余应力和粗糙度。振动精加工后的疲劳性能与未处理状态相比有显著增强（图11a和b），这可以通过处理后的表面光滑度和振动精加工上没有应力集中来解释。喷砂增强了疲劳性能，但表面粗糙度也较高。这是由于高速粒子撞击表面引起的塑性变形较小（图11c和d）。此外，振动精加工后未热处理的试件的力学性能更好，而热处理后振动精加工试件的残余应力更高，喷砂试件的力学性能更好。非热处理方法通常只会改变零件的表面状况，如表面粗糙度和表面残余应力。 通过热处理工艺可以调整零件内部组织形貌、相尺寸及分布，应根据零件的性能要求选择合适的后处理工艺。
图 11. 振动加工样品的表面在低倍（a）和高倍（b）放大下的图像，以及喷砂样品的表面在低倍（c）和高倍（d）放大下的图像。
总结
增材制造技术因其独特的成形工艺特点，越来越多地被用于制造超高强度钢部件，带来了巨大的经济效益和广泛的应用场景。本文综述了当前超高强度钢增材制造技术的研究，其中最重要的问题集中在增材制造超高强度钢的性能调控，特别是工艺-组织-性能调控。
增材制造超高强度钢具有独特的技术优势。快速的熔化和凝固循环可产生亚稳态结构，从而有可能提高增材制造合金的强度。然而，这种极度非平衡的凝固过程也容易产生孔隙、飞溅和残余应力等缺陷，这些缺陷尚未完全克服。这导致很大一部分增材制造的高强度钢部件无法在关键领域得到使用。目前已经发表了大量关于增材制造超高强度钢的文章。虽然增材制造超高强度钢的微观组织演变和力学性能研究得相对较好，但这仅限于少数超高强度钢。
性能对于增材制造超高强度钢部件的制备至关重要。了解缺陷的原因可以制定有针对性的优化策略，以获得无缺陷或缺陷较少的微观组织。预处理、成型工艺和后处理调整为高性能超高强度钢的增材制造提供了有利的方法，但它们的综合优势尚未得到探索，综合解决方案和效果需要进一步研究。
参考：超高：A
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