昆士兰大学顶刊综述丨钢材的激光增材制造

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顶刊综述丨钢材的激光增材制造

澳大利亚昆士兰大学张明星教授团队在国际材料领域顶级综述期刊《International Materials Reviews》上发表了激光增材制造LAM长篇综述"Laser additive manufacturing of steels 钢材的激光增材制造"。

文章主要概括了高性能钢材激光增材制造（LAM）的研究现状，特别是奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢和马氏体不锈钢等的LAM研究现状。重点介绍相关工艺、组织和力学性能之间的内在关系，深入探讨了工艺参数的影响、它们之间的相互作用以及后处理对冶金、组织和性能的影响，最后总结了LAM技术在钢铁工业中的应用进展，提出了面临的挑战和前景。

（a）发表的各类钢材LAM的论文数量；(b)各类钢材LAM研究工作的百分比

L-PBF(a)和L-DED(d)工艺示意图

在过去的二十年中，增材制造（AM）被认为是一种革命性的制造技术，它与传统技术相比具有效率高、能够制造出具有高几何复杂性的工件、产生的废料少等优点。激光增材制造（LAM）技术已在航天、汽车、电子和生物医学等领域广泛应用，主要用于制造复杂形状的金属部件、修复受损零件和快速制模等。经过三十多年的发展，现在最常见的LAM合金材料包括钢铁材料、钛合金、镍合金、铜合金和铝合金，而钢铁材料作为应用最广泛的金属材料，在LAM领域得到了很多的关注。与传统制造方法生产的钢材相比，LAM制造的钢材具有独特的微观结构和力学性能，大多数LAM加工的钢材都具有更好的力学性能，特别是抗拉强度。当前的研究主要集中在不锈钢（如奥氏体不锈钢316、17-4PH沉淀硬化不锈钢）、马氏体时效钢（如18Ni-300）和工具钢（如H13和M2）等，但由于冶金过程的复杂性，LAM成型过程中对组织和性能的控制仍然是个难题，需要更进一步的研究。

工艺参数对L-DED成形单道尺寸的影响：扫描速度、激光功率和送粉速度对420不锈钢沉积(a)宽度和(b)高度的影响；(c)送粉速度对H13工具钢沉积厚度误差的影响；(d)扫描速度、(e) 送粉速度和(f)比能量对316不锈钢沉积高度的影响。

过去几年已经发表了数篇关于金属增材制造的综述，其中包含不锈钢和工具钢等，这些综述聚焦在典型工艺参数方面，有助于快速获得增材制造的相关知识。然而，针对钢材LAM技术的报道尚有欠缺，尤其是近年来预热、后处理等方式引入到LAM中，带来了新的研究方向。

因此，文章对钢材的LAM技术进行了更加全面的介绍。本文首先介绍了LAM工艺参数对缺陷形成、残余应力、微观组织和力学性能的影响。然后以奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢和马氏体不锈钢等钢材为例，讨论了工艺、组织、性能之间的内在关系，提出了目前钢材LAM加工中存在的一系列问题，如缺陷、残余应力和各向异性等，并进一步指出为了克服这些问题、进一步增强LAM钢材性能而发展的预处理、后处理和混合增材制造等技术，最后提出了钢材LAM技术的挑战和前景。