新加坡国立大学研究团队实现增材制造钢材力学性能定制化

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@小白创作中心

新加坡国立大学研究团队实现增材制造钢材力学性能定制化

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https://nusgrtii.cn/news/136

新加坡国立大学广州创新研究院近期发布了一项关于Steel增材制造新型钢材可定制力学性能的研究成果。该研究由Dr. Sing Swee Leong团队完成，他们通过优化Fe-Ni-Ti-Al马氏体时效钢的激光定向能量沉积（LDED）工艺，实现了钢材力学性能的定制化。

研究背景

增材制造（也称为3D打印）是一种逐层构建复杂高性能金属零件的先进制造方法，在制备复杂形状零件方面相较于传统成型工艺具有显著优势。增材制造的冶金特性（例如高冷速和热循环）为材料性能的定制化提供了独特的机会，使其能够直接调控材料的显微组织和力学性能。然而，传统的增材制造粉末原料并未针对这些冶金特性进行设计与优化，在增材制造后还通常需要进行热处理以改善其微观组织，因而在一定程度上限制了其性能定制化的潜力。

研究内容

本研究重点优化Fe-21.1Ni-6.3Ti-1.3Al (wt.%)马氏体时效钢的激光定向能量沉积（LDED）工艺，旨在通过控制沉积过程中的热历史实现可调控的机械性能。研究团队采用了一种带有加热和冷却板的LDED装置以调控温度场，其示意图如图1(f)所示。

研究团队探讨了三种新型沉积方法：

层间停留沉积（IPD）：该方法在LDED工艺中引入了分层暂停，通过增加这些暂停时间，可以更精确地控制热量积累，使材料在每层沉积前进行冷却。这种冷却速率的控制直接影响了热历史，确保在沉积的过程中发生马氏体相变，形成了高位错密度的区域，如图2(a)所示。此类区域进一步诱导了η-Ni₃(Ti, Al)相的原位析出，从而提高材料的抗拉强度，同时保持延展性平衡。
恒温加热沉积（CHD）：在此方法中，基板在沉积过程中保持在恒定的高温（~200℃）。通过将基板温度保持在马氏体起始温度以上，全程抑制沉积过程中的马氏体相变，从而抑制原位析出（因为原位析出需要形成马氏体来提供驱动力）。CHD过程中显微组织演变的示意图如图2(b)所示。这一策略有助于相和元素分布的均匀化，减少残余应力，并最终形成延展性更高的组织。
交替加热沉积（AHD）：AHD方法在层与层之间交替进行加热和冷却，从而在钢中形成层次结构。该方法为不同层提供了不同的热历史，导致相邻层间的相成分和微观结构各异。交替的热循环促使硬相和软相的区域形成，从而提高材料的整体韧性。通过在分层结构中引入热梯度，该方法利用了独特的相变并增强了钢材的抗变形能力。

通过采用这些定向的沉积策略，本研究分析了相应的微观结构变化，重点关注马氏体和奥氏体等主要相的形成，以及η-Ni₃(Ti, Al)等二次相的原位析出。此外，对这些相的尺寸、分布和体积分数对材料机械性能的贡献进行了详细分析。例如，高位错密度的马氏体区域可提高强度，而η-Ni₃(Ti, Al)析出相的形成通过阻碍位错运动进一步强化合金。相反，由于应变诱导相变效应，奥氏体相赋予材料良好的延展性和加工硬化能力。

通过整合这些方法，本研究提供了有关如何在LDED过程中通过热历史控制来生产具有可定制机械性能的Fe-Ni-Ti-Al马氏体钢的见解，潜在地拓宽了其在需要高强度和特定延展性领域的应用前景。

研究团队

Dr. Sing Swee Leong团队在增材制造领域具有丰富的研究经验。在加入新加坡国立大学之前，Dr. Sing曾是新加坡南洋理工大学新加坡3D打印中心和机械与航空航天工程学院的总统博士后研究员。他的研究兴趣在于通过先进制造技术推动材料开发，并为工业创造战略价值。截止2024年11月，Dr. Sing在增材制造（AM）或3D打印领域已共同发表了100余篇经同行评审的文章及多个专利，h-index为40。此外他还担任多个增材制造相关期刊如Virtual and Physical Prototyping和Materials Science in Additive Manufacturing等期刊的编辑以及International Journal of Extreme Manufacturing和International Journal of AI for Materials and Design等期刊的编委等。