原标题：综述：钢铁材料增材制造过程中的研究进展与挑战(四)-17-4PH不锈钢
江苏激光联盟导读：本节为钢铁材料激光增材制造过程中的研究进展与挑战的第四部分17-4PH不锈钢的进展与挑战。
大多数的钢铁材料在发展的过程中会通过析出除碳化物之外的析出相的时效硬化工艺来强化钢铁材料。
这一类型的钢铁材料中有两大类被广泛的分析研究，这是因为采用AM制造技术进行制造非常适宜，他们是析出硬化（precipitationhardening(PH)）不锈钢和马氏体时效硬化不锈钢。尽管PH不锈钢也还具有基体相，基体相一般是奥氏体或者半奥氏体，在这里我们只讨论PH系列的不锈钢。PH不锈钢和马氏体时效硬化钢会呈现出几乎非常类似的析出硬化行为。他们具有较低的碳含量，其目的是为了抑制碳化物相的析出，因为碳化物的析出对不锈钢的腐蚀抗力具有严重的损害作用。马氏体PH钢具有中等的Ni含量(4–11wt%)，而马氏体时效硬化钢具有较高的Ni含量(17–25wt%)。自奥氏体相场进行淬火之后，这些合金的室温显微组织主要是马氏体，但也许会含有残余奥氏体，这主要取决于钢的成分和淬火的温度。这些析出强化钢的高强度会导致该合金可以用来作为工具来使用。此外，高的强度质量比和良好的韧性使得析出强化钢尤其适合应用到航空航天等部门（从起落架的齿轮部件到飞机配件），汽车和国防军工等。
在AM技术中最为常见的PH钢是17-4PH钢，这是因为该合金具有良好的可打印性能和广泛的应用范围，其应用范围广是因为该合金所具有的高强度和腐蚀抗力的综合效果好。在传统制造工艺中，在经过铸造之后，17-4PH钢部件经历固溶热处理。这一典型的热处理过程为1040C@1h，较厚的样品需要更长的固溶热处理时间。在经过固溶处理和淬火至室温的时候，马氏体显微组织会存在过饱和的Cu。经历这一过程的称之为状态A。部件为经历一个热时效处理过程来诱导富集Cu的析出相，析出相在纳米级别。最为常见的应用到17-4PH钢的时效处理温度为482C@1h，在部件中，经历此处理后会获得最高的机械强度。这一热处理过程称之为H900状态。在这一状态中，部件的极限拉伸强度比较典型的可以达到1380MPa左右。
15-5PH不锈钢是一种同17-4PH钢相类似的一种材料。尽管应用的并不普遍，这一合金也被采用AM技术来进行制造并评估了其相应的性能和经过了大量的研究。该合金仍然是一个马氏体析出硬化的不锈钢，改变合金成分允许该合金所得到的变形抗力比17-4PH钢还要高，这是会因为-铁素体显微组织的含量水平的降低。Cu析出相的动力学同17-4PH钢比较相类似，导致这两种合金在经过H900热处理之后均可以达到时效硬化的峰值。
马氏体时效硬化钢，广泛的应用到AM种进行打印的是18Ni300马氏体时效硬化钢。在经过自奥氏体相场的淬火之后，形成马氏体显微组织，在400到500C的温度范围进行时效处理的时候会导致析出Ni3(Ti,Mo)相，然后是Fe7Mo6相。在经过482C@6h的时效处理之后，18Ni300的马氏体时效硬化钢的极限抗拉强度(UTS)可以超过2200MPa。这一高强度可以使得这一合金能够广泛的应用到军事和航空航天领域。
这一章节将会总结文献中采用AM技术制造的关于PH钢的影响，大多数文献都是聚焦于17-4PH钢。
15–5PH不锈钢
采用AM技术进行制造15-5PH钢可以获得比传统制造工艺更好的机械性能。将SLM制造的15-5PH钢同传统制造工艺的15-5PH钢相比较，可以观察到马氏体结构的明显差别，采用AM制造的材料呈现出短和更窄的板条马氏体。同变形材料相比较，AM制造后的材料在590C的时候UTS（极限抗拉强度）可以提高大约34%，达到830MPa，但韧性却下降了50%，在伸长率为9%的时候就发生失效。在采用SLM制造的15-5PH钢的另外一个研究中，在经过时效硬化热处理之后，同变形的15-5PH钢相比较，其屈服强度（ＹＳ）在平行方向有大约１０％的增加，而在垂直方向则有大约６％的下降。不管制造方向如何，同传统制造工艺相比较，UTS值均有小幅度的增加（平行方向有大约１１％的增加，垂直方向有大约１２％的增加）。这些样品在时效时均为解理断裂。SLM制造的１５－５PH钢在经过夏比冲击测试之后的断裂韧性，经测量为10.851.20J/cm2。在变形的合金样品的范围内(9.4–18.6J/cm2)。SLM制造的１５－５PH钢，其显微硬度比变形的合金要高的多，在横向方向，AM制造的样品为500HV0.5，这一数值比变形样品要高５６％。
对PH系列的不锈钢来说，循环载荷是该合金应用的理想场合。因此，部件的疲劳性能就成为AM制造这类钢的最为重要的性能。采用SLM制造的１５－５PH钢的疲劳性能同传统工艺的合金相比要减少２０％。这主要归因于SLM制造的部件表面的粗糙度比较差的原因。AM制造产品的表面精度的提高和表面缺陷的去除，对疲劳性能的提高非常显著，但这一点对传统的变形合金来说并不明显。但表面缺陷对AM制造的１５－５PH钢的疲劳性能影响非常大确实被观察到的结果所证实。然而，优化参数和表面精度的改善结合在一起利用AM技术制造出来的１５－５PH钢，其疲劳性能可以同变形合金相当。
AM制造的１５－５PH钢的高温蠕变性能并没有得到广泛的研究。同传统变形的合金相比较，温度为530C时，SLM制造的１５－５PH钢的蠕变性能可以提高大约１７％。其背后的原因并没有得到完全的理解。
图解：(a)SLM制造的沉积态；(b)经过均质化处理；(c)变形态的合金。这些显微组织均取自平行于SLM的制造方向和变形合金的轧制方向１７－４PH不锈钢的金相显微组织钢
显微组织中的奥氏体被观察到会显著的影响到17-4PH钢的机械性能，这是因为在机械测试的过程中奥氏体转变为马氏体。AM制造的17-4PH钢，含有大量的奥氏体时会呈现出显著的韧性和如同TRIP钢一样具有加工硬化的特征。在AM制造17-4PH钢的时候，会有大量的奥氏体组织存在，或者在直接时效的时候（如在制造的时候不经过固溶时效处理）。Lebrun等人的研究结果表明这些样品同传统的工艺相比较，具有相当的韧性。例如，沉积态的AM制品具有36%体积分数的残余奥氏体，在时效时的延伸率为16.2%。而传统的变形合金的时效延伸率为15%。17-4PH钢的SLM制造时奥氏体的保留则在压缩和拉紧时会得到增加的韧性。图3a为SLM制造的17-4PH钢的显微组织，而图3b则为沿着熔池边界所得到的增加的奥氏体组织。
图解：a图像质量图（Imagequalitymap）和b相图（PhaseMap）。熔池边界的大概位置采用黑色的点线标示出来。熔池形状在不同的层之间的明显区别在于每一层旋转90进行扫描的结果。
当采用SLM制造工艺和传统工艺进行制造时，其显微组织和机械性能的比较会呈现出在几乎所有的情形下其抗拉强度均呈现出显著的变化。然而，几乎没有一个SLM制造的样品同在H900状态下的传统的变形合金的YS或UTS可以相当。这一机械性能的变化主要归因于SLM制造的样品存在一定程度的显著的残余奥氏体，与此同时显微组织中还存在气孔。非常重要的观察到在析出硬化钢中奥氏体的存在会影响其硬度，这是因为固溶的原子会在奥氏体中更多的溶解，比在铁素体或马氏体中要多。由此限制了在时效过程中形成析出相的能力。显微组织中奥氏体区域的缺乏在17–4PH钢和18Ni300马氏体时效硬化钢中均观察到，每一个在经历热时效之后观察的。如图4所示为18Ni300马氏体时效硬化钢的原子探针分析结果。图4ａｂ显示了马氏体显微结构的区域，每一个均经历了热时效。金属间化合物相在封闭等浓度面上形成。相反地，而图4ｃ中的原子探针数据则呈现出AM制造的样品中奥氏体和马氏体区域之间的界面。在奥氏体中的析出相的整个的缺失和马氏体的缺失相比较是非常明显的。
图解：aDED(LMD)制造的材料同；b传统制造工艺制造的材料；(c)另外以一种DED工艺制造的材料的数据表明其奥氏体和马氏体之间不同的析出行为。
AM制造的气氛也影响到制造的17-4PH钢的机械性能。一个关于制造气氛对17-4PH钢的机械性能的影响采用DED技术进行了研究，气氛分别为Ar气和空气。采用AM制造的所有的样品的UTS均比传统的合金的要低，在空气中AM制造的样品的强度得到了增加，在空气中制造的样品在经过热处理之后其UTS为1145MPa。在Ar中在同一状态下增加了7%。进一步的对显微组织进行分析，得出由于非晶氧化物的弥散效应和空气中的N的固溶强化效应造成的。此外，在N2气氛中进行打印时，得到的马氏体会导致17-4PH钢的部件可以获得同传统工艺相当的UTS和韧性，这是因为在拉伸测试过程中的塑性变形造成的显著的应变硬化。
下图所示为不同增材制造17-4PH钢样品的UTS和韧性的组合的总结。这一图片也同时显示了传统制造工艺制造的17-4PH钢的性能和AM工艺的对比。从该图中可以看到，AM工艺的参数不同，表面处理不同和后热时效处理不同时，不同研究和不同样品之间的差别比较大。同时对MA制造的合金，其性能的变化也比较大。同时还可以观察到，在没有优化工艺参数的时候以及后热处理，其材料的强度和韧性会比较差。然而，这一图片也同时指出，在优化参数之后，可以获得同传统制造工艺几乎相当甚至还优于传统制造工艺的性能。Facchini等人曾经报道过可以获得优异的UTS和韧性的组合，其原因是在拉伸测试中的应变诱导马氏体的形成造成的。Rafi等人则将样品中的韧性的增加归因于同一效应。
在优化的工艺参数条件下和适当的热处理条件下，AM制造的17–4PH不锈钢的显微硬度可以同传统的工艺制造的17–4PH不锈钢相当(～450HV0.5)。
SLM制造的17–4PH不锈钢的磨损性能同传统的工艺相比较，主要取决于占据主导地位的磨损机理。干摩擦时，传统工艺制造的样品呈现出比SLM要大得多的磨损速率。这是因为SLM制造工艺所造成得显微组织细小和显微硬度比较高的缘故。然而，在有润滑的条件下，SLM制造的样品则具有较高得磨损速率。这主要归因于润滑剂改变了占据主导地位的磨损机理，从黏附磨损到表面疲劳和磨损转变。
图6AM制造17-4PH钢的示意图，热处理过程和疲劳性能
一些关于AM制造17–4PH钢的疲劳研究也同时研究了热处理对这些样品的疲劳性能的影响。在经过固溶退火和时效处理之后，SLM制造的部件将会呈现出比同一热处理工艺条件下的传统工艺的部件的疲劳性能要低。Yadollahi曾经报道其SLM制造的17–4PH钢的疲劳性能比传统工艺制造的部件的性能要低四倍，这主要归因于SLM制造过程中的缺陷。研究人员同时报道，在经过固溶热处理和时效处理，然后再经过H900的处理，其疲劳性能可以在低周循环时得到提高，但在高周疲劳循环时却变得更差。这归因于热处理导致的对杂质的敏感性的增加。这一敏感性在低周疲劳时不敏感。这一现象在传统的变形合金中没有被观察到。这一现象在SLM制造15-5PH钢的时候也会观察到。
制造方向会影响到冷却速率，由此导致显微组织和制造的层层层堆积，从而对SLM制造的样品的机械性能产生巨大的影响。例如，下图为在SEM观察时得到的制造层的横截面的显微组织。在制造样品中存在一定的气孔，平行于制造的样品。采用X射线CT进行扫描，可以观察到缺陷的分布情况。
图7平行于制造层时的横截面的SEM照片和采用Micro-CT分析得到的沉积态样品中的缺陷，沿着垂直方向给予表示（a和c）和平行制造轴的方向（b和d）
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参考文献：1.Fatiguecrackgrowthbehaviorofadditivelymanufactured17-4PHstainlesssteel:Effectsofbuildorientationandmicrostructure，InternationalJournalofFatigue，Volume123,June2019,Pages168-179。
2.Effectsofheattreatmentandbuildorientationsonthefatiguelifeofselectivelasermelted15-5PHstainlesssteel，MaterialsScienceandEngineering:A，Volume755,7May2019,Pages235-245，