综述：钢铁材料增材制造过程中的研究进展与挑

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（precipitation hardening (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 (4–11 wt%)，而马氏体时效硬化钢具有较高的Ni含量 (17–25 wt%)。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1040 °C @ 1 h，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482 °C @ 1 h，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1380 MPa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δ-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18Ni 300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500 °C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482 °C @ 6 h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2200 MPa。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。

另外一种重要的析出硬化不锈钢，是最近被研究出来应用到增材制造领域的，称之为CX不锈钢。这一类型的材料在最近被发展起来和被EOS公司进行了商业化的生产。CX不锈钢部件在采用SLM技术进行制造的时候所呈现出来的韧性在沉积态比SLM制造的17-4PH和316L的要高，显示出可以采用CX来代替以上这些钢铁材料在某些领域中的应用。该合金的时效热处理是530 °C @3 h，会导致形成杆状或针状的NiAl基纳米析出相，该析出相在马氏体基材中析出，不管是否经历先前的固溶热处理过程。经历这些热处理过程之后，SLM制造的CX不锈钢可以获得 1601 MPa的极限抗拉强度（UTS）。由于相关的文献讨论这一合金比较少，CX钢将在这里不给予讨论。

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。

机械性能

15–5 PH 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590 °C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 10.85?±?1.20 J/cm2。在变形的合金样品的范围内(9.4–18.6 J/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 500 HV 0.5，这一数值比变形样品要高５６％。

文章来源：《金属功能材料》 网址: http://www.jsgncl.cn/zonghexinwen/2021/0523/553.html