昆士兰大学： 高强度低合金AISI 4340钢的增材制造，实现强度-塑性-韧性平衡！

增材制造（AM）已经彻底改变了钢铁零件的制造，但并不是所有的钢都适合其独特的凝固特性。这种特性通常会导致柱状颗粒形成、微观结构不均匀性等问题，从而导致较差的机械性能、脆性和严重的各向异性。最近的研究采用接种或加工后处理来解决这个问题，但往往需要额外的成本和处理时间。

材料学网分享了昆士兰大学张明星教授团队的《Additive manufacturing of high-strength low-alloy AISI 4340 steel with an optimal strength-ductility-toughness trade-off》这篇研究，研究旨在验证一些钢材与增材制造本质上是兼容的，从而生产出天生坚固的部件，并在建成状态下即可使用。中等碳含量和较低的合金元素浓度使增材制造能够产生均匀而精细的贝氏体组织，元素偏析最小，避免了不稳定残余奥氏体的形成。这种钢的高AM可加工性通过在宽加工窗口内实现高密度化（> 99.9%）来证明，这可以通过适当调整加工参数来精确控制显微组织，诱导从上贝氏体到下贝氏体的转变，从而为特定应用定制机械性能。材料学网分享的昆士兰大学张明星教授团队的这篇研究，揭示了增材制造在加工高强度低合金钢方面的巨大潜力。

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通过增材制造（AM）技术控制4340钢的微观组织，主要涉及对AM过程中的参数进行精确调整，以实现对材料冷却速率、微观结构形成和相变的有效控制。”

增材制造（AM）工艺已经彻底改变了航空航天、汽车和生物医学行业的工程部件制造。与锻造和铸造等传统方法相比，这些方法需要昂贵的模具/模具来制造几何复杂的零件，逐层制造路线允许直接、快速地制造具有高几何复杂性的部件，从而大大节省了生产时间。此外，用传统的制造工艺，包括铸造，合成钢基复合材料是非常困难的。但增材制造在制造钢基复合材料方面已被证明是有效的，作为增强剂，特别是颗粒，可以直接添加到原料中。此外，与传统钢相比，一些AM制造的钢表现出明显更高的强度，这是由于快速冷却导致的精细组织和位错强化。

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然而，这种制造路线也导致了极端的凝固条件，与传统铸造工艺明显不同，如反复加热和熔化，定向和快速凝固，以及大的热梯度（高达106 K/m）。这就产生了与传统铸件不同的显微结构特征。循环加热/冷却还会促进显著的显微组织不均匀性，特别是在具有高溶质含量的合金中。与这些微观结构特征相关的问题可能包括高开裂倾向、较差的延展性和严重的性能各向异性。

最近的研究采用接种处理和热处理后处理来调整获得的组织，从而减轻各向异性，提高这些钢的力学性能。然而，这些额外的步骤会产生额外的时间和成本，特别是对于大规模的工业生产。此外，后占有还可能改变增材制造快速凝固直接获得的超细组织，降低机械强度。因此，理想的做法是找到与增材制造内在兼容的钢材，生产出坚固耐用的部件，无需后处理即可在建成状态下使用。也没有适当的材料选择框架来评估钢材是否适合增材制造。

昆士兰大学张明星团队制定了战略性材料选择框架，并采用该框架来确定适合AM的商用钢材。在此框架下，AISI 4340超高强度低合金（HSLA）钢被确定为有前途的增材制造候选者。本工作表明，AISI 4340钢不仅具有具有较高的AM加工性，因此可以在较宽的加工参数窗口内制造高密度零件，但也具有特别适合激光AM的成分（中碳和低合金浓度）。通过对微观组织和力学性能演变的研究，探讨了通过调整增材制造工艺参数可以控制4340钢的力学性能，使优势组织由上贝氏体转变为下贝氏体。研究表明，通过调整打印参数，制备的4340钢的强度可以接近锻件的强度。此外，研究结果还证实，AM制造的4340钢不需要后处理热处理，因为与AM相关的自回火足以回火钢。这项工作可以揭示低合金钢增材制造在各种工程应用中的潜力。

相关研究成果以“Additive manufacturing of high-strength low-alloy AISI 4340 steel with an optimal strength-ductility-toughness trade-off”发表在Additive Manufacturing上
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860424005426

表1优化的增材制造工艺参数。

图1 AM制备4340钢的致密化行为：(a)总体相对密度随体积能量密度的变化。(b)所选代表性样品的纵向显微照片。(a)中的黄色点是在600、800、1000和1200mm /s四种扫描速度下处理的样品，密度令人满意。(b)中的橙色框表示在200w的固定激光功率下，进一步优化扫描速度对样品密度的影响。(b)中的黄色方框是在200 W的固定激光功率下，以600、800、1000和1200 mm/s四种扫描速度处理的样品，密度令人满意。

图1为不同工艺参数下AM – 4340钢试样的致密化行为。在研究的所有工艺参数中，3D打印钢都表现出无裂纹的特征。这表明其固有的高增材制造可加工性。在低激光功率和高扫描速度下构建的样品，对应于激光密度输入小于≤60 J/mm3，由于激光穿透和熔化不足而导致缺乏熔合的孔隙比例很高。样品密度随激光输入能量的增加而增加，可以通过增加激光功率或降低扫描速度来实现。60和140 J/mm3的能量输入范围（见图1a中的黄色框区）几乎完全消除了孔隙（图1b），并产生了几乎完全致密的产品（99.9%）。这种广泛的优化加工窗口表明了4340钢的显著AM可加工性（也称为3D打印性）。
在此范围之外进一步增加激光能量输入会导致样品的高孔隙率，这可能是由于过量的能量输入导致熔化状态从传导模式转变为锁孔模式。后者具有显著的毛细不稳定性和熔融池内的蒸发，产生高比例的锁孔孔。由于锁孔熔化模式固有的不稳定性，不断增加的激光能量输入导致熔池过热。这导致了熔化层极高的表面粗糙度和不可预测的致密化行为，如图1a所示，相对密度和能量输入之间的波动关系体现了这一点。

表2不同扫描速度下的相对密度与4340钢显微硬度的关系。

图2不同扫描速度下AM制备的4340钢样品的x射线衍射谱去噪。

采用XRD分析了AM – 4340钢的相组成。消噪后的XRD谱图如图2所示（原始数据见补充图S1），不同工艺参数下样品的相组成没有明显差异。初生相为α-铁素体，可为马氏体和/或贝氏体。此外，在低扫描速度（600mm /s）的样品中，还存在少量残余奥氏体。然而，由于XRD光谱中43◦和51◦处（图2蓝框处）FCC γ-奥氏体信号较弱，残余奥氏体体积分数的计算精度很低，可能低于XRD的检测限0.5 wt%。因此，没有提供残余奥氏体的体积分数。使用扫描电镜和透射电镜对AM制造的4340样品进行了详细的显微结构检查，如下面的部分所示。

图3（a – d）纵向EBSD-IPF图和（e -f）在不同扫描速度下生产的AM制造的4340钢的EBSD极点图：（a和e） 600 mm/s, (b和f) 800 mm/s, (c和g) 1000 mm/s和（d和h） 1200 mm/s，以及代表晶粒方向的IPF彩色键。(i) 4个样本内α′块的相应尺寸分布统计。BD：构建方向。

图4扫描速度为(a) 600 mm/s, (b) 800 mm/s, (c) 1000 mm/s, (d) 1200 mm/s的4340钢样品的SEM二次电子显微结构。(e) (a)中黄色标记区域的主要组成元素（Fe、C、Si、Mn、Mo、Ni）对应的高分辨率EDS图。BD：构建方向。

图5(a)透射电镜明场显微图；(b)TEM暗场，显示α′-板条之间析出的碳化物；(c)在扫描速度为600 mm/s的情况下，AM制造的4340钢(a)中黄色标记区域的SAED图案，沿[100]α′观察。(d)透射电镜明场显微图；(e)TEM-暗场显微照片，显示较细的碳化物（用蓝色箭头指出）分散在铁氧体板内（用白色虚线标记）；(f)以1200mm /s的扫描速度，沿[100]α′线观察到的(d)中黄色标记区域的SAED图案。

图6(a)在扫描速度为600 mm/s的情况下，以[011]α为扫描方向观察的4340钢的TEM亮场显微图，(a)中的绿色箭头表示薄膜结构。(b) (a)中红色标记区域的SAED模式；(c) (a)中蓝色标记区域的SAED模式。(d) (a)中黄色标记区域的高分辨率TEM （HRTEM）图像，插图显示了相应的快速傅里叶变换（FFT）模式；（e & f） (d)中浅蓝和浅绿标记区域的高倍图像，显示了(e)贝氏体块区和(f)薄膜区α′原子构型。

图7工程拉伸应力-应变曲线（附图）显示了采用不同扫描速度(a) 600 mm/s, (b) 800 mm/s, (c) 1000 mm/s和(d) 1200 mm/s生产的AM制造的4340钢样品的YS， UTS和EL数据。

图8采用不同扫描速度制备的4340钢试样的夏比冲击能。

表3 AM预制4340钢与变形4340钢力学性能比较。

图9扫描速度为1000 mm/s时，扫描电镜观察了4340钢的断裂形貌。（a – c）断裂面纵向图，（d – f）断裂面横向图。黄色虚线区域表示中心纤维区。蓝色箭头表示断裂扩展方向。高倍图像（b和e）微空洞聚结凹陷存在于中心纤维区，（c和f）微空洞聚结凹陷发现于剪切唇区。

图10比较目前AM制造的4340钢与其他先前报道的AM制造和传统加工的4340钢的拉伸性能，以及与其他AM制造的钢。(a)屈服强度(b)极限抗拉强度。L：纵向，T：横向。

图11目前AM制造的4340与其他先前报道的AM和传统加工的4340钢在对UTS的Charpy冲击能方面的比较以及与其他AM制造的钢。(a)屈服强度(b)极限抗拉强度。L：纵向，T：横向。

图12 AISI 4340钢的时间-温度-相变（TTT）图。紫色之字形箭头表示AM过程中具有循环和快速加热/冷却特征的冷却轨迹。

表4与普通AM钢的化学成分比较（重量百分比%）。

表5回火AM制造4340钢的拉伸性能。

图13工程拉伸应力-应变曲线与插入显示的YS， UTS和EL数据的AM制造的4340钢回火在不同的温度：(a) 205◦C, (b) 315◦C, (C) 425◦C, (d) 540◦C。

本研究优化了中碳、低合金、高强度4340钢的增材制造工艺参数，获得了具有纳米贝氏体组织、无织构的全致密构件。AISI 4340钢的适当元素组成使其能够解决钢AM中遇到的常见挑战，研究表明，只要增材制造工艺能充分保持密度，AISI 4340钢特别适合增材制造。主要成果如下：
(1)AISI 4340钢的碳含量约为0.4 wt%，合金元素含量相对较低。
(2)AISI 4340钢具有良好的AM加工性能，具有较宽的加工窗口，可生产密度高、微观结构精致、各向同性力学性能良好的AM制造部件。
(3)对于AISI 4340钢的增材制造，可以通过调整增材工艺参数来精确控制微观组织，促进上贝氏体为主成分和下贝氏体为主成分之间的转变，从而使各向同性力学性能可以根据特定的应用要求进行调整，而无需额外的后热处理工序。
(4) AM- 4340钢良好的可加工性和贝氏体相变也避免了缺陷、残余奥氏体膜、粗晶粒、织构区和柱状形貌等有害微观组织特征的形成，AM- 4340钢的力学性能表现出可以忽略的各向异性。
(5)AM制造的4340钢具有较好的强度、延展性和韧性，可与传统制造的4340钢相媲美，并超过大多数AM制造的钢。
(6)AM制造的4340钢构件可直接使用，无需后处理。

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