3D打印中的高性能普通碳钢：挑战与机遇

来自 实验室仪器网

《自然通讯》最近发表的一篇文章报道了三维（3D）打印普通碳钢，其拉伸性能和冲击性能可与马氏体时效钢等超高强度合金钢相媲美，甚至超过这些性能。

铝和钢等工程合金因其高强度和高损伤容限而成为常用的结构材料。随着时间的推移，这些合金已演变为具有特殊性能的成分复杂的变体。

对改进机械性能（包括超高强度和耐磨性）的需求凸显了对微观结构形成的精确控制的必要性。金属3D打印，尤其是粉末床熔合(PBF)，提供了简化合金成分同时实现所需性能的机会。然而，大多数3D打印组件都是使用现有的复杂合金制造的，而不是开发专为3D打印量身定制的简化成分。

PBF是一种广泛使用的金属3D打印方法，该方法采用高能激光或电子束选择性地熔化薄层金属粉末。该过程逐层构建复杂的几何形状。本研究利用PBF的特性来生产高性能碳钢。

3D打印原材料采用气雾化纯铁和钢粉，合金成分选用碳含量0.4wt.%（AISI1040）和0.8wt.%（AISI1080）的普通碳钢。使用激光PBF3D打印系统在惰性高纯度（≥99.99%）氩气气氛下生产钢样品（10×10×10mm3）。然后采用优化的打印参数制造更大的样品，用于拉伸试验、夏比冲击韧性评估和硬度分布分析。

使用图像分析软件(ImageJ)通过样品致密化来评估普通碳钢的3D打印性能。在不同的加工参数下对立方体样品进行了洛氏硬度测量，并进行了Jominy末端淬火试验以评估普通碳钢的低淬硬性。

通过使用1080钢粉和优化参数制造锥齿轮（高40毫米，直径80毫米），证明了3D打印生产具有一致的微观结构和性能均匀性的普通碳钢零件的潜力。

为了进一步比较工艺，准备了两个L形部件：一个由商用1080锻钢加工而成，并经过奥氏体化和淬火；另一个直接使用1080钢粉进行3D打印。3D打印部件避免了淬火相关的开裂和变形等问题，凸显了3D打印方法的优势。

3D打印齿轮具有均匀的硬度分布和精确的几何精度，凸显了3D打印解决传统水淬相关问题的能力，例如合金的变形和硬度不均匀。

用商用1080钢加工的L形演示部件由于水淬而出现拐角处的开裂和变形。相比之下，3D打印部件没有出现任何裂纹或变形。这归因于打印过程中的微熔化过程，该过程将热应力分隔开来，并通过连续层的熔化提供原位回火效果，从而减少残余热应力。

3D打印1080钢的X射线衍射分析显示，该材料为单一的铁素体相(α')，未检测到奥氏体或碳化物。场发射扫描电子显微镜显示，细小的板状铁素体结构均匀分布，无优先取向。

在α'块和先前γ晶粒的取向之间观察到近似的Greninger-Troiano关系，这表明在3D打印过程中发生了马氏体和贝氏体转变，并且在施加的能量输入下抑制了珠光体转变。

在1080钢中，低激光能量输入产生高碳马氏体，导致屈服强度(YS)为1773MPa，极限抗拉强度(UTS)接近2000MPa。更高的能量输入使微观结构从马氏体转变为贝氏体，使YS和UTS分别降低至1100MPa和1327MPa。

3D打印的1040钢还表现出了强大的机械性能。低激光能量输入产生了1340MPa的YS和1430MPa的UTS，而更高的能量输入将这些值降低到1000MPa和1100MPa。这些性能是在打印后直接实现的，随后的回火处理对机械性能的影响微乎其微。

研究表明，3D打印普通碳钢无需添加大量合金即可实现高机械性能。所提出的方法在成本、可回收性和原材料可用性方面具有优势。

研究人员建议进一步研究3D打印普通碳钢的抗疲劳性、断裂韧性和应力腐蚀开裂性，以用于实际应用。增强耐腐蚀性等性能可能需要添加铬等元素，而对于特定要求，如提高抗氧化性，则可以考虑添加其他合金元素。

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