圖1.(a)MSS粉末的SEM圖像，(b)MSS粉末的顆粒分布，(c)ASS粉末的SEM圖像，(d)ASS粉末的顆粒分布。圖12.MSS試樣、ASS試樣和MSS/ASSFGMs試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖１３．沉積樣品的拉伸斷裂形貌：(a)100%MSS,(b)100%ASS,(c)MSS/ASSFGMs。圖１４．拉伸測試的MSS/ASSFGMs樣品在斷裂區(qū)域的凝固路徑

　　本文報道了武漢理工大學(xué)陳斐課題組近期發(fā)表在期刊《JournalofMaterialsResearchandTechnology上的研究：激光工程凈成形馬氏體/奧氏體功能梯度材料的制造及力學(xué)性能。

　　圖０功能梯度材料的廣泛的應(yīng)用及其一個設(shè)計案例

　　在工業(yè)中，鐵合金和特殊的不銹鋼作為最常見的原材料被用于通過AM制造部件。MSS的特性保證了其在高要求應(yīng)用中的性能，如機器部件、手術(shù)器械。因為馬氏體在其體心四方(BCＣ)晶體結(jié)構(gòu)中幾乎沒有可操作的滑移系統(tǒng)，所以MSS堅固但易碎。ASS是一種重要的金屬材料，具有優(yōu)良的機械強度和耐腐蝕性。它已廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，包括海洋環(huán)境、核電站。MSS和ASS的結(jié)合有可能獲得強度和韌性最佳的材料。直接連接這兩種材料是困難的，因為它們的機械和物理特性有很大的不同。

　　最近對不銹鋼的研究集中在機械性能上。與傳統(tǒng)方法不同，AM工藝獨特的熱場將成為提高材料力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。Saeidi等人研究SS316L顯著提高的機械性能。結(jié)果表明，SLM沉積的SS316L鋼的多級精細(xì)組織導(dǎo)致了性能的改善。賽巴斯-蒂恩等人報告了各向異性行為通過研究激光粉末床熔合(L-PBF)SS316L的各種構(gòu)建方向，熱處理顯示出能夠降低各向異性行為。Jamshidinia等人報告了工藝參數(shù)對由L-PBF沉積的420不銹鋼的性能的影響。在Hosemann等人的相關(guān)研究中，SS316L和C300馬氏體時效鋼對通過DED(定向能量沉積)連接并進行熱處理。機械性能與SS316L相似。然而，梯度結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)演變的影響卻鮮有報道。

　　圖2.(a)ＬＥＮＳ系統(tǒng)，(b)MSS/ASS功能梯度材料制造的示意圖，(c)MSS/ASS功能梯度材料橫截面前視圖，(d)刀具路徑策略。

　　圖3.拉伸試樣示意圖及尺寸

　　2.2.材料準(zhǔn)備

　　圖5圖２（ｂ）所示的不同區(qū)域的MSS/ASS功能梯度材料的XRD圖譜

　　2.3.微觀結(jié)構(gòu)表征

　　用WilsonTukon1202在1.98N負(fù)載(HV0.2)下測量制造樣品的輪廓的顯微硬度，保持時間為15s。單軸拉伸試樣通過電火花線切割加工(Wire-EDM)制備。機械性能測試是在美國制造商Instron的Instron-2663上進行的。基于E8ASTM標(biāo)準(zhǔn)，加工出用于拉伸試驗的試樣。試件的切割方向平行于試件的建造方向的高度MSS/ASSFGMs為48mm，如所示圖3。制備了三種類型的樣品:MSS、ASS和MSS/ASS功能梯度材料。對于每種情況，至少測試三個樣品，伸長率為0.1毫米/分鐘。

　　2.5.熱力學(xué)建模

　　3.結(jié)果和討論

　　圖4顯示了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)域的MSS/ASS功能梯度材料的光學(xué)圖像。觀察到熔池呈現(xiàn)典型的網(wǎng)狀形貌。這種網(wǎng)狀形態(tài)在整個MSS/ASS功能梯度材料中是一致的。在這個特征中，它包含水平和垂直彎曲薄層帶。垂直和水平層帶的形態(tài)通常是不規(guī)則的或不規(guī)則的。

　　圖5顯示了每個區(qū)域沉積態(tài)MSS/ASS功能梯度材料構(gòu)建方向上的XRD衍射峰(如所示圖2(b))。(110)、(200)和(211)面是馬氏體的典型峰，而(111)、(200)、(220)和(311)是奧氏體。雖然形成了一個完整地馬氏體微觀結(jié)構(gòu)是預(yù)期的，值得注意的是，100%MSS區(qū)域顯示了主要的馬氏體相分布，帶有少量奧氏體，這與相關(guān)研究一致。本研究中制造的MSS/ASS功能梯度材料揭示了大量體積分?jǐn)?shù)的其他微成分，即殘余奧氏體，這是由于材料在AM工藝中連續(xù)加熱和冷卻循環(huán)期間經(jīng)歷了復(fù)雜的熱場。先前已在添加制造的420MSS零件的微觀結(jié)構(gòu)中報告了殘余奧氏體和其他相的形成。隨著奧氏體成分的增加，可以觀察到馬氏體峰強度的下降。如所示，100%ASS的主要相分布是奧氏體，以及少量的-鐵素體相。

　　圖8.不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)域的MSS/ASS功能梯度材料的元素分布

　　在圖7(aeb)里，值得注意的是Cr似乎完全且均勻地覆蓋鐵素體枝晶。

　　圖9顯示了沿構(gòu)建方向沉積的MSS/ASS功能梯度材料的EBSD圖和粒度分布，所有樣品都沒有明顯的擇優(yōu)取向。它清楚地顯示了從MSS側(cè)到ASS側(cè)晶粒尺寸的劇烈變化。在圖.9(ae)中，觀察到透鏡產(chǎn)生的材料沿構(gòu)建方向有輕微拉長的U形晶粒。在圖9(a)和圖9(b)在奧氏體占優(yōu)勢的區(qū)域可以觀察到大晶粒。50%MSS+50%ASS區(qū)域是晶粒尺寸開始如圖9(ｃ)所示增長。在圖9(e)和(d)里，值得注意的是這兩個區(qū)域的晶粒為細(xì)晶粒，具有等軸晶粒形態(tài)，表明晶粒生長現(xiàn)象從100%MSS過渡到100%ASS。材料的強度隨著晶粒尺寸的增大而降低。從圖10中，它清楚地顯示了從ASS側(cè)到MSS側(cè)的明顯的相位變化。EBSD相圖顯示100%ASS中的主要相是奧氏體，如所示圖10(ａ)。在圖10(bec)，從75%MSS+25%ASS區(qū)的主要奧氏體到兩相區(qū)有一個過渡奧氏體和馬氏體在50%MSS+50%ASS區(qū)域。在圖10(d)隨著MSS的增加，馬氏體變?yōu)槌跎啵橛猩倭繆W氏體。這是值得注意的是，在100%MSS區(qū)域可以清楚地觀察到殘留的奧氏體，如圖10(e)所示。

　　圖10.不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)域的MSS/ASS功能梯度材料的相分布:(a)100%ASS，(b)75%ASS+25%MSS，(c)50%MSS+50%ASS，(d)75%MSS+25%ASS，(e)100%MSS。

　　圖11顯示了MSS/ASS功能梯度材料橫截面的顯微硬度結(jié)果。沉積樣品在100%MSS側(cè)具有358HV的最大硬度。原因可能是由于FGM結(jié)構(gòu)的梯度區(qū)域中的等軸晶粒結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸更細(xì)也可以由EBSD的結(jié)果直接表現(xiàn)出來，如圖9(e)。隨著ASS的增加，MSS/ASS梯度材料的硬度相應(yīng)降低。在100%ASS側(cè)觀察到試樣的最小硬度范圍為170-190HV。顯微硬度結(jié)果與奧氏體的增加有關(guān)。隨著奧氏體的增加，會形成晶粒長大區(qū)。晶粒生長區(qū)類似于粗晶粒熱影響區(qū)。在熱影響區(qū)，發(fā)現(xiàn)了一種典型的軟化現(xiàn)象，這在低碳鋼焊接中很常見。一般來說，從100%MSS側(cè)到100%ASS側(cè)，隨著奧氏體的增加，硬度幾乎立即開始降低。

　　圖12分別顯示了MSS、ASS和MSS/ASS功能梯度材料試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在這種情況下，構(gòu)建和拉伸方向是一致的。如所示圖12，MSS樣品具有大約1173MPa的抗拉強度和14%的伸長率。ASS試樣具有542MPa的抗拉強度和29.5%的伸長率，類似于通過DED存放ASS的相關(guān)研究。沉積態(tài)MSS/ASSFGMs樣品具有669MPa的抗拉強度和19%的伸長率。顯而易見，圖11與ASS試樣相比，MSS/ASSFGMs試樣的強度提高了127MPa。此外，與MSS試樣相比，MSS/ASSFGMs試樣的延性提高了35.7%。

　　圖１５多晶結(jié)構(gòu)的設(shè)計及其一個具體的應(yīng)該案例，以上這種是傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)或者很難實現(xiàn)的