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本文介绍的Steel增材制造新型钢材的可定制力学性能研究来自Dr. Sing Swee Leong，他于2021年8月聘任为新加坡国立大学机械工程系助理教授，目前Dr. Sing Swee Leong也是新加坡国立大学广州创新研究院的博士生导师。
研究背景
增材制造（也称为3D打印）是一种逐层构建复杂高性能金属零件的先进制造方法，在制备复杂形状零件方面相较于传统成型工艺具有显著优势。增材制造的冶金特性（例如高冷速和热循环）为材料性能的定制化提供了独特的机会，使其能够直接调控材料的显微组织和力学性能。然而，传统的增材制造粉末原料并未针对这些冶金特性进行设计与优化，在增材制造后还通常需要进行热处理以改善其微观组织，因而在一定程度上限制了其性能定制化的潜力。本研究选用了一种具备快速析出特性的 Fe–Ni–Ti–Al 马氏体时效钢，在无需后处理的条件下，充分发挥增材制造过程中原位微观结构调控的潜力，从而实现了力学性能的定制化。
研究内容
本研究重点优化 Fe–21.1Ni–6.3Ti–1.3Al (wt.%)马氏体时效钢的激光定向能量沉积（LDED）工艺，旨在通过控制沉积过程中的热历史实现可调控的机械性能。Fe–21.1Ni–6.3Ti–1.3Al马氏体时效钢粉末的原始组织如图1 (a–e)所示。此外，本文采用了一种带有加热和冷却板的 LDED装置以调控温度场，其示意图如图1 (f)所示。本研究探讨了不同的沉积方法，以调控热历史并引发特定的微观结构和相变，从而调控钢材的强度、延展性等机械性能。本文主要研究的三种新型沉积方法包括：
层间停留沉积（IPD）：
该方法在 LDED 工艺中引入了分层暂停，通过增加这些暂停时间，可以更精确地控制热量积累，使材料在每层沉积前进行冷却。这种冷却速率的控制直接影响了热历史，确保在沉积的过程中发生马氏体相变，形成了高位错密度的区域，如图2 (a)所示。此类区域进一步诱导了η-Ni₃(Ti, Al)相的原位析出，从而提高材料的抗拉强度，同时保持延展性平衡。
恒温加热沉积（CHD）
在此方法中，基板在沉积过程中保持在恒定的高温（~200℃）。通过将基板温度保持在马氏体起始温度以上，全程抑制沉积过程中的马氏体相变，从而抑制原位析出（因为原位析出需要形成马氏体来提供驱动力）。CHD过程中显微组织演变的示意图如图2 (b)所示。这一策略有助于相和元素分布的均匀化，减少残余应力，并最终形成延展性更高的组织。
交替加热沉积（AHD）
AHD 方法在层与层之间交替进行加热和冷却，从而在钢中形成层次结构。该方法为不同层提供了不同的热历史，导致相邻层间的相成分和微观结构各异。交替的热循环促使硬相和软相的区域形成，从而提高材料的整体韧性。通过在分层结构中引入热梯度，该方法利用了独特的相变并增强了钢材的抗变形能力。
通过采用这些定向的沉积策略，本研究分析了相应的微观结构变化，重点关注马氏体和奥氏体等主要相的形成，以及 η-Ni₃(Ti, Al) 等二次相的原位析出。此外，对这些相的尺寸、分布和体积分数对材料机械性能的贡献进行了详细分析。例如，高位错密度的马氏体区域可提高强度，而 η-Ni₃(Ti, Al) 析出相的形成通过阻碍位错运动进一步强化合金。相反，由于应变诱导相变效应，奥氏体相赋予材料良好的延展性和加工硬化能力。
通过整合这些方法，本研究提供了有关如何在 LDED 过程中通过热历史控制来生产具有可定制机械性能的 Fe–Ni–Ti–Al 马氏体钢的见解，潜在地拓宽了其在需要高强度和特定延展性领域的应用前景。
▲图1. 材料与方法：(a)–(e) Fe–Ni–Ti–Al原始粉末的EBSD图像和EDX能谱图像，(f) 带有加热和冷却板的 LDED装置示意图
▲图2 通过调控热历史的显微组织演变机理示意图：(a) 层间停留沉积，(b) 恒温加热沉积
以上的研究成果已发布到如下期刊：
Jinlong Su, Qian Li, Jie Teng, Fern Lan Ng, Zheling Shen, Min Hao Goh, Fulin Jiang, Swee Leong Sing, Tao Yang, and Chaolin Tan. Programmable mechanical properties of additively manufactured novel steel. International Journal of Extreme Manufacturing (2024). (IF: 16.1, Q1, rank 15/355, Engineering, Industrial and Manufacturing Engineering)
研究团队
▲图3 Dr. Sing Swee Leong团队合影
在加入新加坡国立大学之前，Dr. Sing曾是新加坡南洋理工大学新加坡3D打印中心和机械与航空航天工程学院的总统博士后研究员。他的研究兴趣在于通过先进制造技术推动材料开发，并为工业创造战略价值。截止2024年11月，Dr. Sing在增材制造（AM）或3D打印领域已共同发表了100余篇经同行评审的文章及多个专利，h-index为40。此外他还担任多个增材制造相关期刊如Virtual and Physical Prototyping和Materials Science in Additive Manufacturing等期刊的编辑以及International Journal of Extreme Manufacturing和International Journal of AI for Materials and Design等期刊的编委等。
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