激光原位合金化显神威：定制化制备不锈钢

作者：张浩 苏航

张浩, 侯雅青, 王炫东, 苏航. 304L不锈钢的激光粉末床熔融原位合金化[J]. 中国激光, 2023, 50(4): 0402001

【封面解读】封面借助“月兔捣药”的神话故事展示了激光原位合金化过程。月兔通过施展法术发射出激光，将容器中盛放的Fe、Cr和Ni元素混合粉末进行原位合金化，以增材制造的方式制作成304L合金块体。在神话故事中，月兔制作的是人们梦寐以求的长生不老药，对于现实中的金属材料研究人员来说，借助激光原位合金化技术可以制作自己想要的具有特定成分的合金块体。

先来了解两个名词——

激光粉末床熔融(LPBF)技术是最具发展前景的增材制造技术之一，所使用的粉末材料通常为球形预合金粉末，原料粉的制备需要从传统的合金冶炼开始，经均匀化后再成形、制粉，其繁杂的工序和高昂的成本制约了新型粉末材料的开发，目前商用的材料牌号种类十分有限。

激光原位合金化是一种高效并且低成本的新材料制备手段。其基本原理是将两种以上的异质混合粉末作为LPBF原材料，利用LPBF的高能激光将异质混合粉末原位合金化，快速制备不同成分的合金块体，有望极大加快增材制造专用材料的研发速度。

然而原位合金化过程也面临着许多的技术难点，除了LPBF中常见的孔洞缺陷，异质粉末在激光成型过程中还会存在元素扩散不均匀现象，这些缺陷会严重影响成型件的性能。因此，探究LPBF工艺参数对原位合金化缺陷的影响规律，揭示致密化均匀化机理，是制备高质量样件的重要基础。

——如何利用LPBF原位合金化快速制备不锈钢？

300系不锈钢具备优异的打印性能，是最早商用的LPBF材料种类之一。中国钢研数字化中心苏航教授课题组以304L不锈钢为研究对象，使用元素混合粉末通过LPBF原位合金化制备多组不同工艺的块体试样，从致密度、微观组织形貌、成分均匀性、相结构和显微硬度等方面进行了表征，分析了致密化均匀化机理，为LPBF不锈钢材料的快速制备提供了新的技术思路。

本研究采用气雾化制备的球形Fe、Cr、Ni元素混合粉末作为实验原材料，使用杭州德迪智能科技有限公司的DLM-280金属LPBF设备，以激光功率和扫描速度为变量，共制备48组不同参数的原位合金化样品，如图1所示。

图1 （a）304L原位合金化样品照片；（b）样品的工艺参数和激光能量密度

图2（a）是基于原位合金化试样实测密度绘制的LPBF工艺窗口，图中的虚线是激光能量密度E。图2（b）是不同能量密度下样品的EDS成分偏差。致密度和均匀性结果表明：随着激光能量密度的增加，原位合金化试样在工艺窗口中的密度逐渐收敛升高，在230 W、650 mm/s时达到最高致密度99.05%；样品的成分均匀性随着激光能量密度增加逐渐提高，当激光能量密度为242 J/mm3时，各元素的偏差达到0.5%以内。

图2（a）LPBF工艺窗口；（b）EDS成分偏差

图3为不同激光能量密度下样品的EDS面扫描结果。当E=147 J/mm3时， 试样内部有明显的成分不均匀分布现象，存在大量 Fe、Cr 和 Ni 元素富集区，未熔颗粒主要为 Cr 元素颗粒；当E=242 J/mm3时，试样内部的元素偏聚现象消失，成分分布均匀。

图3 EDS面扫描结果。（a）样品S3，E=147 J/mm3；（b）样品S6，E=242 J/mm3

——建设行业内首个块体样品的高通量增材制备系统

中国钢研科技集团联合杭州德迪智能科技有限公司，基于激光粉末床熔融原位合金化技术建立了行业内首个块体样品的高通量增材制备系统，可单次高通量制备上百个不同成分的合金块体（图4）。

基于该装备基础和本研究中发现的原位合金化工艺规律，后续将开展不锈钢体系的高通量制备与分析工作，探索复杂相变下的材料强化机制，开发适用于LPBF的新型不锈钢材料。

图4 LPBF高通量制备系统及部分样件

【课题组介绍】

中国钢研数字化中心苏航教授课题组专注于材料研发、材料计算与高通量试验、增材冶金学等方面的研究。课题组秉承“高通量计算+高通量实验+数据挖掘”的原创性方法论，首次提出了激光原位合金化的概念，瞄准多材料增材制备技术，已自主研发元素粉末原位合金化高通量制备平台并建立实验室，针对高熵合金、不锈钢、高温合金、和磁性材料等新材料体系，已开展大量高通量制备、多尺度计算分析和组织性能研究工作，发表论文30余篇、申报专利软著20余项。

【通信作者介绍】

苏航，工学博士，正高级工程师，博士生导师，国务院政府特殊津贴获得者，中国钢研数字化研发中心主任兼北京钢研新材科技有限公司董事长。长期从事钢铁材料研发、数据库及材料集成计算等方面的研究工作，是国内钢铁材料热、动力学模拟技术的主要倡导者之一。主持开发的中国钢研数字化实验室，是国内首个集计算、检测、APP、大数据服务一体的可移动、可远程使用的集成管理平台。先后主持和参加了30余项国家973、863、支撑计划以及国防军工配套项目的研究。先后获冶金科技进步一等奖3项、二等奖3项；出版专著3部，获专利/软著50余项，发表论文80余篇。