《Materials Science and Engineering: A》：Manipulating microstructure and mechanical properties of 17-4?PH steel in directed energy deposition: the role of heat input in intrinsic heat treatment
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刘志伟|唐子彦|李苏|唐雅|赵月|佐藤裕隆|钱金文|肖一峰教育部复杂轨道加工技术与装备工程研究中心，湘潭大学，湘潭，411105，中国摘要增材制造通过在逐层制造过程中进行内在热处理（IHT），实现了对微观结构和机械性能的现场控制。本研究系统地探讨了IHT的热输入对采用电弧定向能量
刘志伟|唐子彦|李苏|唐雅|赵月|佐藤裕隆|钱金文|肖一峰
教育部复杂轨道加工技术与装备工程研究中心，湘潭大学，湘潭，411105，中国
摘要
增材制造通过在逐层制造过程中进行内在热处理（IHT），实现了对微观结构和机械性能的现场控制。本研究系统地探讨了IHT的热输入对采用电弧定向能量沉积法制造的17-4 PH钢的微观结构演变和最终机械性能的影响。研究表明，主动IHT引发了复杂的微观结构变化，包括广泛的马氏体回火、细小富铜团簇（5–25 nm）的析出以及奥氏体的逆转变。通过K–S取向关系控制的扩散机制形成的逆奥氏体，在晶界处由于镍的偏聚而得到稳定。然而，增加热输入会由于长时间的热暴露、较慢的冷却速率以及元素均匀化的增强而显著降低奥氏体的保留量。在低热输入的优化IHT条件下，实现了优异的强度-延展性协同效应——极限抗拉强度为1173 MPa，屈服强度为797 MPa，伸长率为14.5%——这与传统锻造材料的性能相当。这种优异的组合归因于由亚稳态逆奥氏体引起的变形诱导塑性（TRIP）和富铜团簇的纳米析出强化的协同效应。相比之下，较高的热输入会以牺牲极限抗拉强度和延展性为代价进一步提高屈服强度，这是由于奥氏体的消耗和析出物的粗化抑制了TRIP效应和加工硬化能力。本研究建立了一个基于微观结构的框架，通过精确调控IHT来定制增材制造的17-4 PH钢的机械性能。
引言
增材制造（AM），俗称3D打印，能够通过从数字模型逐层沉积材料来直接制造复杂部件[1]。与传统制造方法相比，该技术具有明显的优势，如更高的材料利用效率和能源效率、更短的生产周期以及前所未有的设计自由度[2,3]。电弧定向能量沉积（WA-DED）是一种典型的金属AM工艺，它使用电弧作为热源，并以实心金属丝作为原料[4]。由于其较高的沉积速率和相对较低的操作成本（相对于粉末床熔化方法如选择性激光熔化和电子束熔化），它特别适合制造中等复杂度的大型部件，尽管在尺寸精度方面有所牺牲[4,5]。在WA-DED过程中，局部熔化的金属通常以10-10^2°C/s的冷却速率凝固和淬火[6]。随后，淬火后的微观结构会经历多次来自相邻沉积层的瞬态再加热循环[7,8]。这种在AM中的独特现象类似于传统热处理，通常被称为内在热处理（IHT）[9,10]。
近年来，多项研究试图利用IHT在DED过程中定制已制造钢部件的微观结构。Hentschel等人[11]证明，IHT可以在激光AM过程中触发金属间相（Fe7Mo6、Laves、R′）的析出，从而提高硬度。Kürnsteiner等人[9]利用IHT在Fe19Ni5Ti马氏体时效钢中诱导纳米级η-Ni3Ti析出，制造出具有1300 MPa抗拉强度和10%伸长率的类似大马士革钢的材料。此外，他们还表明IHT可以在Fe-19Ni-xAl钢中触发β′-NiAl颗粒的析出[10]。同样，Tan等人[12]在激光DED过程中使用IHT在Fe-Ni-Ti-Al马氏体时效钢中实现了Ni3Ti析出，获得了1538 MPa的抗拉强度和8.1%的伸长率。虽然这些研究推进了对DED过程中钢部件中IHT的理解，但它们主要集中在马氏体时效钢和激光DED工艺上。其他类型钢和工艺中的IHT现象仍需进一步研究。
17-4 PH钢是一种典型的马氏体沉淀硬化不锈钢（MPHSS），以其高强度、断裂韧性和耐腐蚀性的优异组合而闻名[13,14]。其微观结构可以通过多种固溶时效处理进行工程化设计，从而广泛应用于模具设备、飞机部件、发电系统和石化基础设施等领域[15,16]。目前，17-4 PH钢部件已经使用WA-DED工艺制造。Martina等人[17]首创了一种用于17-4 PH钢的串联火炬WA-DED系统，实现了9.5 kg/h的业界领先沉积速率。Wang等人[18]对脉冲TIG WA-DED制造的17-4 PH薄壁结构进行的后续微观结构研究表明，主要形成了马氏体基体，并均匀分布着δ-铁素体，同时由于沉积过程中的不同热历史，沿构建方向（BD）存在明显的微观结构梯度。Caballero等人[19]对17-4 PH部件的补充研究证实了WA-DED制造的17-4 PH部件中树枝状马氏体-δ铁素体结构的普遍存在，表明固溶时效处理有效优化了强度-延展性平衡。Zhou等人[20]通过调整固溶时效热处理工艺进一步优化了逆奥氏体和富铜纳米析出的含量，实现了WA-DED制造的17-4 PH钢的优异极限抗拉强度（1340 MPa）和伸长率（12%）。此外，Lyu等人[21]协同优化了WA-DED和后处理热处理工艺，获得了具有1437 MPa抗拉强度和15%伸长率的17-4 PH部件。这些研究强调了固溶时效处理在改善WA-DED制造的17-4 PH部件机械性能方面的有效性。然而，在WA-DED过程中有效定制17-4 PH部件的微观结构和性能的策略尚不明确，这限制了已制造部件的直接应用。
最近，本文作者发现，在WA-DED过程中触发IHT可以改变17-4 PH钢的微观结构，并同时提高其强度和延展性[22]。本研究进一步探讨了IHT引起的微观结构演变机制，并旨在通过IHT调节来定制WA-DED过程中17-4 PH部件的微观结构和机械性能。结果为通过IHT定制微观结构提供了基本见解，为WA-DED过程中MPHSS部件的机械性能的现场优化开辟了一条新途径。
章节摘录
材料加工
使用冷金属转移（CMT）DED系统制造了厚度约为150 mm、高度约为40 mm的17-4 PH钢薄壁部件（图1a）。沉积过程中使用了直径为1.2 mm的商用17-4 PH钢丝，其成分（重量百分比）为：0.043 C、15.99 Cr、4.01 Ni、3.02 Cu、0.20 Nb、0.66 Mn、0.25 Si、0.017 P，其余为Fe。所有样品的工艺参数详见表1。热输入（HI）的计算公式为：HI = η × U × I/TS，
宏观观察和硬度分布
图2展示了每个沉积层中心线处的蚀刻截面形态及相应的硬度分布。所有样品中均未检测到缺陷，而这些样品的层宽和层高随着热输入的增加而增加。在硬度分布方面，IT200-131样品的所有层显示出大约350 HV的恒定硬度。相比之下，IT50-131样品的硬度值也较低
未进行IHT时的微观结构形成
这些样品顶层的微观结构直接由凝固和淬火形成，未经过后续的IHT处理。它主要由新鲜马氏体组成，晶界区域保留了δ-铁素体（图3）。在WA-DED过程中17-4 PH钢的凝固过程中，δ-铁素体最初从液相形成[22]。随后，δ-铁素体转变为奥氏体，然后在冷却至Ms温度以下时再次转变为马氏体。然而，快速
结论
本研究阐明了层间温度和热输入在通过IHT控制WA-DED制造的17-4 PH钢的微观结构演变和机械性能中的关键作用。主要结论如下：
- (1)
IHT激活引发了马氏体回火（高达97%）、富铜团簇的析出（5–25 nm）以及奥氏体的逆转变（高达19.1%），而抑制IHT则产生了均匀的马氏体结构。
- (2)
逆奥氏体通过扩散控制机制形成
CRediT作者贡献声明
刘志伟：概念构思、研究方法、撰写——初稿。唐子彦：研究。李苏：数据整理、撰写——审阅与编辑。赵月：监督、撰写——审阅与编辑。佐藤裕隆：监督、撰写——审阅与编辑。钱金文：研究方法、撰写——审阅与编辑。肖一峰：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
刘志伟博士感谢广东省基础与应用基础研究基金会（编号：2022A1515110702）的财政支持。这项工作还得到了广东省科技计划和技术开发计划（编号：2020GDASYL-20200301001）以及广东省科技规划项目（编号：2022B1212050001）的财政支持。
