利用激光粉末床熔融和定向能量沉积技术进行原位合金化，实现热作工具钢的增材制造——提高化学均匀性的策略

《steel research international》：Additive Manufacturing of Hot-Work Tool Steel by In Situ Alloying Using Laser Powder Bed Fusion and Directed Energy Deposition—Strategies to Improve Chemical Homogeneity

研究通过延长激光熔池停留时间（如双激光曝光和DED-LB工艺）改善高熔点合金元素（Cr、Mo、W）的化学均质化，分析其对显微组织与力学性能的影响。结果表明，延长熔池时间可显著减少未熔颗粒和化学不均匀性，提升材料性能。双激光曝光使Cr、Mo分布均匀性提高20%-40%，纳米硬度均匀性改善至与预合金粉末相当。DED-LB虽实现完全熔融但导致粗大晶粒和碳化物增多，硬度下降5%。研究提出机械合金化预处理可优化粉末混合均匀性，化学不均匀性在20%以内对硬度影响较小，为在 situ 合金化工艺优化提供依据。

　　在现代制造业中，激光增材制造（LAM）作为一种先进的技术，因其能够快速、高效地生产复杂形状的部件而受到广泛关注。相比传统的减材制造工艺，LAM技术能够显著减少材料消耗，并且通过逐层堆叠的方式实现几何结构的高度自由设计。然而，尽管其优势显著，LAM在生产某些高性能合金时仍然面临一些技术挑战，尤其是当使用非均匀粉末混合物进行合金化时，容易出现化学成分不均和局部缺陷的问题。这些不均不仅影响材料的性能，还可能对最终产品的质量产生不利影响，因此，如何有效改善粉末混合物在增材制造过程中的化学均匀性成为当前研究的一个重点。

本研究聚焦于一种包含高熔点合金元素钨（W）、钼（Mo）和铬（Cr）的工具钢，并探讨了在不同激光增材制造工艺中，如何通过调整熔池停留时间和熔池尺寸，提高其化学均匀性。研究中采用两种主要的LAM技术：激光粉末床熔融（PBF-LB）和定向能量沉积（DED-LB）。PBF-LB是一种常见的工艺，其特点是通过激光在粉末床上扫描，将粉末熔化并逐层固化。而DED-LB则使用更大的激光能量和更宽的熔池，从而延长了材料的熔融时间，这有助于更彻底地熔化高熔点粉末。此外，研究还引入了“双激光曝光”这一策略，通过在PBF-LB过程中对每一层进行二次熔融，以进一步促进粉末混合物中各成分的均匀分布。

在实验设计中，研究人员首先选择了一种称为X36CrMoWNiV10-3-2的二次硬化模型合金作为研究对象。该合金具有较低的冷裂倾向，通过在制造过程中保留奥氏体（RA），使得其在原始状态下的组织更加均匀。此外，该合金包含了多种重要的合金元素，如碳（C）、铬（Cr）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V）和镍（Ni），使得其能够用于研究多种合金元素在增材制造中的行为。为了进行实验，研究人员使用了气体雾化工艺制备了预合金粉末，并将该粉末与多种高熔点原料粉末混合，包括纯Fe、Cr、Mo、W和FeV80等。这些原料粉末被研磨至特定粒径，以确保其在制造过程中能够被有效熔化和均匀分布。

在制造过程中，研究团队分别使用PBF-LB和DED-LB工艺对粉末混合物进行加工，并对加工后的样品进行了详细的分析。PBF-LB工艺采用了较高的扫描速度（500 mm/s）和较窄的熔池尺寸，而DED-LB则通过降低扫描速度（5 mm/s）和扩大激光聚焦直径，显著增加了熔池的尺寸和停留时间。通过对样品进行电子背散射衍射（EBSD）和能谱分析（EDS），研究人员能够评估其微观结构和化学成分的均匀性。此外，纳米压痕测试和维氏硬度测试被用来分析材料的局部和整体硬度，从而进一步评估化学成分不均对机械性能的影响。

研究结果表明，不同制造工艺对粉末混合物的化学均匀性产生了显著影响。在PBF-LB工艺中，单次曝光的样品（MIX-PBF）表现出较高的化学不均，尤其是在铬（Cr）和钼（Mo）的分布上，部分高熔点原料颗粒未能完全熔化，导致局部化学成分偏差和裂纹形成。相比之下，采用双激光曝光的样品（MIX-RE）由于增加了熔池的停留时间，能够有效减少这些不均，从而提高化学均匀性。然而，由于钨（W）的熔点较高，其在PBF-LB过程中仍未能实现完全熔化，导致其分布仍然存在一定的不均。而在DED-LB工艺中，由于熔池更大、停留时间更长，样品（MIX-DED）的化学不均得到了进一步改善，甚至在部分合金元素的分布上达到了与预合金粉末（PRE-PBF）相似的水平。

通过分析不同样品的化学均匀性和硬度，研究人员发现，化学成分的不均对材料的硬度有直接影响。在PBF-LB工艺中，单次曝光的样品（MIX-PBF）表现出较低的二次硬度，这可能与局部化学不均和未熔化颗粒的存在有关。而双激光曝光的样品（MIX-RE）在二次硬度上有所提升，但仍未完全达到预合金粉末的水平。DED-LB工艺虽然在化学均匀性方面表现更优，但其加工过程中形成的粗大晶粒和共晶碳化物对硬度产生了一定的负面影响。因此，尽管DED-LB在提高化学均匀性方面具有优势，但其对硬度的影响可能需要进一步优化。

此外，研究还发现，粉末混合物的化学均匀性与微观组织的形成密切相关。在PBF-LB过程中，由于快速凝固和冷却，形成的微观结构通常较为细小，且容易出现局部的化学不均。而在DED-LB工艺中，由于熔池尺寸更大、冷却速率较低，材料的凝固过程更为缓慢，从而形成了较为粗大的微观结构，这种结构的变化对硬度和机械性能产生了重要影响。因此，在选择增材制造工艺时，需要综合考虑化学均匀性和微观结构的平衡，以实现最佳的性能表现。

为了进一步提高粉末混合物的均匀性，研究团队还探讨了其他可能的工艺改进方法。例如，通过使用更高能量的行星式球磨机对粉末进行机械合金化，可以有效促进不同原料颗粒之间的混合和均匀分布。此外，减小粉末颗粒的尺寸也有助于提高熔池与颗粒的接触面积，从而促进更彻底的熔化。然而，过小的颗粒可能在PBF-LB过程中导致熔合不足的问题，因此需要在颗粒尺寸和制造工艺之间找到合适的平衡点。

综上所述，本研究通过实验分析和理论探讨，揭示了不同激光增材制造工艺对粉末混合物化学均匀性和微观结构的影响。研究结果表明，通过延长熔池的停留时间和扩大熔池尺寸，可以有效改善粉末混合物的化学均匀性，从而提高最终产品的性能。然而，这一过程仍然面临一些挑战，如高熔点元素的完全熔化和微观结构的优化。未来的研究可以进一步探索这些工艺的改进方法，以实现更高质量的工具钢制造。