低碳钢增材制造多路径对比：面向高强度结构应用的微观组织与力学性能

《Materials & Design》：Cross-route comparison of additive manufacturing of a low-carbon steel: Microstructure and mechanical properties for high-strength structural applications

　　

研究了不同增材制造（Additive Manufacturing, AM）路径制备的低碳钢的微观组织。获得了截然不同的马氏体和贝氏体组织。所有增材制造路径均使强度达到高强度钢区间。探讨了热历史、微观组织与强度之间的关系。

本研究系统对比了四种增材制造（Additive Manufacturing, AM）路径——激光粉末床熔融（PBF-LB）、激光定向能量沉积粉料（DED-LB/p）、激光定向能量沉积丝料（DED-LB/w）及电弧定向能量沉积（DED-Arc）——加工同种名义成分低碳钢（0.08 wt% C，碳当量C_eq=0.25）的微观组织与力学性能，旨在揭示路线特有热历史对微观组织演变的影响规律。

## 1. 研究背景
增材制造（AM）凭借设计自由度和制造灵活性，在航空航天、汽车及生物医学领域应用广泛，近期建筑行业开始探索其制造轻量化复杂钢结构的潜力。然而建筑领域监管严格，部件通常尺寸大且安全关键，AM技术应用仍面临挑战。不锈钢虽具有优异的耐蚀性但成本高昂，因此强度不低于460 MPa、兼具良好塑性和减重优势的高强度钢（HSS）受到关注。钢的化学成分在AM加工中至关重要，碳当量（C_eq）常用来关联低合金钢的微观组织和力学性能，本研究的合金具有较低的碳当量（0.25），表明其具有良好的可焊性和较低的开裂敏感性。
不同AM技术伴随显著不同的热循环，导致钢中微观组织产生差异。PBF-LB具有极高冷却速率（约10⁶ K/s），通常促进马氏体形成；而DED工艺冷却速率较低（DED-LB为10³~10⁴ K/s，DED-Arc为10~10² K/s），通常形成粒状贝氏体或上贝氏体。现有文献大多聚焦单一制造路线，且采用不同合金成分、工艺参数和表征程序，导致数据集之间缺乏可比性。因此，系统对比不同AM路径下微观组织与力学性能的差异十分必要。

## 2. 研究内容与结论
研究人员采用名义成分相近的粉末和丝材（丝材为B?HLER AM70铜涂层焊丝，粉末来自Mimete公司）制造15×15×15 mm³立方试样或沉积墙体，在建造状态下通过多尺度表征和力学测试对比分析。结果表明：PBF-LB形成全板条马氏体组织，具最高强度（屈服强度YS=1089±73 MPa，极限抗拉强度UTS=1102±57 MPa），但塑性最低；DED工艺均形成粒状贝氏体组织，其中DED-LB/w的UTS最高（858±25 MPa），DED-Arc的延展性最佳（均匀延伸率11.2%，断裂延伸率17.7%）。该研究系统揭示了AM工艺路线对低碳钢微观组织与强度-延展性配对的影响规律，对建筑用高强结构钢的增材制造工艺选型具备重要参考价值。相关成果发表于《Materials 》。

## 3. 主要技术方法
本研究采用多尺度微观表征结合宏观力学测试框架。工艺装备方面，PBF-LB使用PrintSharp 250系统（Prima Additive，意大利）；DED-LB/w与DED-LB/p使用集成KUKA机器人的Additube开放架构单元（BLM Group，意大利）；DED-Arc采用Fronius TPS 400i CMT焊接系统（奥地利）。表征方法包括金相光学显微镜（LOM）、场发射扫描电镜（FEG-SEM）、电子背散射衍射（EBSD，MTEX工具箱）和透射电镜（TEM）及能谱（EDS）。力学测试包含维氏显微硬度（HV0.5）、PBF-LB样品的纳米压痕（Hysitron TI 950）和室温单轴拉伸试验（ASTM E8标准）。样品在平行于建造方向的XZ平面观察。

## 4. 研究结果
### 4.1 微观组织
#### 4.1.1 PBF-LB
通过SEM与EBSD分析发现，PBF-LB工艺因极高冷却速率抑制扩散相变，形成全板条马氏体组织，残余奥氏体<0.03%。EBSD的IPF图揭示明显的微观异质性：上部区域为极细马氏体块（平均等效应径<0.37 μm），下部区域则以较粗块为主（>0.70 μm）。重建原奥氏体晶粒（PAG）结构后，马氏体块、束和PAG的平均尺寸分别为0.42、0.55和1.58 μm。IPF图显示沿[111]和[101]方向存在晶体学织构，最大MUD值为2.08。KAM图表明细晶区具有更高单位密度几何必需位错（GND）。STEM-EDS鉴定出主要富Al和Si的球形氧化物夹杂，尺寸约20~100 nm，未发现纳米碳化物。
#### 4.1.2 DED-LB/w
LOM与SEM显示DED-LB/w组织为粒状贝氏体（GB）伴随少量不规则铁素体。EBSD测得残余奥氏体为0.02%，贝氏体铁素体有效尺寸为0.80 μm，晶体学织构近随机。STEM-EDS分析表明夹杂物为富Ti、Mn、Si的球形氧化物，尺寸160~290 nm，位于贝氏体铁素体边界。
#### 4.1.3 DED-LB/p
LOM结果显示样品顶部区域与中心区域存在差异：顶部有粗大拉长的PAG，中心则为更细的等轴结构。SEM确认顶部和中心都以GB为主，但顶部区域出现上贝氏体（UB）特征，可能与局部冷却速率变化相关。EBSD测定贝氏体铁素体有效尺寸为0.98 μm，沿建造方向存在[111]织构（MUD=3.11）。夹杂物为富Si、Mn、Al的复合氧硫化物，尺寸360~410 nm。
#### 4.1.4 DED-Arc
LOM和SEM显示DED-Arc组织为典型的GB，与DED-LB/w非常相似。EBSD测量贝氏体铁素体有效尺寸为0.62 μm，为DED工艺中最细。残余奥氏体<0.02%，织构较弱（最大MUD=1.95）。STEM显示夹杂物主要为富Si、Mn、Ti的氧化物及氧硫化物，尺寸250~450 nm。

### 4.2 PBF-LB纳米压痕图谱
为了探究微观组织异质性对局部力学性能的影响，研究人员对PBF-LB样品进行了纳米压痕测试。EBSD图谱显示带状组织，粗晶带位于两个细晶带之间。纳米压痕图谱与组织对应：粗晶区纳米硬度为3.5~6 GPa，细晶区则含多个>7 GPa的测试点。根据范德堡方程估算塑性区半径为1.1~1.3 μm，大于马氏体块和束的特征尺寸，暗示晶界强化（Hall-Petch型）也贡献了局部硬度。

### 4.3 显微硬度与拉伸性能
显微硬度测试显示PBF-LB硬度最高（366±11 HV0.5），DED-LB/p、DED-LB/w、DED-Arc的硬度分别为277±9、288±15、271±6 HV0.5。拉伸性能与硬度趋势一致：PBF-LB的YS和UTS分别为1089±73 MPa和1102±57 MPa；DED-LB/w在DED工艺中强度最高（YS=530±33 MPa，UTS=858±25 MPa）；DED-LB/p强度最低（YS=491±4 MPa，UTS=728±20 MPa）；DED-Arc居中（YS=517±10 MPa，UTS=807±51 MPa）。延展性方面，PBF-LB的均匀延伸率最低（4.2%±1.1%），断裂延伸率8.1%±0.6%；DED-Arc塑性最佳（均匀延伸率11.2%±1.2%，断裂延伸率17.7%±1.4%）。应变硬化指数n从