激光粉末床熔融增材制造17-4 PH（AISI 630）不锈钢的原位微尺度力学性能表征

《Metals》：In Situ Micro-Mechanical Property Characterization of Additively Manufactured 17-4 PH (AISI 630) Stainless Steels

　　

增材制造（AM）技术如激光粉末床熔融（LPBF）可快速制备几何复杂构件，传统铸造或减材工艺难以实现；然而研究表明LPBF过程引入的制造缺陷（孔隙、未熔颗粒等）对力学行为有有害影响。传统宏观（试样尺度）体积的材料测试可能因缺陷分布的体积依赖性而无法准确反映LPBF金属的可扩展材料行为。为在独立于几何制造缺陷（含打印诱导材料排布）的尺度上理解基础材料行为，研究人员对AM LPBF 17-4 PH不锈钢开展原位微力学测试，为未来自下而上的材料模拟缩放提供可能。本研究在微米尺度表征LPBF 17-4PH不锈钢的拉伸与压缩行为，以消除孔隙效应与微尺度打印诱导材料排布，辅助结构件预测性放大；微拉伸测得极限抗拉强度（1359 MPa ± 99.9 MPa标准差）与失效前应变（0.31 ± 0.063 μm/μm）均高于宏观拉伸试样（分别为1025 MPa与0.190 μm/μm），多尺度对比显示大块体体积强度降低。

研究背景方面，金属增材制造（AM）特别是激光粉末床熔融（LPBF）利用高强度激光选择性熔化微米层金属粉末形成复杂构件，但层叠制造与颗粒-激光相互作用导致微结构缺陷（孔隙、未熔颗粒等）与微几何图样。已有研究指出此类异质性与几何缺陷影响块体力学行为，且标准试样级认证测试因制造诱导微缺陷的体积依赖性排布难以准确放大至大尺寸LPBF构件，限制大尺度结构模拟准确性。微力学测试可在独立于块体缺陷的尺度获取基础行为，支撑自下而上材料模拟。此前对LPBF 17-4 PH钢微压缩有所研究，但微拉伸表征缺乏。该研究在《Metals》发表，旨在填补LPBF 17-4 PH微尺度与试样尺度性能研究空白，识别可能影响大体积构件的长度尺度效应。

关键技术方法上，研究人员从经拉伸测试的LPBF 17-4 PH宏观试样（由NIST与工业伙伴采用EOSINT M270制备，20 μm层厚棋盘图案）的屈服段与未屈服夹持段切取薄片，通过光刻与湿法腐蚀结合聚焦离子束（FIB）铣削制作1 μm宽×4 μm高标距微拉伸试样及直径4 μm、高12–14 μm微柱；在SEM内用Hysitron PI-88 picoindenter进行位移控制微拉伸（4 nm/s）与微压缩（4或10 nm/s），并以SEM像素追踪校正局部应变；另用Berkovich压头在1000–8000 μN载荷下做纳米压痕获取硬度和模量。样本来源于同一宏观拉伸试样的应变与未应变区，以考察应变诱导奥氏体-马氏体转变影响。

研究结果部分，首先为“材料弹性模量与硬度测量（来自纳米压痕）”：通过载荷-位移曲线分析得平均弹性模量187.6 ± 18.2 GPa、硬度6.52 ± 0.81 GPa，高载荷下数值降低，呈现纳米压痕尺寸效应；压痕约束应力态不同于微柱压缩非约束态。其次“应变诱导马氏体与长度尺度对微宏试样性能的影响”：微拉伸标距段（预应变区）平均失效应变比夹持段（未屈服）低19%，极限抗拉强度（UTS）均值相近；所有微拉伸平均UTS 1359 MPa（峰值1413 MPa，标准差99.9 MPa），平均失效应变0.31 μm/μm（峰值0.425 μm/μm）；预应变区微拉伸平均UTS 1329 ± 183 MPa，平均失效应变0.25 μm/μm。宏观试样UTS 1025 MPa、失效应变0.190 μm/μm；微尺度相对宏观屈服强度增75%、UTS增21%、失效应变增41%，微试样约5%应变达UTS而宏观约18%。差异归因于宏观体存在孔隙等LPBF缺陷及位错/晶界作用，微试样呈单晶剪切滑移断口（45°剪切断面），区别于宏观杯锥状断裂。微压缩自夹持段得平均压缩屈服强度759 ± 207 MPa，观测到应变硬化，可能与残留奥氏体有关；研究人员认为微柱压缩模量更适于自下而上放大。

讨论与结论翻译：传统宏观试样体积测试因制造缺陷分布的体积依赖性可能无法准确捕捉LPBF金属可扩展行为。本研究通过原位微力学测试在独立于几何制造缺陷（含打印诱导材料排布）尺度表征LPBF 17-4 PH不锈钢拉伸压缩行为。微样取自宏观试样屈服与未屈服部并对比宏微行为，纳米压痕揭示长度尺度对模量硬度影响。微相对宏拉伸呈现屈服强度增75%、UTS增21%、失效应变增41%；微体积无孔隙未熔等缺陷是性能差异可能原因。该研究为LPBF 17-4 PH不锈钢未来大体积结构尺度自下而上模拟缩放提供了必要基础数据块。