導讀：塑性變形輔助方法對調(diào)節(jié)增材制造(AM) 金屬樣品的微觀結(jié)構(gòu)和力學性能具有積極作用。然而，當通過激光定向能量沉積制造金屬樣品時（LDED），常用的軋制變形輔助方法的適用性和工藝靈活性有很大的局限性，需要進一步改進。

本研究開發(fā)了一種同步錘鍛輔助激光定向能量沉積 (SHLDED) 方法，研究了同步錘鍛對 LDED 處理的 316L 不銹鋼樣品的顯微組織和力學性能的影響。結(jié)果表明，使用55 N的小錘擊力可以實現(xiàn)高達21%的沉積材料的大塑性變形。

與LDED樣品相比，SHLDED樣品的微觀結(jié)構(gòu)顯示出明顯的等軸晶粒和細化效果。極圖最大強度降低50%，平均晶粒度減少 69%。由于晶粒細化和加工硬化的綜合作用，SHLDED樣品的屈服強度（YS）、極限抗拉強度（UTS）和顯微硬度分別達到494±19 MPa、677±7 MPa和243±11 HV0.2，分別比 LDED 樣品高 41%、10% 和 22%。該研究為LDED金屬樣品的微觀結(jié)構(gòu)和力學性能調(diào)控提供了一種新方法。

激光定向能量沉積（LDED）是一種重要的金屬增材制造（AM）技術(shù)，它以高能量密度的激光為熱源，熔化并沉積同步輸送的金屬粉末或線材，實現(xiàn)金屬3D樣品的近凈制造。通過層層積累。

由于原位沉積和逐層積累的工藝特點，LDED在材料和結(jié)構(gòu)調(diào)控方面具有很高的工藝靈活性，在制備高性能復雜定制樣品方面顯示出廣闊的應用前景。隨著 LDED 的進步，越來越多的研究人員傾向于實現(xiàn)各種材料的定向制造，例如 Ti-6Al-4V ( Carroll et al., 2015 )、Inconel718 ( Li et al., 2022 )、高熵合金 ( Dobbelstein et al., 2021 )、不銹鋼 ( Arrizubieta et al., 2018 )、鈦基基體材料( Attar et al., 2018 )、異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料（Tan et al., 2022）、梯度材料（Wu et al., 2022）等。正如Tan 等人報道的那樣。

(2021)，LDED制造的零件廣泛應用于航空航天、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域。不幸的是，正如Debroy 等人報道的那樣。(2018) , 用于 LDED 工藝中的近一維散熱和典型的外延生長由于凝固組織的特點，目前制備的金屬試樣往往具有晶粒粗大、組織不均勻等特點。這些特性容易引起金屬樣品的各向異性問題，影響最終的力學性能，極大地限制了LDED技術(shù)在主要承重關(guān)鍵金屬樣品中的應用。如何實現(xiàn)金屬樣品的晶粒細化和等軸化已成為包括 LDED 技術(shù)在內(nèi)的所有金屬增材制造領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一( Colegrove et al., 2013 )。

為了實現(xiàn)塑性變形控制方法在LDED金屬樣品中的有效應用，大連理工大學提出了一種SHLDED 增材制造方法，并設(shè)計和構(gòu)建了一種 SHLDED 系統(tǒng)，用于制備 316L 不銹鋼金屬樣品。結(jié)果表明，同步錘鍛對組織調(diào)節(jié)有積極作用，如晶粒等軸化和細化，顯著提高了制造樣品的力學性能。沉積層的原位塑性變形是通過在 LDED 316L 樣品的混合 AM 工藝中同時應用50 Hz 高頻錘鍛實現(xiàn)的。

值得注意的是，與Duarte 等人相比。這項工作的重點是通過同步錘鍛工藝調(diào)節(jié) LDED 金屬樣品的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能，以驗證對弱剛性部件的適用性。YS 強化機制通過 Hall-Patch 公式和泰勒公式。改進和豐富同步錘鍛工藝在LDED AM領(lǐng)域的應用，對調(diào)節(jié)金屬的顯微組織和力學性能具有很大的前景。

相關(guān)研究成果以題“Synchronous-hammer-forging-assisted laser directed energy deposition additive manufacturing of high-performance 316L samples”發(fā)表在增材制造頂刊Journal of Materials Processing Technology上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013622002072

(1)該同步錘鍛裝置可在高溫區(qū)以55 N的小錘擊力實現(xiàn)21%的沉積層的大塑性變形，并且可以制作出高精度的樣品。制造的 316L 薄壁樣品的頂層表面質(zhì)量顯著提高，表面 3D 粗糙度 Sa 小于 1 µm。此外，SHLDED 工藝對 316L 金屬粉末的利用率有積極影響。

(2)與LDED樣品相比，SHLDED制造的316L樣品沒有產(chǎn)生新的相。在同步錘鍛的幫助下，SHLDED樣品表現(xiàn)出顯著的晶粒細化和等軸效應。與 LDED 316L 樣品中的 55 µm 相比，晶粒尺寸減小到 17 µm，減小了 69%。同步錘鍛輔助有效降低了LDED 316L樣品的各向異性，極圖的最大強度從24.54降低到12.71，與LDED 316L樣品相比降低了50%。

(3)SHLDED制備的316L試樣的力學性能明顯提高，整體水平已達到并超過鍛件。SHLDED樣品的顯微硬度增加到243±11 HV 0.2 ，而LDED樣品的顯微硬度為199±6 HV 0.2 ，增加了22%。由于晶粒細化和位錯強化，SHLDED 樣品的 YS 增加到 494±19 MPa，而 LDED 樣品的 YS 為 351±7 MPa，增加了近 40%。此外，與 LDED 樣品的 617 ± 6 MPa 相比， UTS增加到 677 ± 7 MPa，增加了近 10%，同時保持了可塑性，伸長率大于 45%。

圖 1。316L粉末：（a）SEM圖和（b）粒徑分布。

圖 2。同步錘鍛輔助激光定向能量沉積系統(tǒng)。

圖 3。實驗參數(shù)測量裝置：（a）錘擊力測量裝置和（b）錘擊溫度測量裝置。

圖 4。試樣制備：（a）試樣位置和（b）拉伸試樣尺寸（單位：mm）。

圖 5。同步錘鍛參數(shù)測量結(jié)果：（a）溫度曲線和（b）錘擊力曲線。

圖 6。不同輸入電壓的單通道單層截面尺寸：(a) 0 V、(b) 80 V、(c) 90 V、(d) 100 V、(e) 110 V 和 (f) 120 V。

圖 7。不同輸入電壓下上表面的 3D 粗糙度測量結(jié)果。

圖 8。通過兩種工藝制造的金屬樣品：（a）LDED薄壁樣品，（b）LDED樣品橫截面，（c）SHLDED薄壁樣品和（d）SHLDED樣品橫截面，以及（e）宏觀統(tǒng)計結(jié)果形態(tài)變化。

圖 9。XRD相分析：（a）BD-SD 截面和（b）BD-TD 截面。

圖 10。相組成和元素檢測：(a) LDED樣品中的 SEM 圖像，(b) SHLDED 樣品中的 SEM 圖像，(c) 元素線掃描，和 (d) 元素表面掃描。

圖 11。BD-TD 橫截面的金相組織圖：(a) LDED樣品的金相全局視圖，(b) SHLDED 樣品的金相全局視圖，(c) LDED 樣品的骨架結(jié)構(gòu)晶粒，(d) LDED 樣品的枝晶晶粒，( e) LDED 樣品的取向晶粒，(f) SHLDED 樣品的原纖化骨架結(jié)構(gòu)晶粒，(g) SHLDED 樣品的等軸樹枝晶，(h) SHLDED 樣品的短柱狀晶粒和樹枝狀晶粒。

圖 12。制造樣品的極圖：（a）LDED樣品極圖和（b）SHLDED樣品極圖。

圖 13。BD-SD橫截面的粒度統(tǒng)計：（a）LDED樣品的EBSD圖和粒度分布；（b）SHLDED樣品的EBSD圖和粒度分布。

圖 14。結(jié)構(gòu)演化的EBSD圖：（a） LDED樣品頂部兩層的IPF著色圖和（b）SHLDED樣品頂部兩層的IPF著色圖。

圖 15。LDED和SHLDED的顯微硬度測試結(jié)果。

圖 16。LDED和 SHLDED的拉伸特性：(a) 統(tǒng)計數(shù)據(jù)和 (b) 工程拉伸應力-應變曲線。

圖 17。機械性能統(tǒng)計：(a) 極限抗拉強度(UTS) 和 (b) 屈服強度 (YS)。

圖 18。GND位錯密度分布：（a）LDED樣品和（b）SHLDED 樣品。

圖 19。SHLDED樣品的TEM圖像：(a) 顯示高密度位錯糾纏在一起的明場圖像，(b) 位錯處的高分辨率 TEM，和 (c) 對應的逆快速傅里葉圖像。

圖 20。斷面的 SEM 圖像：(a) LDED拉伸斷口和 (b) SHLDED 拉伸斷口。

圖 21。SHLDED復雜結(jié)構(gòu)和弱剛性結(jié)構(gòu)的制造：（a）葉片結(jié)構(gòu)和（b）傾斜結(jié)構(gòu)。

來源：材料學網(wǎng)

導讀：塑性變形輔助方法對調(diào)節(jié)增材制造(AM) 金屬樣品的微觀結(jié)構(gòu)和力學性能具有積極作用。然而，當通過激光定向能量沉積制造金屬樣品時（LDED），常用的軋制變形輔助方法的適用性和工藝靈活性有很大的局限性，需要進一步改進。

本研究開發(fā)了一種同步錘鍛輔助激光定向能量沉積 (SHLDED) 方法，研究了同步錘鍛對 LDED 處理的 316L 不銹鋼樣品的顯微組織和力學性能的影響。結(jié)果表明，使用55 N的小錘擊力可以實現(xiàn)高達21%的沉積材料的大塑性變形。

與LDED樣品相比，SHLDED樣品的微觀結(jié)構(gòu)顯示出明顯的等軸晶粒和細化效果。極圖最大強度降低50%，平均晶粒度減少 69%。由于晶粒細化和加工硬化的綜合作用，SHLDED樣品的屈服強度（YS）、極限抗拉強度（UTS）和顯微硬度分別達到494±19 MPa、677±7 MPa和243±11 HV0.2，分別比 LDED 樣品高 41%、10% 和 22%。該研究為LDED金屬樣品的微觀結(jié)構(gòu)和力學性能調(diào)控提供了一種新方法。

激光定向能量沉積（LDED）是一種重要的金屬增材制造（AM）技術(shù)，它以高能量密度的激光為熱源，熔化并沉積同步輸送的金屬粉末或線材，實現(xiàn)金屬3D樣品的近凈制造。通過層層積累。

由于原位沉積和逐層積累的工藝特點，LDED在材料和結(jié)構(gòu)調(diào)控方面具有很高的工藝靈活性，在制備高性能復雜定制樣品方面顯示出廣闊的應用前景。隨著 LDED 的進步，越來越多的研究人員傾向于實現(xiàn)各種材料的定向制造，例如 Ti-6Al-4V ( Carroll et al., 2015 )、Inconel718 ( Li et al., 2022 )、高熵合金 ( Dobbelstein et al., 2021 )、不銹鋼 ( Arrizubieta et al., 2018 )、鈦基基體材料( Attar et al., 2018 )、異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料（Tan et al., 2022）、梯度材料（Wu et al., 2022）等。正如Tan 等人報道的那樣。

(2021)，LDED制造的零件廣泛應用于航空航天、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域。不幸的是，正如Debroy 等人報道的那樣。(2018) , 用于 LDED 工藝中的近一維散熱和典型的外延生長由于凝固組織的特點，目前制備的金屬試樣往往具有晶粒粗大、組織不均勻等特點。這些特性容易引起金屬樣品的各向異性問題，影響最終的力學性能，極大地限制了LDED技術(shù)在主要承重關(guān)鍵金屬樣品中的應用。如何實現(xiàn)金屬樣品的晶粒細化和等軸化已成為包括 LDED 技術(shù)在內(nèi)的所有金屬增材制造領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一( Colegrove et al., 2013 )。

為了實現(xiàn)塑性變形控制方法在LDED金屬樣品中的有效應用，大連理工大學提出了一種SHLDED 增材制造方法，并設(shè)計和構(gòu)建了一種 SHLDED 系統(tǒng)，用于制備 316L 不銹鋼金屬樣品。結(jié)果表明，同步錘鍛對組織調(diào)節(jié)有積極作用，如晶粒等軸化和細化，顯著提高了制造樣品的力學性能。沉積層的原位塑性變形是通過在 LDED 316L 樣品的混合 AM 工藝中同時應用50 Hz 高頻錘鍛實現(xiàn)的。

值得注意的是，與Duarte 等人相比。這項工作的重點是通過同步錘鍛工藝調(diào)節(jié) LDED 金屬樣品的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能，以驗證對弱剛性部件的適用性。YS 強化機制通過 Hall-Patch 公式和泰勒公式。改進和豐富同步錘鍛工藝在LDED AM領(lǐng)域的應用，對調(diào)節(jié)金屬的顯微組織和力學性能具有很大的前景。

相關(guān)研究成果以題“Synchronous-hammer-forging-assisted laser directed energy deposition additive manufacturing of high-performance 316L samples”發(fā)表在增材制造頂刊Journal of Materials Processing Technology上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013622002072

(1)該同步錘鍛裝置可在高溫區(qū)以55 N的小錘擊力實現(xiàn)21%的沉積層的大塑性變形，并且可以制作出高精度的樣品。制造的 316L 薄壁樣品的頂層表面質(zhì)量顯著提高，表面 3D 粗糙度 Sa 小于 1 µm。此外，SHLDED 工藝對 316L 金屬粉末的利用率有積極影響。

(2)與LDED樣品相比，SHLDED制造的316L樣品沒有產(chǎn)生新的相。在同步錘鍛的幫助下，SHLDED樣品表現(xiàn)出顯著的晶粒細化和等軸效應。與 LDED 316L 樣品中的 55 µm 相比，晶粒尺寸減小到 17 µm，減小了 69%。同步錘鍛輔助有效降低了LDED 316L樣品的各向異性，極圖的最大強度從24.54降低到12.71，與LDED 316L樣品相比降低了50%。

(3)SHLDED制備的316L試樣的力學性能明顯提高，整體水平已達到并超過鍛件。SHLDED樣品的顯微硬度增加到243±11 HV 0.2 ，而LDED樣品的顯微硬度為199±6 HV 0.2 ，增加了22%。由于晶粒細化和位錯強化，SHLDED 樣品的 YS 增加到 494±19 MPa，而 LDED 樣品的 YS 為 351±7 MPa，增加了近 40%。此外，與 LDED 樣品的 617 ± 6 MPa 相比， UTS增加到 677 ± 7 MPa，增加了近 10%，同時保持了可塑性，伸長率大于 45%。

圖 1。316L粉末：（a）SEM圖和（b）粒徑分布。

圖 2。同步錘鍛輔助激光定向能量沉積系統(tǒng)。

圖 3。實驗參數(shù)測量裝置：（a）錘擊力測量裝置和（b）錘擊溫度測量裝置。

圖 4。試樣制備：（a）試樣位置和（b）拉伸試樣尺寸（單位：mm）。

圖 5。同步錘鍛參數(shù)測量結(jié)果：（a）溫度曲線和（b）錘擊力曲線。

圖 6。不同輸入電壓的單通道單層截面尺寸：(a) 0 V、(b) 80 V、(c) 90 V、(d) 100 V、(e) 110 V 和 (f) 120 V。

圖 7。不同輸入電壓下上表面的 3D 粗糙度測量結(jié)果。

圖 8。通過兩種工藝制造的金屬樣品：（a）LDED薄壁樣品，（b）LDED樣品橫截面，（c）SHLDED薄壁樣品和（d）SHLDED樣品橫截面，以及（e）宏觀統(tǒng)計結(jié)果形態(tài)變化。

圖 9。XRD相分析：（a）BD-SD 截面和（b）BD-TD 截面。

圖 10。相組成和元素檢測：(a) LDED樣品中的 SEM 圖像，(b) SHLDED 樣品中的 SEM 圖像，(c) 元素線掃描，和 (d) 元素表面掃描。

圖 11。BD-TD 橫截面的金相組織圖：(a) LDED樣品的金相全局視圖，(b) SHLDED 樣品的金相全局視圖，(c) LDED 樣品的骨架結(jié)構(gòu)晶粒，(d) LDED 樣品的枝晶晶粒，( e) LDED 樣品的取向晶粒，(f) SHLDED 樣品的原纖化骨架結(jié)構(gòu)晶粒，(g) SHLDED 樣品的等軸樹枝晶，(h) SHLDED 樣品的短柱狀晶粒和樹枝狀晶粒。

圖 12。制造樣品的極圖：（a）LDED樣品極圖和（b）SHLDED樣品極圖。

圖 13。BD-SD橫截面的粒度統(tǒng)計：（a）LDED樣品的EBSD圖和粒度分布；（b）SHLDED樣品的EBSD圖和粒度分布。

圖 14。結(jié)構(gòu)演化的EBSD圖：（a） LDED樣品頂部兩層的IPF著色圖和（b）SHLDED樣品頂部兩層的IPF著色圖。

圖 15。LDED和SHLDED的顯微硬度測試結(jié)果。

圖 16。LDED和 SHLDED的拉伸特性：(a) 統(tǒng)計數(shù)據(jù)和 (b) 工程拉伸應力-應變曲線。

圖 17。機械性能統(tǒng)計：(a) 極限抗拉強度(UTS) 和 (b) 屈服強度 (YS)。

圖 18。GND位錯密度分布：（a）LDED樣品和（b）SHLDED 樣品。

圖 19。SHLDED樣品的TEM圖像：(a) 顯示高密度位錯糾纏在一起的明場圖像，(b) 位錯處的高分辨率 TEM，和 (c) 對應的逆快速傅里葉圖像。

圖 20。斷面的 SEM 圖像：(a) LDED拉伸斷口和 (b) SHLDED 拉伸斷口。

圖 21。SHLDED復雜結(jié)構(gòu)和弱剛性結(jié)構(gòu)的制造：（a）葉片結(jié)構(gòu)和（b）傾斜結(jié)構(gòu)。

來源：材料學網(wǎng)