為更好地完成第七屆中國科協優秀科技論文（製造業與材料集群）遴選推介工作，同時促進中國機械工程學會科技期刊發展，擴大科技期刊的影響力，建設良好的科研環境，中國機械工程學會開展了「中國機械工程學會優秀論文」遴選工作。來自中北大學趙占勇副教授的「17-4PH高強鋼SLM成形組織與性能研究」一文入選「2022年中國機械工程學會優秀論文」。
17-4PH高強鋼為超低碳鋼，依靠析出第二相使材料產生強化作用，作為一種具有高強度和強耐腐蝕性的不鏽鋼材料，在醫療器械、化工、汽車製造、軍工、航空航天及核工業等方面有著廣泛的應用，由於材料只能長期服役在低於300℃下，對於其性能要求更高，以及其沉澱硬化而產生的高硬度使得該材料變得很難加工，傳統的高溫加工工藝已經不能滿足零件的加工，如鑄造工藝缺陷問題，給後續變形加工和熱處理造成的難度較大，以及焊接的複雜零件易產生應力集中，因此用選擇性雷射熔化（SLM）成形技術步解決了成形問題。
SLM成形技術利用金屬粉末在雷射束的熱作用下快速熔化冷卻，克服了傳統技術製造具有複雜形狀金屬零件的難題，但SLM成形熱循環過程導致殘餘應力、形成裂紋、成形過程中發生飛濺，以及氣孔的形成對力學性能或成形零件的表面粗糙度產生不利影響，以及在製造過程中存在各向異性、孔隙、殘餘應力和分層等問題。近年來，通過對SLM成形參數（雷射功率、掃描速度、掃描間距、層厚、構建方向、保護氣氛等）的研究，提高SLM成形零件的整體性能成為研究者的重要目標。RASHID R等研究了單次掃描和雙掃描兩種不同掃描策略對SLM成形17-4PH高強鋼相對密度、顯微組織和硬度的影響，結果表明，雙掃描策略成形的試樣比單掃描的具有更高的密度和硬度，由於每層掃描兩次，可以消除層間的氣孔孔隙，提高緻密度，在第二次掃描時殘餘奧氏體轉變為馬氏體。MURR L E,等研究了在Ar或N2氣氛中通過SLM成形製造的17-4PH高強鋼，結果表明，SLM成形使用Ar保護氣氛成形的試樣產生均的為馬氏體組織。戴世民等研究了工藝參數對SLM成形17-4PH高強鋼的相對密度、尺寸精度和表面粗糙度的影響，結果表明，隨掃描速度的增加，相對密度先增加後減少，隨雷射功率增加和層厚減少，相對密度和尺寸偏差增大，當掃描間距較小時，隨掃描速度增加，表面粗糙度先增加後減小，當掃描間距較大時，隨掃描速度增加，表面粗糙度先減小後趨於穩定。HU Z H等研究了不同工藝參數對密度、缺陷和硬度的影響，結果表明，掃描速度和層厚對密度有顯著影響，掃描間距的影響取決於掃描速度，其對硬度都有影響；LASHGARIH R等研究了六角掃描和同心掃描、垂直掃描和水平掃描以及單掃描和雙掃描對組織、摩擦性能和腐蝕的影響，結果表明,六邊形掃描策略的耐磨性和耐腐蝕性能優於同心掃描策略。
西北工業大學中北大學趙占勇副教授在2021年第41卷第12期《特種鑄造及有色合金》期刊上發表了題為「SLM成形17-4PH高強鋼組織與性能研究」的文章，文章採用選擇性雷射熔化（SLM）成形技術製備了17-4PH高強鋼，研究了雷射功率和掃描間距對試樣組織和性能的影響，確定了最佳工藝參數，對試樣組織進行表徵同時對拉伸性能和斷裂機制進行研究。結果表明，在雷射功率為165W時，雷射能量密度低粉末吸收能量較少，導致粉末存在未熔化區域；隨著雷射功率增加到205W時，粉末吸收能量增多，導致出現球化現象，試樣氣孔增多；掃描間距對孔隙缺陷影響比掃描功率小。雷射功率為185W和掃描間距為110μm工藝參數下，氣孔分布少，硬度（HV）達到370。17-4PH高強鋼SLM成形微觀組織主要由馬氏體和奧氏體組成，沉澱硬化相為ε-Cu，提高了材料的硬度；斷口韌窩形狀大小相似且尺寸較小，表明試樣有較高的強度和良好的韌性。
【試驗方法】
使用的17-4PH高強鋼粉體的主要化學成分（質量分數）為：Cr 為14.10%，Ni 為3.94%，Cu 為5.64%，Si為 0.47%，Mn為 0.37%，Nb為 0.21%，C為 0.07%，Fe餘量。對17-4PH不鏽鋼粉末進行篩選，過濾出粉末中的雜質，將過濾後的粉末放入烘乾箱進行乾燥處理，經過乾燥後的金屬粉末中無水分。
使用三維M150型選擇性雷射熔化成形設備，其搭載200 W/500 W水冷光纖雷射器，雷射波長為106~1090 nm，成形室內用氬氣保護。對影響成形的工藝參數進行優化設計，影響選擇性雷射熔化成形試樣的因素有雷射功率、掃描間距、掃描速度、曝光時間、層厚等。試驗中固定掃描速率620mm·s -1和層厚30 μm，選擇不同雷射功率P、掃描間距d進行研究，具體見表1
拉伸試驗採用Instron 3382型號拉伸機，在大氣和室溫環境下進行，應變速率為1mm/min，試樣切割為片狀骨頭樣，拉伸試樣見圖1。
圖1 拉伸試樣
硬度檢測用HVS-1000顯微硬度計，壓頭為金剛石，在垂直於試樣橫截面施加載荷為0.5N，保持時間15 s。用Zeiss金相顯微鏡(OM)對選擇性雷射熔化成形的金相組織進行觀察，試樣採用砂紙逐級打磨至表面無明顯劃痕，隨後採用2.5 μm和1.5 μm金剛石拋光液在拋光機上機械拋光獲得光滑表面。採用TESCAN-LYRA3型場發射掃描電微鏡（SEM）對選擇性雷射熔化成形的試樣進行微觀組織形貌的表徵。17-4PH高強鋼蝕刻液是配比為4 g CuSO4+20 mLHCl+20 mL去離子水，蝕刻時間為25~30 s。
【試驗結果】
17-4PH高強鋼SLM成形在185 W功率和110 μm掃描間距下，氣孔分布情況相對來說較少，密度較大，硬度較大。
17-4PH高強鋼SLM成形微觀組織主要由馬氏體和殘餘奧氏體組成，可觀察到橫縱截面組織有差別，在縱截面可以看出有明顯的熔池呈層間帶狀。根據EDS分析，17-4PH高強鋼的沉澱相為ε-Cu以及一些碳化物，可以提高材料的硬度。
17-4PH高強鋼拉伸斷口面由纖維區、放射區和剪切唇區3個的區域構成，斷口韌窩形狀大小相似且尺寸較小，表明試樣有較高的強度和良好的韌性。
（a）165W（b）185W（c）205W（d）雷射功率185W氣孔SEM形貌
圖2為雷射掃描速率為620 mm·s -1，掃描間距為110 μm，掃描層厚為30/μm，在不同功率下氣孔分布
（a）90 μm（b）110 μm（c）130 μm（d）掃描間距110 μm氣孔SEM形貌
圖3雷射功率為185W，雷射掃描速率為620mm·s -1，掃描層厚為30 μm，在不同描間距下的試樣氣孔分布
圖4 不同雷射功率硬度分布
圖5不同掃描間距硬度分布
OM形貌（a）X-Y截面OM形貌（b）X-Z截面OM形貌
SEM形貌（c）X-Y截面SEM形貌（d）X-Z截面SEM形貌（e）高倍X-Y截面SEM形貌（f）高倍X-Z截面SEM形貌
圖6 17-4PH高強鋼SLM成形的微觀組織
圖7 17-4PH高強鋼析出相EDS
圖8 17-4PH高強鋼的應力-應變曲線
（a） 宏觀形貌（b）微觀形貌
圖9 17-4PH高強鋼拉伸試樣SEM斷口形貌
【文獻信息】
王海霖,趙占勇,白培康,等.SLM 成形 17-4PH 高強鋼組織與性能研究[J]. 特種鑄造及有色合金,2021,41(12):1 559-1563.
WANC H L, ZHAO Z Y, BAi P K, et al. Microstructure and properties of SLM forming of 17-4PH high strength steel[J].Special Casting & Nonferrous Alloys, 2021，41(12):1 559-1 563.