综述（１）：增材制造模具钢的孔隙率、裂纹和力学性能

本文为大家分享模具钢增材制造过程中气孔、裂纹和性能的方面的综述，本文为第一部分。

Abstract增材制造(AM)技术目前被用于制造完全功能部件，并引起了航空航天、汽车和生物医学等高科技产业的关注。这主要是由于它们在低材料浪费和高生产率方面的优势，特别是由于可以生成的几何形状的灵活性。在模具行业，特别是模具和模具的制造，AM技术使复杂形状的生成、内部冷却通道、损坏的模具和模具的修复，以及使用多种AM材料的模具和模具的性能提高成为可能。本文综述了用于模具生产的AM工艺和材料在模具工业中的应用。首先介绍了用于模具应用的AM技术和在这个行业中使用的材料的特点。此外，分析了在AM工艺中使用的高性能模具材料的工艺参数和微观组织和力学性能方面最相关的最新方法。

本文具体分析了马氏体时效钢和H13合金钢及非铁合金(钨铬钴合金和钨铬钴合金)加工合金的AM研究。

1背景介绍

增材制造(AM)技术的最新进展使其在许多制造应用中得以使用。AM正成为生产全功能部件的有用替代方案。该技术可以生产具有复杂拓扑优化几何形状的零件，内部有腔，这是传统制造工艺[1]无法实现的。AM目前应用于要求最高的工业领域，即航空航天[2]、能源[3]、国防[4]和生物医学[5,6]等领域。金属AM工艺可以修复磨损或损坏的金属部件。这种能力在高价值组件的应用领域特别重要，例如，在修复损坏的模具和模具[7]的工具应用程序中。此外，金属AM技术提供的优势还可以用于制造具有增强几何形状和材料组合的工具应用(切削工具、模具和模具等)。在模具制造应用中，AM技术允许在表面轮廓附近产生光滑曲率的冷却通道。晶格结构也可以集成到这些通道中。这使得高效的散热成为可能，从而提高了加工效率和工具的寿命[8,9]。

然而，AM技术仍然存在一些问题，如机械性能、微观结构特征和表面粗糙度的变化，这在很大程度上取决于AM工艺的类型和参数的选择。此外，由于在AM过程中出现的高冷却速率，会产生残余应力，影响制造部件的使用性能。在此背景下，本研究着重于模具合金的AM。

本文综述了用于加工、锻造和金属成形工艺的工具和模具的加工合金的AM。考虑到这些制造过程，用于工具应用的材料必须具有特定的性能，以确保生成零件的质量和可接受的工具寿命。根据应用情况，工具材料应具有高耐磨性、良好的导热性、高韧性和冲击强度等特性。模具工业中常用的材料有工具钢、马氏体时效钢、高速钢(HSS)、有色金属合金、Co-Cr合金、硬质合金、陶瓷、金刚石和铝合金[10,11]。

在过去的几年里，金属的AM由于其在材料使用、可生成的几何形状和设计灵活性方面的优势而引起了模具行业的注意。当使用AM工艺来制造和修理各种工具时，它们必须确保上述特性。这些特征与制造过程中产生的孔隙率、微观结构完整性和残余应力密切相关，这些都是AM技术中最关键的挑战[12-14]。因此，选择最优的工艺参数，以确保生成的刀具的最佳力学和微观组织性能是至关重要的。

总的来说，金属的AM是近年来文献中许多研究和综述论文的重点。然而，到目前为止，通过AM生成的金属的微观组织和力学性能的分析主要集中在钢、铝和钛合金上。这是由于这些合金在苛刻行业的应用，如航空航天和汽车领域。考虑到这一点，本研究旨在提供关于模具和模具制造和/或修复所用的模具合金的AM最相关的发现。特别注意在模具行业所需的具体特性，并讨论了用于实现这些要求的AM技术的可行性。

本文的其余部分组织如下。在第2节中，将对金属AM工艺进行回顾，特别强调那些在模具制造应用中最常用的工艺，即激光粉末床熔化、直接激光沉积、丝弧AM和金属粘结剂喷射。然后回顾了用于工具制造的材料的主要特征。第4和5节概述了在添加剂过程中必须确保的工具的微观结构和力学性能。最后，在前几节的研究综述的基础上，对模具合金的AM提出了一些总结意见。

2MetalAMprocesses

金属AM工艺的发展已经使完全功能和最终使用的金属部件的生产成为可能。金属AM技术可分为四种不同的类型:粉末床熔融(PBF)、定向能沉积(DED)、粘结剂喷射(BJ)和材料挤压(ME)[15,16]。图1显示了所讨论的增材制造技术的示意图。

(i)PBF. 该能量源(激光或电子束)将能量传递到粉末床的某一区域，选择性熔解或熔化金属粉末。一旦整个部分融化，粉末床下降，额外的粉末被耙入工作区域。然后重复熔化过程，一层一层地创建一个三维组件。激光粉末床熔炼(L-PBF)和电子束熔炼(EBM)是这组技术中最著名的技术[13,17]。

(ii)DED.在这项技术中，利用激光作为热源，以粉末或金属丝的形式熔化材料，并用喷嘴将其沉积在预热过的表面上。材料以液滴的形式沉积，按预定的路径一层一层地生成组件。其中，激光工程净成形(LENS)、直接激光沉积(DLD)和线弧增材制造(WAAM)技术是最重要的技术[17,18]。根据功率来源的不同，WAAM技术可分为气体金属添加剂焊接(GMAW)、气体钨极弧焊(GTAW)和等离子弧焊(PAW)。

(iii)BJ. 在这种技术中，粘结剂沉积在粉末床上，选择性地粘合材料。这个部分是通过将粒子粘在一起一层一层地创建的。这种粘结剂必须在以后通过烧结[17]除去。

(iv)ME. 该材料被选择性地通过加热的喷嘴或孔口，以一层一层的方式制造零件。

Fig.1SchematicdiagramofAMtechnologies

在本节介绍的金属AM技术中，本文重点介绍了在模具合金制造中常用的技术(如图1所示)，即激光粉末床熔化、定向能沉积、线弧增材制造和BJ。在下面的部分中，将进一步描述这些技术，并讨论每种技术的优点、缺点和挑战。

Fig.2GraphicalexplanationoftheL-PBFprocess

1. 2.1Laserpowderbedfusion(L-PBF)
2. 如上所述，粉末床聚变技术可以采用激光或电子束作为能量源来熔化粉末材料。然而，在本研究中，只有L-PBF被认为是最常用的技术。它目前被用于制造高科技产业的高价值部件。它使用高功率密度激光选择性地熔化粉末层的局部区域，以创建三维零件。当粒子熔化时，从表面张力的粘性流加入它们，产生一个熔化池。然后熔化池中的能量通过传导、辐射和对流转移到周围的粉末中。一层的整合后,粉床是降低,和一个新的粉层是以前创建的层表面传播,也就是说,粉末形成的连续层,该过程将持续进行,直到完成完全致密的3 d组件根据数字设计[20]。图2显示了L-PBF技术[23]的原理图。

L-PBF的工艺参数包括扫描策略、激光光斑直径、激光功率、扫描速度、扫描线间距和粉末层厚度。为了获得生成零件的孔隙率和力学性能的最佳结果，必须对这些参数进行优化[22,24 - 26]。其中，激光功率对制件孔隙率的影响最为显著[14,27]。粉末的特性(如化学成分、尺寸、分布和形状)也对成分质量和性能有重要影响。此外，还必须优化密闭室的气体流动方向和流量，以获得最佳结果[28]。事实上，如果气体流动不充分，就会发生部分分层。此外，气流矫直机离粉床的高度和保护气体的类型也影响造粉质量。图3显示了使用L-PBF创建的一些应用程序示例[30,31]。由于激光扫描所花费的时间，生产力是L-PBF技术中最重要的问题之一。因此，L-PBF最近的研究和进步集中在提高生产率上。在这方面，已经测试了使用四激光系统来提高生产率并减少残余应力[32]。相比之下，已经引入原位脱壳来仅扫描部件的薄壳，然后进行热等静压以最小化激光扫描所花费的时间[33,34]。多激光系统也正在实施，以提高过程的生产力。同时，添加剂行业将L-PBF组件的粉末处理/清洁和后处理集成在同一个多室中，这构成了系列生产的机会[35]。其他研究集中在改进气流系统以优化消耗和工艺。过程监测也是一个研究对象，因为它可以帮助增加对AM过程背后物理的理解[36,37]。建筑板温度，环境温度和压力氧浓度等条件对工艺行为和缺陷外观有显着影响。因此，过程监控至关重要。最近，已经努力开发先进的监测系统，以控制激光功率，位置，熔池状态，建筑表面上的层分布和温度，以及其他影响参数[38,39]。

L-PBF工艺提供了优于其他制造工艺的优势。使用该技术可以制作具有小特征和内部空腔的复杂几何形状和部件。它能够生成拓扑优化的部件和晶格结构与减少的质量，这是特别有趣的航空航天工业。此外，所生产的零件具有较高的比强度和刚度。

然而，L-PBF技术也存在一些局限性。表面粗糙度是该技术的主要问题之一，是由逐层加工引起的，这导致了众所周知的“楼梯效应”。除了工艺参数外，粉末尺寸也会影响表面光洁度。当使用更小的颗粒和层厚减少时，可以获得更好的表面光洁度，但代价是增加生产时间[40]。此外，L-PBF制造的零件由于产生残余应力，通常表现出较差的疲劳性能。这些是金属部分由于制造过程中产生的大量热量而产生的热梯度的结果。

L-PBF还有其他遗留问题，如L-PBFed零件[24]的疏松和收缩。在材料从液体到固体的转变过程中会发生收缩，这也会累积残余应力，从而恶化零件的性能。熔体池[41]的疏松和不稳定性，粉末颗粒[42]之间缺乏熔合，缩小的粒径分布降低了堆积密度[44,44]，以及扫描策略都是可能促进低密度AM零件生成的一些因素[12,45]。其他问题包括粉末氧化，这可能发生由于氧气在建造室打印过程[46]。这些问题导致人们对通过L-PBF获得的质量缺乏信心，为了使该技术充分应用于生产行业，需要克服这些问题。在这种情况下，理解过程的物理原理以控制最终结果是很重要的。正如King等人[47]在他们的评论论文中所指出的，计算机模型可以帮助理解这一过程的物理，如粉末和激光之间的相互作用。这些模型将使工艺参数的优化取决于所采用的材料和设计几何形状。

Fig.3ApplicationscreatedbyL-PBFtechnologyatopologyoptimisedbracketforaerospaceindustry,bstopperand(c)connectingplateforautomotiveindustry(ThefiguresarereusedundertheCreativeCommonsAttributionLicense.)

1. 2.2Directlaserdeposition

直接激光沉积(Direct laser deposition, DLD)使用激光作为热源熔化材料，并通过工作表面上的喷嘴沉积材料。根据Thompson等人[48]的说法，DLD是一种直接沉积方法，利用金属线和/或粉末沉积在建筑平台上，同时伴随着激光束的照射。激光提供的部分热量被沉积材料的基板吸收，在表面形成一个受控的熔池。然后将材料通过喷嘴[49]输送到熔体池。此外，为了将金属氧化的风险降到最低，通常向沉积区输送惰性气体。这个过程如图4[50]所示。

DLD可以连接到机械臂上或集成到机器中，这样喷嘴就可以沿着特定的路径一层一层地生成所需的几何形状。DLD通常用于涂层和磨损或损坏部件的修复，由于其节省成本，增加了汽车和航空航天工业的兴趣。

与其他粉末技术一样，粉末特性显著影响DLD制造零件的质量和性能。必须对粉末的化学成分、粒度、分布、形貌和激光参数(激光功率、送粉速度和扫描速度)进行优化，以获得所需的物理和机械性能[51]。DLD过程中的另一个关键参数是定义粉末沉积路径的开口或扫描模式。DLD零件的显微组织和力学性能可通过改变孵化模式[52]控制。此外，喷嘴倾角和激光束聚焦是影响打印零件性能的重要因素。图5显示了DLD工艺[53]的工业应用实例。

与L-PBF技术[54]相比，DLD使金属部件的制造具有更高的生产率(更高的建造率)。此外，通过DLD工艺，可以从头开始创建部件，或者将材料沉积在现有部件和凹凸表面的特定区域，以创建特定的几何形状或修复损坏的特征。该工艺的这一特点为金属部件的制造提供了巨大的灵活性。此外，在DLD工艺中，可以同时使用不同的粉末材料，从而创造功能梯度材料或定制合金。DLD技术的另一个优点是在过程中需要低热量输入(激光功率范围在1-5 kW)，这减少了打印零件的变形和损坏建筑基板[55]。

但是，在使用DLD时必须考虑到一些缺点和限制。尺寸不准确、粗糙的表面光泽度、所谓的“阶梯效应”零件孔隙率和残余应力导致的不良机械和疲劳行为，通常是添加剂技术的常见问题，也是该工艺最典型的限制。此外，DLD还提出了特殊的问题，如在过程中可能发生的粉末氧化。DLD系统通常不会集成到一个封闭的可控环境中。因此，DLD系统通常向熔池中输送惰性气体，以限制粉末的氧化，如图4所示。然而，根据环境和加工材料的不同，这可能不足以确保沉积中没有氧化物，这可能会损害部件的完整性。与PBF工艺相比，DLD试样具有较低的硬度、较高的塑性和较高的韧性[56]。

Fig.4Schematicdiagramofpowder-basedDLDprocess

Fig.5IndustrialapplicationsoftheDLDprocessinMazakIntegrexi-400AMsystem(a)amouldinsert,(b-c)generalmachineryand(d)surfacecoatingaddedtoanimpeller

考虑到DLD的局限性，正如在L-PBF过程中提到的，计算机模型可以帮助理解过程和优化过程参数是非常重要的。作为正在努力开发DLD模型的一个例子，Liu et al.[57]最近提出了一个考虑激光功率和扫描速度参数影响的DLD过程中晶粒结构演化模型。

1. 2.3WAAM

WAAM技术属于定向能沉积AM技术，是另一项引人注目的技术。它使用电弧作为热源，金属丝作为原料，以一层一层的方式制造组件。对于使用WAAM的3D打印组件，喷嘴运动可以由机器人系统或数控机床工作台提供。WAAM系统可以使用商业可用的组件，例如机器人系统或数控工作台、焊接电源、焊枪和送丝系统[58]。此外，为了避免或减少沉积过程中的氧化问题，WAAM系统通常被封闭在一个腔室中，以提供惰性气体环境(类似于PBF系统)，或者它们配备了局部保护气体机制来提供惰性气体。最后一种选择增加了工作空间，允许制造大型金属结构[59]。图6显示了提出的WAAM技术[60]的原理图。

WAAM技术最显著的优点是能够以高沉积速率生成元件，与传统减法制造工艺[59]相比，制造时间缩短了40% - 60%。对于其他AM工艺，WAAM技术允许的沉积速率的增加也是值得注意的。例如，L-PBF和DLD技术的沉积速率分别为0.1 kg/h和1 kg/h，而WAAM系统的沉积速率可达到5-6 kg/h[61]。

然而，WAAM进程存在缺点。与L-PBF等其他AM技术相比，WAAM不允许创建分辨率[58]这样好的小细节，它生成的零件精度较低，主要是由于“阶梯”效应和比其他AM技术更高的表面粗糙度[62,63]。图7显示了通过WAAM技术生成的几何图形示例[64-66]。

此外，残余应力是所有AM技术所共有的一个普遍问题，在WAAM中尤其重要[58,61]。此外，WAAM技术还存在由残余应力引起的孔隙、开裂和变形等缺陷，这些缺陷在其他AM工艺中也很常见。

为了避免或减少上述问题的影响，近年来有几种技术被应用于WAAM元件，如后处理热处理、道间冷轧、道间冷却、喷丸和超声冲击处理等，这些技术对WAAM元件的残余应力场、气孔率、气孔率和气孔率均有良好的影响。WAAM零件的力学性能和微观组织特征[59,62]。

在其他情况下，工艺参数对WAAM获得的最终结果有重大影响。行程速度、送丝速度、电流和氩气流量是一些必须控制以获得最佳结果的最关键参数。沉积模式和沉积序列也必须考虑，以获得最佳结果[63]

1. 2.4MetalBJ

BJ是一种AM技术，它是将粘结剂沉积在粉末床上，根据一定的二维模式选择性地粘合粉末颗粒。一旦该层被打印和固化，一层新的粉末沉积在前一层的粉末床上，通常使用反向旋转的辊筒，然后再次交付粘合剂，以一层一层的方式制造零件[67-69]。图8显示了BJ过程的示意图[70]。

Fig.6SchematicdiagramofWAAMprocess(ThefigureisreusedundertheCreativeCommonsCreativeCommonsCC-BYlicense.)

Fig. 7VariousmetalAMcomponentsproducedbyWAAM(ThefiguresarereusedundertheCreativeCommonsAttributionLicense.)

作为沉积的部分，通常被称为绿色部分，是脆弱的，需要进一步的后处理以加强目的。通过后处理将绿色部件转化为最终使用强度产品，必须进行一系列的操作。首先，必须将粉床中未结合的粉粒与未结合的粉粒分离。为了做到这一点，粉末床通常被放置在一个熔炉中。必须特别注意确保处理不会改变或巩固未结合的颗粒。
第二阶段是脱脂过程，包括去除粘结剂。最后，必须对零件进行烧结，通过在颗粒之间产生机械结合来增密和加强生坯部分[67]。

Fig.8LayoutofBJprocess

必须对工艺参数进行控制和优化，以获得最佳的加工效果。对于其他AM工艺，粉末的粒径、分布和形状对结果有显著影响。此外，所用的粘合剂、层厚和后处理也会影响生成的零件的质量。所有上述因素都必须进行优化，以获得在零件密度、表面粗糙度、精度和机械性能(如强度和疲劳)方面的最佳结果。

根据BJ所用的材料，理论上可以使用任何粉状的材料。因此，广泛的陶瓷、金属、生物材料和聚合物已被用于这一过程。使用这些材料可以产生不同应用的部件。图9显示了一些使用BJ和不同粉末材料制作的零件的例子[71-73]。

BJ的优点是理论上可以加工所有的粉末材料。它能够使用陶瓷材料和高反射率的金属，这在基于激光的AM技术中是不可能或难以处理的。BJ工艺可以生产出表面质量相对较好的零件。根据粉末特性和后处理参数，平均粗糙度可达到5lm。此外，生成的组件呈现各向同性的性质，这可以在特定的应用中特别感兴趣。在工艺经济性方面，BJ工艺比其他工艺能耗低，建成率高，提高了工艺生产率。最后，值得注意的是，可用于后续工艺的未使用的粉末数量很高。然而，为了重复使用粉末，必须考虑具体的考虑。任何剩余的粘结剂必须完全清除。此外，还必须分析污染物的存在以及由氧化或烧结过程引起的粉末的尺寸、形貌、化学成分和微观结构的变化，因为这些参数可能会影响后续粉末床印刷过程的质量。

BJ技术也有一定的缺点。这是一项相对较新的技术，需要进一步研究，以充分了解工艺参数如何影响最终结果。为了获得最好的结果，仍然需要开发过程模型和模拟，以帮助为每个期望的设计选择最优的过程参数。对于生成的零件，虽然与L-PBF工艺获得的力学性能相似，但由于BJ工艺的气孔率较高，其疲劳性能更差。

3Characteristicsoftoolingalloys

考虑到它们通常的应用(冲压、成形、剪切、切割金属和成形塑料)，模具合金必须具有耐腐蚀性、韧性和耐高温软化性[74]。在下面的章节中，我们将进一步分析这些特性以及其他理想的工具材料特性。

1. 3.1Machinability

模具材料通常用于铸造和锻造行业的模具和模具制造。它们通常需要精加工来达到这些行业的严格公差要求。考虑到获得所需表面质量和尺寸精度的加工需要，刀具材料的可加工性是需要考虑的重要问题。

虽然切削性不是材料的固有特性，但可加工性是评价刀具材料和待切削工件材料之间相互作用的参考[75]。这可以理解为给定材料加工的难易程度[76]。根据应用的不同，可加工性可以定义为可达到的表面光洁度、刀具磨损或加工操作中的功率消耗。它还与其他因素有关，如加工操作的类型、切削参数、冷却条件、刀具几何形状、机械性能和待加工材料的微观结构特征[76,77]。传统上，可加工性是根据不同的标准定量测量的，如刀具失效前已加工的零件数量、可达到的最大切削速度、扭矩和功率要求等[75]。“可加工性指数”和“可加工性评级”是用来测量材料可加工性的其他参数。具体来说，可加工性等级(RM)可以表示为感兴趣的工件材料和参考工件材料之间的材料去除率的比率

在该速度下，感兴趣的材料产生特定进给速率、切削深度、刀具材料和刀具几何形状下定义的刀具寿命。（VcT）ref切削速度，在相同条件下，可加工性等级为100%的基准材料产生定义的刀具寿命。在加工手册中，可加工性通常与在给定切削速度下产生预定的侧刃磨损值所需的加工时间有关，或与在车削操作中去除单位体积材料所需的功率有关。然而，制造商和手册提供的可加工性信息通常不是最新的。这种信息不是完全可靠的，因为它没有考虑材料等级的差异或切削过程中发生的过程，如加工硬化[78]。

Fig.9ExamplesofthedifferentmaterialsprocessedbyBJprintingsuitedforvariousapplicationsacompressionsamplesforlatticedesigns,bhollowedcomponentstosaveweight,cinternalchannelsforefficientcoolinganddmagneticpart

在分析不同材料和合金的可加工性的文献中有大量的研究。许多研究[79,80]基于不同的测量，如切削力、特定切削压力产生的表面粗糙度、刀具磨损和切削温度，对材料的可加工性进行了实验测试。一般认为，特定的参数组合可确保表面质量、刀具寿命和功耗方面的最佳结果。

对于加工材料的可加工性，Ｃo - Ｃr - Ｍo基合金，也称为钨铬钴合金，属于难以切削的材料。钨铬钴合金的设计目的是制造硬而厚的涂层，由于其具有较高的耐磨性和韧性，建议将其用于锻造模具涂层[81]。然而，钴基合金硬度高，组织致密但不均匀，导热系数低，导致切削性能差[82]。工具钢是本研究涉及的另一组材料。

可加工性受许多因素的影响，如化学成分、夹杂物和热机械性能[83]。马氏体热加工钢的切削性能主要受非金属夹杂物(如硫化锰)的数量和钢的硬度的影响。

关于添加制造的工装零件的可加工性，研究主要集中在分析添加涂层的零件的可加工性[84,85]。当需要高表面质量和精度时，附加镀层需要后处理加工操作[85]。在某些情况下，使这些材料适用于恶劣环境的性能也导致了其低可加工性。在加工过程中监测不同的工艺参数，分析这些材料的可加工性。切削力、比切削压力、切削温度、表面光洁度、功耗和残余应力等因素被用作可加工性标准，并研究了切削参数对其值的影响，以找到确保最佳结果的最优参数[80,81,84-86]。

未完待续，激光联盟秘书处期待着您的持续关注！

文章来源：Bidare, P., Jiménez, A., Hassanin, H.et al.Porosity, cracks, and mechanical properties of additively manufactured tooling alloys: a review.Adv. Manuf.10, 175–204 (2022). https://doi.org/10.1007/s40436-021-00365-y