高强度调质钢优异的力学性能在关键部件制造方面引起了一定关注。这些零件在使用过程中会产生集中的应力和应变，不可避免地会造成各种损伤，设备停机所造成的经济损失远远大于再制造同一件零件的成本。因此，发展快速修复技术具有重要的经济意义。随着增材制造(AM)技术的发展，基于激光熔覆和快速成型技术的快速修复技术逐渐发展起来，如激光立体成型(LSF)和直接能量沉积(DED)技术。激光立体成型(LSF)技术可以快速制造和修复性能优越的高强度钢零件，但加工过程中的热输入难以量化，对零件的组织和力学性能有很大影响。精确控制热输入，探索热输入与组织和力学性能的关系，是提高低合金钢零件成型效率和质量的有效途径。为了实现零件的完美修复和再制造，准确地了解热输入与修复区和热影响区组织和力学性能之间的关系非常重要。

南昌航空大学的研究人员采用LSF技术制造了34CrNiMo6高强钢，用无量纲数反求出了LSF过程中所用的实验参数。观察了LSF零件的微观组织差异；研究了热处理前后硬度、强度、伸长率等性能的变化；阐明了热输入对高强钢LSF的综合影响。相关论文以题为“Effect of dimensionless heat input during laser solid forming of high-strength steel”发表在Journal of Materials Science& Technology。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.038

本研究采用了粉末尺寸小于150μm的球形34CrNiMo6合金粉末。将粉末在真空干燥炉中烘干150℃×2h，使用变形后的34CrNiMo6合金板，尺寸为100mm、60mm、6mm，LSF前用碳化硅纸打磨表面，用丙酮清洗。

为消除实验中其他变量的干扰，引入无量纲热输入Q*。预先设计Q*值，用于计算进行LSF实验的实验参数。无量纲热输入(Q*)作为唯一变量，和系统的复杂的变量被集成到一个统一的评价指标，它提供了一种测量单位面积上的能量沉积的方法。

式中P、r分别为激光功率和光束直径。P0和r0分别为参考激光功率和光束直径。在本文中，为了便于比较，将A组的SE设置为SE0。设计Q*A:Q*B:Q*C=1:2:3，实际Q*A:Q*B:Q*C=1:1.9:2.9。

研究发现热输入直接影响LSF高强度钢顶部的组织。当Q*=1时，高冷却速率导致板条马氏体的形成。增加热输入会减缓凝固速率并降低顶部的温度梯度，导致不同Q*值下形成不同的微观组织。热输入间接影响了底部的微观结构，虽然所有样品均为回火马氏体，但当Q*=1时，晶粒细小均匀；在Q*=1.9时，铁素体变粗；在Q*=2.9时，出现了许多棒状碳化物。热输入改变了原始组织，经过不同的热循环后，碳化物的形貌有明显的差异，随着Q*的增加碳化物变得更粗。

图1 不同热输入条件下LSF钢块的宏观组织

(a) Q*=1；(b) Q*=1.9；(c) Q*=2.9；(d)单道沉积的尺寸 

图2 34CrNiMo6钢A组(Q*=1)截面图像

(a)顶部；(b)中；(c)下；1为OM；2为SEM

图3 34CrNiMo6钢B组(Q*=1.9)截面图像

(a)顶部；(b)中；(c)下；1为OM；2为SEM

图4 34CrNiMo6钢C组(Q*=2.9)截面图像

(a)顶部；(b)中；(c)下；1为OM；2为SEM

图5 不同热输入条件下LSF样品的顶部和底部示意图

(a)熔池和热影响区；(b)热循环曲线

热输入对机械性能也有一定影响。显微硬度呈先降低后逐渐稳定的趋势。稳定区硬度随Q*值的增加而降低，最低硬度约为190 HV(Q*=2.9)。同样，随着Q*值的增加，LSF试样的抗拉强度和屈服强度大幅降低，最小值分别为735和604MPa(Q*=2.9)。热输入对热处理有显著影响。Q*=1样品经过调质(QT)后的拉伸强度和屈服强度略有提高(约9%)，而Q*=2.9样品的拉伸强度提高约29%，屈服强度提高约44%。本文为LSF技术在关键设备高强度钢零件制造和维修中的应用提供了科学依据。