摘要：分享：激光粉末床熔融成形HR-2抗氢钢的研究进展

0. 引言

HR-2抗氢钢是一种单相奥氏体不锈钢，具有优异的综合力学性能与抗氢特性，被广泛应用于储氢压力容器的制造[1]。目前，HR-2抗氢钢压力容器常用的制造方法包括激光焊接和电子束焊接[2]等，虽经工艺参数优化和缺陷控制，焊接接头的组织得到了显著改善，但仍然存在热裂纹和气孔等问题。随着氢能源产业对储氢容器轻量化及材料性能要求的日益提高[3]，传统焊接技术已难以满足工程需求，亟需开发新的制造工艺。

激光粉末床熔融（LPBF）技术是一种净近成形技术，通过激光选区熔化，凝固后逐层堆积实现成形。具有设计自由度大、生产周期短、成形精度高及综合性能突出等优势[4]，为储氢系统复杂构件（如减压阀、瓶阀）的高精密制造提供了新途径。目前，LPBF成形HR-2抗氢钢的研究尚处初期阶段。作者总结了粉末原料（粒径分布、化学成分和循环使用性）、成形工艺（体能量密度和扫描策略）和后处理对LPBF成形HR-2抗氢钢成形件性能的影响，阐述了目前研究存在的不足，展望了今后的发展方向。

1. 粉末原料对成形件性能的影响

LPBF成形件的性能高度依赖粉末原料的质量，粉末的粒径分布、化学成分、循环使用性等特性显著影响成形件的致密性、表面形貌及力学性能[5-8]。

1.1 粒径分布的影响

颗粒粒径分布常采用体积累积分布曲线进行表征，通常以累积体积分数为10%，50%，90% 时的特征粒径（D10，D50，D90）来表征粉末粒径。常用检测方法包括物理筛分法、沉降法及激光衍射法，其中激光衍射法因可靠性高、人工干预少，已成为当前粒径分析的主流检测方法[5]。

粉末粒径分布是影响LPBF成形件致密性的关键因素。SPIERINGS等[9]研究发现：粉末有效粉层厚度与D90之比在1.5左右时可以保证大部分粉末颗粒沉积，D90与D10之比在5左右可以保证有足量的细粉填充粗颗粒之间的间隙；此外，若D10小于5～6 μm，粉末易形成团聚，这会显著降低粉末的堆积密度，进而对成形件的致密性产生不利影响。LIU等[6]比较了0～45 μm和15～45 μm两种不同粉末粒径成形件的致密性，发现宽粒径范围的粉末（0～45 μm）能够提升粉末床的堆积密度，从而能在较低激光能量密度下获得更致密的零件。

粉末粒径分布显著影响LPBF成形件的力学性能。SPIERINGS等[10]研究发现：细粉因熔融效率高，使成形件致密性好、抗拉强度高；采用粗粉时成形件则表现出更大的断后伸长率，可达传统加工件的水平。JANDAGHI等[11]研究发现，采用平均粒径较小的水雾化粉末时，成形件在抗拉强度、屈服强度及塑性方面均优于采用粒径较大的气雾化粉末。

粉末粒径分布对LPBF成形件的表面质量具有重要影响。表面粗糙度（Ra）是评估增材制件表面质量的核心指标，对于承受循环载荷的关键部件，表面质量要求严苛（Ra≤0.8 μm）[12-13]。粉末粒径对表面质量的调控机制主要包括：细粉减薄效应，小粒径粉末（D90＜20 μm）可降低打印层厚，有效抑制熔道堆叠的“阶梯效应”；细粉熔融优势，细粉因比表面积大、吸光率高，更易完全熔融形成平整熔池，显著减小表面粗糙度；宽分布协同作用，宽粒径分布粉末通过细粉填充粗粉间隙优化铺粉均匀性，从而减小表面粗糙度。

1.2 化学成分的影响

HR-2抗氢钢粉末外观呈银灰色，化学成分要求[7]见表1，使用前应依据GB/T 20123—2006《钢铁总碳硫含量的测定高频感应炉燃烧后红外吸收法（常规方法）》、SN/T 2718—2010《不锈钢化学成分测定电感耦合等离子体原子发射光谱法》等标准，对粉末碳、铬、锰、氮、镍、磷、硫、硅等元素含量进行检测。

表 1 HR-2抗氢钢粉末的化学成分

Table 1. Chemical composition of HR-2 hydrogen-resistant steel powder

粉末氮含量调控是优化LPBF成形件力学性能的有效途径[14]。SHEN等[7]针对真空感应熔炼气雾化制备HR-2抗氢钢粉末的氮流失问题，通过以氮气替代氩气作为雾化介质，将粉末氮质量分数从0.080% 提升至0.209%，氮化导致粉末粒径增大，D10，D50，D90由原始粉的13.82，22.87，36.74 μm分别增至18.37，30.83，50.26 μm；粉末氮含量的提升使成形件屈服强度从（415±10）MPa显著提高到（603.5±10）MPa，断面收缩率从（44±5）% 增至（60±5）%，而抗拉强度与断后伸长率保持不变，其强化机制源于氮溶解于奥氏体不锈钢中产生的固溶强化与晶界强化。除氮元素外，其他合金元素同样可以调控奥氏体不锈钢的力学性能。OHKUBO等[15]基于试验数据建立了硬度、屈服强度及抗拉强度与化学成分的定量关系模型，发现降低碳、氮、硅、铬、钼含量或增加镍、铜、锰含量，会降低材料的硬度、屈服强度与抗拉强度，这种力学性能的弱化源于元素成分变化引发的晶格应变能与层错能协同演变。

在腐蚀性能层面，TOWNSEND等[16]基于数百种钢材在3种工业环境中长达16 a的暴露试验，采用回归分析构建了元素含量-腐蚀损失的定量方程，明确了15种元素的作用机制。其中：磷、硅、铬、碳、铜、镍、锡、钼有利于提高耐腐蚀性能；硫元素会严重降低耐腐蚀性能；钒、锰、铝、钴、砷、钨元素对耐蚀性影响较小。

1.3 循环使用性的影响

金属LPBF成形过程中粉末利用率通常低于50%，因此粉末循环使用对降低成本和提升资源效率至关重要。随着循环使用次数增加，粉末的物理化学特性（如粒径分布、流动性、氧含量）发生显著变化，最终影响成形件性能。DELACROIX等[17]研究发现：随着循环使用次数增加，316L不锈钢粉末呈现粒径增大与流动性提升趋势；经历15次循环后，粉末与成形件氧含量增大，回收粉末存在部分氧化的飞溅颗粒，其表面富集锰、硅氧化物；成形件致密性在粉末循环使用前5～6次保持稳定，随后下降，硬度和拉伸性能在15次循环过程中未呈现明显波动，这表明粉末循环使用虽诱导氧化，但短期内对力学性能影响有限。粉末循环使用会显著劣化成形件的动态载荷适应性。SUTTON等[8]研究发现：当气雾化粉末循环使用1～5次时，制备成形件的拉伸性能保持稳定，但冲击韧性下降；动态力学性能对粉末循环使用更为敏感。

2. 成形工艺对成形件性能的影响

LPBF成形件的性能受激光功率、扫描速度、层厚、扫描间距及扫描策略等参数协同调控。综合考虑各参数影响，引入体能量密度量化热输入作为关键参数[18]，其计算公式如下：

式中：E为体能量密度；P为激光功率；v为扫描速度；t为层厚；h为扫描间距。

下面将基于焊接与LPBF的热传导相似性原理，系统总结体能量密度、扫描策略对HR-2抗氢钢成形件致密性和力学性能的影响。

2.1 体能量密度的影响

2.1.1 对致密性的影响

调控体能量密度的首要目的是提高成形件的致密性，这是获得优异力学性能的先决条件。通常采用金相法评估致密性：试样经剖切、抛光后，通过光学显微镜统计孔隙形貌与数量并计算相对密度。研究表明，不同体能量密度下成形件中会出现锁孔、未熔合和气孔等3种影响致密性的缺陷。

锁孔缺陷源于匙孔效应，当体能量密度过高时，金属蒸气产生强反冲压力，形成深宽比大的“J”型熔池，熔池中部低温区因表面张力骤增而失稳坍塌，未逸出气体被液态金属包裹，随着周围金属的凝固形成锁孔[19]。此类缺陷在HR-2抗氢钢激光深熔焊焊缝中已被观察到[20]。LPBF成形过程中，熔池模式受体能量密度影响，锁孔模式和传导模式的转变存在能量阈值，该阈值对激光功率的敏感性高于扫描速度[21-22]。因此，抑制锁孔最有效的策略是降低激光功率，其次为提升扫描速度或增加重熔处理。SHEN等[7]将不同激光功率和扫描速度下的HR-2抗氢钢成形件的相对密度绘制成等高线图，确定相对密度大于99% 的工艺窗口，为激光功率大于220 W、扫描速度小于1 200 mm·s−1、能量密度70～100 J·mm−3；相对密度随体能量密度增加先增后减，转折点对应于匙孔效应触发阈值。

未熔合缺陷发生于低体能量密度工况下，浅而窄的熔池导致层间或层内搭接不充分，形成边缘尖锐的不规则孔隙；这种孔隙的应力集中效应远强于锁孔，更易成为裂纹源。刘宁昭等[23]研究发现，低体能量密度下LPBF成形HR-2抗氢钢中存在大量未熔合缺陷，显著降低了钢的硬度、强度及塑性。

气孔作为最普遍的缺陷（尺寸多小于100 μm），无法完全消除，气体主要来源于粉末吸附气体、成形过程中的保护气体以及凝固过程中溶解度下降析出的气体[24-26]。研究发现，通过参数迭代优化，将搭接宽度增至0.5 mm，扫描间隔缩小至65～75 μm，扫描速度固定为700 mm·s−1，激光功率固定为140 W，可显著提高LPBF成形HR-2抗氢钢的致密性，减少缺陷，但优化后表面仍存在圆形且直径小于100 μm的典型LPBF气孔[26]。

在相同的体能量密度下，调控激光功率、扫描速度等参数对致密性的提升效果不同。这是因为经典体能量密度定义并未考虑熔池大小、形状和激光束直径等重要因素。OLIVEIRA等[27]在经典体能量密度计算公式中引入粉末特性-光斑尺寸耦合因子β（粉末粒径与热源直径之比），量化了熔池形成效率的差异，缩减了最优能量密度的预测区间，显著提升跨试验平台数据的可比性。

2.1.2 对力学性能的影响

目前，针对体能量密度调控LPBF成形HR-2抗氢钢力学性能的研究，主要聚焦于拉伸性能与硬度两大指标。根据GJB 5724—2006《抗氢钢棒标准》，HR-2抗氢钢锻件需满足抗拉强度大于650 MPa、屈服强度大于350 MPa、断后伸长率大于45%、断面收缩率大于60%。刘宁昭等[23]通过增大扫描速度和扫描间距（减小体能量密度），有效细化了晶粒，阻碍了位错运动，成形件的抗拉强度最高可达765.5 MPa，屈服强度达634 MPa，均显著超越锻件标准，但断后伸长率（44%）和断面收缩率（61%）低于标准要求下限。SUN等[28]研究发现：通过调控工艺参数诱导奥氏体钢孪晶变形（TWIP效应），可在细晶结构中产生大量变形孪晶，延缓颈缩进程，实现强度-塑性协同提升。此外，刘宁昭等[23]研究发现：低体能量密度试样因未熔合缺陷密集，呈脆性断裂特征；高体能量密度试样相对密度高（大于99%），表现出典型韧性断裂特征。体能量密度同样会影响硬度，当体能量密度较低时，试样相对密度较低，硬度较低，孔隙导致的压痕边界效应引发数据离散；当体能量密度较高时，试样相对密度较高，硬度提升至265 HV且趋于稳定[23]。

工艺优化效率是学者较关注的问题，传统多参数试错法需要考虑多个参数，需要制备大量试样，成本较高。GHEYSEN等[29]结合单道扫描、力学分析和试验设计，仅通过9次单道扫描、18个立方体试样和12次拉伸测试即获得高致密且高强韧成形件的工艺窗口，大幅降低了试验成本。通过实时采集熔池声发射、光辐射、热成像等多物理场信号，进行缺陷类型识别与位置定位，可以实现在线监测闭环控制，支撑工艺参数动态调整[30]。

2.2 扫描策略的影响

扫描策略和体能量密度共同决定LPBF成形HR-2抗氢钢的性能。目前，LPBF成形HR-2抗氢钢普遍采用层间旋转67°扫描策略，其优势在于：致密性高，通过打破相邻层熔道重叠几何的对称性，有效阻断缺陷连续延伸路径；组织均质化，层间旋转67°扫描使相邻层的晶粒生长方向复杂化，促进等轴晶形成，导致各向同性；降低残余应力，每层热流矢量的定向偏移分散温度梯度场，避免应力在固定平面叠加导致的翘曲开裂风险。研究[25]发现，针对大型构件，采用分区正交扫描策略，即相邻区域扫描路径正交，同区域相邻层扫描路径正交，搭接宽度为相邻区域间重叠部分的长度，扫描间距为相邻熔道间的中心距离，该策略通过缩短单区扫描路径（降低热累积）和正交热流抵消（分散温度场），较层间旋转67°扫描策略可以进一步降低残余应力。

3. 后处理对成形件性能的影响

尽管优化工艺参数可提升LPBF成形件性能，但要满足工程应用要求仍需进行后处理。目前，增材制造后处理工艺可分为表面处理（切削、抛光、喷丸等传统方法以及振动研磨、表面机械研磨处理和超声波纳米晶表面改性等新型方法）和热处理（应力消除、固溶退火和热等静压等）两类[31]。

电化学抛光具有不受结构限制、无残余应力等特点，在奥氏体不锈钢精加工中优势显著[32]。YU等[33]对LPBF成形HR-2抗氢钢进行电化学抛光，发现电化学抛光后表面粗糙度从11.50 μm降至1.73 μm，表面生成了黏性的抛光固体产物，再进行原位机械刷洗，电化学抛光效果降低，表面粗糙度从1.73 μm提高至2.51 μm。

目前尚无公开文献报道关于LPBF成形HR-2抗氢钢热处理的研究，LPBF的快速非平衡凝固导致的残余应力与组织不均匀问题需通过热处理调控，但传统奥氏体钢的热处理方案（如1 010～1 120 ℃固溶退火）对LPBF成形HR-2抗氢钢可能失效。热等静压虽可提升增材制件致密性与组织均匀性[34]，但无法消除表面或近表面孔隙；高温长时间处理诱发杂质相析出，促使晶粒粗化，导致硬度、拉伸性能、疲劳性能降低[35]。NASA对LPBF成形HR-1抗氢钢先后进行了去应力退火+热等静压+时效的多级热处理协同，有效避免了η相的析出，实现力学性能与抗氢性能的平衡优化[36]。

4. 结束语

激光粉末床熔融（LPBF）为HR-2抗氢钢提供了一种极具潜力的近净成形技术路径，但目前研究仍处于初期阶段，主要集中在粉末原料、成形工艺和后处理对成形件性能的影响上，其技术成熟度显著滞后于316L等主流奥氏体不锈钢。目前，LPBF成形HR-2抗氢钢仍存在以下问题。

（1）原料粉末质量：气雾化HR-2抗氢钢粉末存在粒径分布离散、氧含量偏高以及卫星粉、空心粉占比较高等不足，导致打印前需要额外的真空干燥、筛选等步骤，增加了成本。

（2）成形工艺优化：依赖全因素试验优化体能量密度需消耗数百组试样，时间与经济成本呈指数级增长。

（3）成形件质量调控：LPBF熔池逐点堆叠特性诱发成形件在显微组织和力学性能上表现出显著的各向异性，塑性指标距锻件标准存在差距，更缺乏临氢环境下的氢脆敏感性与高周疲劳试验数据。

（4）后处理：传统固溶退火可能复现316L不锈钢的耐腐蚀性劣化现象，热等静压可能导致成形件表面孔隙残留、晶粒粗化及力学性能变差，迫切需要开展HR-2抗氢钢的后处理工艺研究，特别是热处理工艺研究。

基于此，提出以下发展展望：

（1）重点关注粒径分布、松装密度、流动性和化学成分等粉末核心参数，建立相关检验标准。

（2）通过在线检测技术确定缺陷产生的位置，分析缺陷形成的机制，为工艺优化提供方向。

（3）HR-2抗氢钢成形件全面的性能评价，例如：复杂受力条件下结构件的性能分析与寿命预测，模拟真实工况进行临氢环境下的力学性能检测。

文章来源——材料与测试网

来源：小康科技观