选区激光熔化316L不锈钢复合材料工艺及性能研究

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相比于传统制造,选区激光熔化(selective laser melting,SLM)增材制造具有一系列的优点,近年来得到了快速的发展。通过SLM制备出的金属材料,具有与传统方法制备出的金属材料相同甚至更优异的性能。然而,单一材料的SLM成型316L不锈钢材料难以满足一些高强度工作环境的需求,因此本文在基体316L不锈钢粉末中加入金属间化合物Al3Ti粉末,开展不同含量Al3Ti粉末增强的316L不锈钢复合材料的制备工艺及性能方面的研究工作。众所周知,增材制造工艺参数(激光功率、扫描速度、成型方向)的选择对材料的性能起着至关重要的作用。因此,本文通过改变激光功率及扫描速度来控制激光能量密度,制备不同工艺参数下的316L不锈钢材料,对其显微组织、缺陷形成及力学性能进行研究。结果表明,随着激光能量密度的增加,不锈钢材料的致密度先增加后减小;当SLM-316L不锈钢材料在激光能量密度介于74J/mm3-222J/mm3时,均具有良好的致密度。在此基础上,对四组最优工艺参数下制备出的试样,开展了不同加载条件下的力学性能测试,得到SLM-316L不锈钢材料平均抗拉强度为757MPa,屈服强度为647MPa,断后延伸率为35%左右,其性能均优于传统铸造方法下制备的316L不锈钢的性能。在上述工艺研究的基础上,制备出了不同质量百分数的Al3Ti粉末增强316L不锈钢复合材料,研究了不同质量百分数对复合材料微结构和性能的影响。通过对材料的X射线衍射分析结果发现,当Al3Ti质量百分数为1%时,复合材料是由奥氏体与铁素体双相所组成,相比于未加Al3Ti的不锈钢,其抗拉强度和屈服强度均提高了20%以上,而延伸率未见有明显下降的趋势。当Al3Ti质量百分数为2%以上时,复合材料为铁素体单相。随着Al3Ti质量百分数的增加,材料抗拉强度和屈服强度增加,但当质量分数达到3%时,抗拉强度和屈服强度分别增加到1261MPa和1207MPa,但材料韧性却下降,断后延伸率仅为6%左右。可见,Al3Ti的加入对316L不锈钢的性能有显著影响。由于加入Al3Ti后基体中析出了Ti-Al相,为了与之对比,在316L不锈钢中直接加入TiAl粉末,并对其微结构及力学性能进行测试。由于熔点高于316L不锈钢材料,TiAl加入后导致基体材料结合度下降。当TiAl质量分数为1%,材料性能没有明显变化;当质量分数为3%时,材料抗拉强度增加到858MPa,延伸率下降到28%,且在拉伸断口中观察到大量孔洞及未熔化的TiAl粉末。
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