激光选区熔化增材制造316L不锈钢服役性能研究

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激光选区熔化(SLM)作为一种较为成熟的增材制造技术,以其高材料利用率、低成本及易于实现复杂零件定制化等优点受到了航空航天、医疗植入物、艺术品制造等领域的广泛关注。而316L不锈钢作为一种典型的奥氏体不锈钢已成功实现了在制造业、建筑及医疗等方面的零件制造。然而针对SLM技术制备316L不锈钢的高温性能、冲击性能、疲劳性能及各向异性的研究尚不充分,限制了其进一步应用。本文梳理了SLM制备316L不锈钢相关领域的研究现状,总结了工艺参数对样件成形质量、力学性能的影响规律,并研究了其腐蚀及高周疲劳性能,以评价其实际应用前景,主要研究内容如下:(1)通过实验研究SLM扫描速度与激光功率对致密度、表面粗糙度及表面形貌的影响,结果表明随着激光能量密度提高,SLM样件致密度呈现先增大后稳定的趋势。上表面粗糙度对工艺参数变化最敏感且波动范围极大,而左侧面和后侧面受工艺参数影响较小。当扫描速度固定为300 mm/s时,适当提高激光功率可优化上表面的成形质量,但样件尺寸较大时,过大的激光功率则会损伤表面质量。利用XRD与SEM分别表征分析了SLM样件的物相组成与微观组织,研究了SLM制备工艺对316L不锈钢组织结构和物相组成的影响。SLM样件主要为奥氏体相,与锻件相比(200)晶面含量明显增加,较锻件而言晶粒明显细化,微观组织中含有大量柱状晶与超细等轴晶。(2)通过调整制备过程中的激光功率和扫描速度研究了工艺参数对维氏硬度的影响规律:随着激光能量密度提高,SLM样件维氏硬度先上升后稳定在220HV左右,最高为246.1 HV,远高于锻件的170.3 HV。基于工艺参数与致密度的关系制备激光功率为200 W的四种不同扫描速度的316L不锈钢样件,并分别开展室温拉伸、高温拉伸(400℃)、室温冲击性能测试实验。研究发现SLM样件的室温拉伸强度最高可达704.0 MPa,略高于锻件的646.4 MPa,但其断裂伸长率最高为55.19%,远小于锻件的69.56%。断口存在大量韧窝,为明显的塑性断裂。400℃下SLM样件高温拉伸强度最高可达448.6 MPa,略小于锻件的468.9MPa,断裂伸长率最高为43.85%,远小于实验测得的锻件断裂伸长率100.19%。通过断口形貌分析,虽然断口相对于室温时较粗糙,仍观察到大量韧窝,但少量区域转变为脆性断裂。室温冲击下SLM样件的冲击韧性最高可达119.8 J/cm~2,断口形貌SEM分析可观察到断口处存在大量韧窝与少量剥离形貌。通过设计不同扫描策略以研究其对样件室温拉伸性能的影响,发现扫描策略对室温拉伸强度的影响较小,对断裂伸长率的影响较大。(3)应用SLM工艺制备了激光功率为200 W、扫描速度为400 mm/s的腐蚀样件与高周疲劳样件,测试了其在3.5 wt.%氯化钠溶液中的腐蚀性能,以及在循环特征r=-1时的高周疲劳性能。发现经过3.5 wt.%的氯化钠溶液浸泡后,SLM样件的腐蚀点位与面积相对锻件较少,但程度较为严重。随后对SLM样件不同特征面的Rct数值进行分析,结果表明左侧面>后侧面>上表面,锻件的Rct值位于左侧面与后侧面之间。此外浸泡八周后SLM样件后侧面Rct值略有升高,锻件Rct值明显降低。Epit数值表现为上表面>后侧面>左侧面>锻件,ipit与其表现一致,浸泡八周后SLM样件后侧面的Epit、ipit明显下降。循环特征r=-1时,SLM样件的疲劳极限为257.5 MPa,高于参考文献中粗静态316L不锈钢的疲劳极限。断口处呈现解理断裂与脆性断裂特征,无韧窝出现。
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