供稿人:張金智 張安峰 發(fā)布日期：2018-01-21
在純金屬或合金的傳統(tǒng)制造中，強(qiáng)度和塑性是金屬應(yīng)用中的兩大關(guān)鍵，然而，提高強(qiáng)度就意味著在一定程度上犧牲塑性，往往不能兩者兼顧。高強(qiáng)度歸因于固化的晶體結(jié)構(gòu)，低角度的晶界和制造過(guò)程中的位錯(cuò)。沿晶界的溶質(zhì)偏析和低角度的晶界可以增強(qiáng)位錯(cuò)，促進(jìn)雙晶形成。增材制造方法成形的合金具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)應(yīng)用的高性能。測(cè)試表明堅(jiān)固耐磨的3D打印316L不銹鋼可以提供比其他形式的鋼更高水平的強(qiáng)度和延展性，使其有助于化學(xué)設(shè)備、醫(yī)療植入物、發(fā)動(dòng)機(jī)零件以及需要其設(shè)備優(yōu)異物理性能的各種其他應(yīng)用。
美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）聯(lián)合喬治亞理工大學(xué)和美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)的阿姆斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Y. Morris Wang, Thomas Voisin等通過(guò)改變激光增材制造工藝參數(shù)和過(guò)程控制來(lái)提高零件的力學(xué)性能。通過(guò)控制激光能量以及采取快速冷卻的過(guò)程，獲得了接近全密度(99.2%)的316 L不銹鋼零件。同步輻射X射線衍射顯示成形的316L是面心立方，沒(méi)有體心立方相。
圖1 laser powder-bed-fusion(L-PBF)成形316L典型組織
a. 各種長(zhǎng)度尺度的示意圖 b.316L試樣橫截面電子背散射（EBSD）反極圖（IPF）表示晶粒取向，反極圖步長(zhǎng)為2μm，水平方向 c.橫截面掃描電鏡圖（SEM），顯示融合邊界、大角度晶界（HAGBs）和晶胞結(jié)構(gòu)，插圖顯示了高倍鏡下的晶胞結(jié)構(gòu)。圖片方向是垂直的 d. 亮場(chǎng)透射電子顯微鏡（TEM）凝固晶胞圖 e. 高角環(huán)形暗場(chǎng)(HAADF)掃描TEM(STEM)圖顯示在d中的凝固晶胞 f.1μm步長(zhǎng)電子背散射反極圖 g. 疊加有HAGB和低角度晶界（LAGB）的EBSD圖像質(zhì)量（IQ）圖 h.內(nèi)核平均映射錯(cuò)位圖（KAM） i. 顯示Mo和Cr與固化晶胞壁分離的HAADF STEM（Z對(duì)比度）圖像
圖2 L-PBF成形316L不銹鋼(SS)的拉伸性能
a.兩種L-PBF 316L試樣拉伸工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線（紅色曲線：Concept試樣；藍(lán)色曲線：Fraunhofer試樣），與鑄造和鍛造材料相比。屈服強(qiáng)度（YS），均勻延伸率（UE）和極限拉伸強(qiáng)度（UTS） b.總結(jié)了各種316L的屈服應(yīng)力和延伸率，包括3D打印的316L，高性能材料（通過(guò)納米絲束和雙峰粒材料加強(qiáng)），常規(guī)粗粒材料（退火微結(jié)構(gòu)）和通過(guò)傳統(tǒng)塑性變形加強(qiáng)的材料。
Concept試樣成形條件： Concept Laser M2 powder-bed-fusion (L-PBF) 設(shè)備，400W光纖激光器，光斑直徑54μm；氬氣保護(hù)氛圍（氧含量低于0.1%-0.2%）；成形基板304不銹鋼，等離子霧化316L粉末，粒徑約30μm；成形10x10x8mm圓柱試樣；優(yōu)化工藝參數(shù)，分別采用連續(xù)掃描和孤島掃描策略，提高致密度至約99.2%。
Fraunhofer試樣成形條件：開(kāi)放式架構(gòu)Fraunhofer L-PBF 設(shè)備， 400W光纖激光器，光斑直徑207μm；成形40x40x3mm薄板，采用連續(xù)掃描策略。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3D打印的316L體現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性組合，超過(guò)傳統(tǒng)甚至高性能的鋼。