屈服高達832MPa！增材製造TiC顆粒強化316L不鏽鋼

傳統316L不鏽鋼的屈服強度只有170-300 MPa，較低的強度限制了其工業應用。作者使用選擇性雷射熔融(SLM) 的方法，在316L不鏽鋼中添加TiC微米顆粒，使其屈服強度提高到832MPa。同時維持了較高的塑性。文章以「Selective laser melting of dispersed TiC particles strengthened 316L stainless steel」為題發表在《Composites Part B: Engineering》上，IF= 7.635，JCR Q1，中科院一區。本文作者來自新加坡南洋理工大學和新加坡製造技術研究所，通訊作者為 Wei Zhou 和 Sharon Mui Ling Nai。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108291

不鏽鋼是一類重要的金屬材料。316L不鏽鋼因其良好的加工性能和出色的耐腐蝕性能而被廣泛應用於各個工業領域。但是其較低的強度限制了其進一步推廣應用。ASTM標準規定，316L的性能僅為屈服強度 > 170MPa，拉伸強度 > 485 MPa，延伸率 > 40%。316L的強度無法與密度更輕的鋁合金和鈦合金相媲美，難以滿足未來的工業需求。因此，強化316L迫在眉睫。

選擇性雷射熔融是強化316L的一種新型手段。選擇性雷射熔融極快的冷卻速率 (可達到10^6K/s)，導致了SLM316L中存在很高位錯密度。這是選擇性雷射熔融可以強化316L的主要原因。一般來說，選擇性雷射熔融製造的316L的屈服強度可達到600 MPa左右，伸長率可達到50%以上。

在這篇研究中，作者通過添加1wt.% 和3wt.% 的TiC微米顆粒，使列印後的316L-1TiC和316L-3TiC的屈服強度達到660 MPa和832 MPa。分析表明，這種強化來源於晶粒細化和第二相強化。通過與相關文獻的對比發現，他們的研究結果（強度和塑性）優於納米TiC顆粒強化的316L。主要原因是他們的試樣的較高的緻密度和良好316L/TiC的界面結合。作者認為，在選擇金屬的陶瓷增強相時，增強相與基體的潤溼性很重要。TiC與不鏽鋼的潤溼角僅為30°，因此，在凝固的過程中，316L可以比較容易的在依附在TiC顆粒上生長。

下圖1是選擇性雷射熔融後的光學顯微組織，(a, d) SLM 316L; (b, e) SLM316L-1TiC; (c, f) SLM 316L-3TiC 腐蝕前後的組織。從圖中可以看出，列印後的試樣無可見的氣孔和未融合，擁有較高的緻密度。TiC顆粒均勻的分布在316L基體中。

下圖2是選擇性雷射熔融後的EBSD結果。(a) SLM 316L; (b) SLM 316L-1TiC;(c) SLM 316L-3TiC可以很直觀的看出，添加TiC顆粒後，316L的晶粒發生了較大幅度的細化。尤其是316L-3TiC，晶粒從25.9微米細化到6.1微米。

下圖3展示了EBSD的相分布的研究結果。(a) EBSD取向圖，(b) 晶界圖，(c) TiC和奧氏體相分布圖。從圖中可以看出，添加TiC顆粒後，TiC沿著奧氏體晶界分布在316L基體中。這也是TiC在晶粒細化中起到異質形核，抑制晶粒長大的直接證據。

下圖4展示了選擇性雷射熔融製造的強化後的316L-TiC的拉伸應力應變曲線，可以看出，通過這種方法製作的316L-TiC的拉伸強度遠高於傳統的不鏽鋼。同時，塑性也維持在較高的水平。

選擇性雷射熔融製造的316L屈服強度遠高於傳統316L，原因是其中含有較高的位錯密度。添加1%的微米級別的TiC顆粒之後，其屈服強度提高了10%，但是延伸率並沒有降低。添加3%的TiC之後，其屈服強度提高了40%，達到了832 MPa，但是塑性降低到了29%。具體拉伸性能可見下表。

表1. SLM316L, 316L-1TiC 和316L-3TiC 的拉伸性能.

材料

相關焦點

• SLM 3D列印與TiC微米顆粒強化,將316L 不鏽鋼屈服強度提升至832MPa

  這篇論文揭示了一種強化316L不鏽鋼的方法，在該方法中，研究團隊使用選區雷射熔化（SLM）金屬3D列印技術與一種添加TiC微米顆粒的316L不鏽鋼3D列印材料，使其屈服強度提高到832MPa。這是選區雷射熔化技術可以強化316L的主要原因。一般來說，選區雷射熔化製造的316L材料屈服強度可達到600 MPa左右，伸長率可達到50%以上。在這項研究中，作者通過添加1wt.% 和3wt.% 的TiC微米顆粒，使列印後的316L-1TiC和316L-3TiC的屈服強度達到660 MPa和832 MPa。分析表明，這種強化來源於晶粒細化和第二相強化。

• SLM 3D列印與TiC微米顆粒強化，將316L 不鏽鋼屈服強度提升至832MPa

  這篇論文揭示了一種強化316L不鏽鋼的方法，在該方法中，研究團隊使用選區雷射熔化（SLM）金屬3D列印技術與一種添加TiC微米顆粒的316L不鏽鋼3D列印材料，使其屈服強度提高到832MPa。一般來說，選區雷射熔化製造的316L材料屈服強度可達到600 MPa左右，伸長率可達到50%以上。在這項研究中，作者通過添加1wt.% 和3wt.% 的TiC微米顆粒，使列印後的316L-1TiC和316L-3TiC的屈服強度達到660 MPa和832 MPa。分析表明，這種強化來源於晶粒細化和第二相強化。

• 南洋理工頂尖論文：增材製造316L不鏽鋼的疲勞性能

  此外，文章還從微觀結構出發，解釋了這樣的實驗現象，並討論了本結果對設計高性能增材製造合金的啟發。 金屬部件的增材製造（AM）可以使用多種不同的工藝技術來實現，這些技術使用粉末、金屬絲或板材作為原材料。以金屬粉末為原料的增材製造工藝為選區雷射熔化（SLM），電子束熔化（EBM）和粘合劑噴射列印（BJP）。這些都稱為粉床工藝。SLM和EBM技術分別使用雷射束和電子束熔化粉末，使用這兩種技術製造的不同合金部件的微觀結構和力學性能是研究中報導最廣泛的。相反，對BJP工藝的探索相對較少。使用該工藝生產的金屬零件，其結構-性能相關性還沒有獲得廣泛關注。

• 屈服強度＞1.6GPa！增材製造的熱處理高強度鈦合金

  固溶處理後合金主要由體心立方β相組成，具有很高的塑性，但是強度一般，其中屈服強度僅為860MPa。但是通過後期時效處理後，可實現極高的強度，其屈服強度（＞1600MPa）幾乎增加一倍。鈦合金是增材製造（AM）的強有力候選材料，以往的絕大多數研究集中於最常用的結構鈦合金Ti–6Al–4V對AM的反應，包括了解其晶相、微觀結構和機械性能。

• 向短板說bye bye，316L不鏽鋼要變強啦

  近日，有學者發布了一則論文，其中揭示了強化316L不鏽鋼的方法。在該方法中，研究團隊使用了選區雷射熔化（SLM）金屬3D列印技術與一種添加TIC微米顆粒的316L不鏽鋼3D列印材料，使其屈服強度有所提高。而屈服強度是抵抗起始變形的能力，舉個例子，屈服強度增高，對應的腐蝕就敏感；若屈服強度降低，冷加工成型性能和焊接性能好等...因此屈服強度是衡量不鏽鋼材料中不可或缺的重要指標。

• 增材頂刊：首次發現！氮保護氣可改善增材製造不鏽鋼抗疲勞性能

  導讀：長期以來一直在爭論使用適當的保護氣體用於的17-4沉澱硬化（PH）不鏽鋼（SS）的增材製造。儘管通常需要Ar作為保護氣體，以防止不必要的化學反應，但Ar的低溶解度與熔池的劇烈特性相結合，不可避免地會導致形成有害於合金疲勞性能的缺陷。儘管N2與某些合金（例如鈦）起反應，但可能會對17-4 PH SS的機械性能和疲勞性能產生顯著的有利影響。

• 雷射/電子束增材製造技術用於金屬材料的多材料增材製造

  同時對採用該技術製造的多金屬材料的增材製造也做了介紹。在這裡，我們為大家呈現一種通過冶金的辦法製造多材料的手段，即採用送粉雷射增材製造和組合式合金成分設計兩種手段結合在一起來製造多材料金屬材料。作為案例，首先為大家展示混合兩種不同類型的工具鋼：Cr-Mo-V熱作模具鋼和含Ni馬氏體時效硬化鋼。然後展示其他的案例。

• 提高增材製造金屬疲勞強度的噴丸強化、空化衝擊強化和浸沒式雷射衝擊強化的比較

  增材製造AM金屬因直接根據CAD數據和其他優點成型，從而成為用於醫療植入物和航空部件的極具吸引力的材料。然而，AM金屬的疲勞強度明顯低於塊體金屬。

• 金屬雷射增材製造技術發展研究

  一、前言雷射增材製造（LAM）屬於以雷射為能量源的增材製造技術，能夠徹底改變傳統金屬零件的加工模式，主要分為以粉床鋪粉為技術特徵的雷射選區熔化（SLM）、以同步送粉為技術特徵的雷射直接沉積（LDMD）[1]。目前 LAM 技術在航空、航天和醫療領域的應用發展最為迅速 [2~4]。

• 電弧增材製造高熵合金玩出新高度：多股絞絲增材

  其中增材製造因其獨特的優勢，收到研究人員和產業領域的關注。增材製造所使用的材料主要是粉末和絲材兩種，對高熵合金來講，目前主要是粉末為主，用於選區雷射融化（SLM）、雷射熔覆（LMD）、選區電子束熔化（SEBM）和等離子弧增材製造（PPAW）等。

• 增材製造多主元素合金CrMnFeCoNi的相變誘導強化

  多主元元素合金(CrMnFeCoNi)50Fe50 保持著FCC的固溶強化；合金在低溫時呈現出優異的塑性性能；在進行拉伸測試的時候觀察到應變誘導的相變過程。合金的拉伸強度為415~470MPa。該工作為採用LMD技術製造用於低溫環境下的低成本的多主元合金提供了思路。得到的合金在１５００Ｋ溫度以下均可以穩定的保持著單相的固溶相的存在。

• 以色列XJet開設金屬和陶瓷增材製造中心

  近日，以色列3D列印公司XJet在Rehovot正式開設增材製造中心。新中心配備了價值超過1000萬美元的XJet Carmel AM系統，被譽為世界上最大的金屬和陶瓷增材製造中心。XJet的增材製造中心佔地8,000平方英尺（約743平方米），位於Rehovot科技園。XJet希望能夠進一步推進其新型3D列印材料及其NanoParticle Jetting技術的開發，該技術可用於金屬和陶瓷材料的生產。「新的增材製造中心是我們追求廣泛的多材料應用的關鍵部門」，XJet執行長Hanan Gothait說。

• 姜鋒調研國家增材製造創新中心

  本報訊 （記者 侯燕妮）8月18日，省委常委、省委統戰部部長、副省長姜鋒赴國家增材製造創新中心調研籌建情況，並召開座談會。西安交通大學校長王樹國，中國工程院院士、西安增材製造國家研究院董事長盧秉恆參加會議。

• 3D列印(增材製造)行業深度研究報告

  在目前已有的技術中，增材製造的常用材 料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、 不鏽鋼、鍍銀、鍍金、橡膠等。目前，增材製造產業主要主流技 術主要包括 SLA、LOM、SLS 和 FDM 四種技術。

• 金屬增材製造技術在民用航空領域的應用與挑戰

  >增材製造技術可極大提升設計自由度，開展面向增材製造的零件結構設計研究，對於發揮其技術優勢起到關鍵作用。對粉末床熔融而言，粉末中的衛星球、長條顆粒會影響粉末的流動性，從而影響鋪粉質量[22-24]。在粉末空心率方面，空心粉會導致製件中氣孔缺陷的產生，降低製件的緻密度，大量孔洞的存在導致合金拉伸強度和屈服強度下降，尤其使缺口持久壽命和疲勞性能明顯惡化[25]。

• 增材製造多主元素合金CrMnFeCoNi(耐低溫)的相變誘導強化

  江蘇雷射聯盟導讀：採用雷射直接沉積（LMD）技術製造了多主元合金 (CrMnFeCoNi)1-xFex (x = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 和 0.6)。多主元元素合金(CrMnFeCoNi)50Fe50 保持著FCC的固溶強化；合金在低溫時呈現出優異的塑性性能；在進行拉伸測試的時候觀察到應變誘導的相變過程。合金的拉伸強度為415~470MPa。

• 內蒙古不鏽鋼板316l密度

  內蒙古不鏽鋼板316l密度國標304304不鏽鋼板含8個鎳，國標如今叫06Cr19Ni10.304不鏽鋼板價錢是依據商場供需調整的，怎樣核算也和商場供需及鋼廠出廠價有聯絡。鋼材銷售普通都是按重量計價。假設用量小可以按平方面（面積）核算。

• Part2-2020中國3D列印-增材製造設備、材料、軟體研發進展

  作為連接增材製造領域國內外業內優質資源的平臺，3D科學谷與AMPOWER合作面向全球市場的增材製造年度全球研發市場報告，本期，3D科學谷選取了填寫了網上問卷的國內部分企業（包括設備、軟體、材料領域）的研發情況與行業分享第二期的2020中國3D列印-增材製造設備、材料、軟體研發進展情況。

• 國家重點研發計劃——智能化技術推動增材製造質量提升

  國家重點研發計劃「智能化增材製造系統平臺」項目，主要針對航空、航天、兵器等領域關鍵構件快速、可靠、高質量定製化研製生產的迫切需求，構建具備工藝推理功能、可擴展的工藝參數庫和知識庫；研發過程監測與控制等關鍵智能模組，形成在線監測反饋系統及裝備自診斷系統；建立增材製造過程工業標準體系與開放式增材製造智能化平臺，解決影響增材製造成形精度質量的關鍵瓶頸問題

• 《Acta Mater》: 深度解析固態增材冷噴塗組織結構的演變

  導讀：本研究解釋了固態增材製造（冷噴塗）變形過程中，變形條件和微觀組織的內在聯繫，提供了通過變形條件預測微觀組織的方法，同時揭示了冷噴塗等高速率、大塑性變形過程中的金屬晶粒細化機制。有望強化冷噴塗作為固態3D 列印的優勢，即通過實時改變工藝參數，在固態「增材」的過程中實現動態的組織結構調控，進而製備出高力學性能的材料。