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

2020-12-05 3DScienceValley

不鏽鋼是一類重要的金屬材料，316L不鏽鋼因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316L不鏽鋼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。ASTM標準規定，316L的性能為屈服強度 > 170MPa，拉伸強度 > 485 MPa，延伸率 > 40%。因此，強化316L迫在眉睫。

學術期刊 《Composites Part B: Engineering》中發表了一篇論文，題目為』Selective laser melting of dispersed TiC particles strengthened 316L stainless steel』。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。

TiC 微米顆粒增強材料

強度提升的主要原因

根據論文的描述，選區雷射熔化3D列印技術是強化316L不鏽鋼的一種新型手段。選區雷射熔化極快的冷卻速率 (可達到10^6K/s)，導致316L 不鏽鋼材料中存在很高位錯密度。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。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不鏽鋼。

主要原因是他們採用的試樣的較高緻密度和良好316L/TiC的界面結合。論文指出，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不鏽鋼可以比較容易的在依附在TiC顆粒上生長。

實驗結果

圖1 a, d：316L不鏽鋼; b, e：316L-1TiC; c, f：316L-3TiC 腐蝕前後的組織。

圖1是選區雷射融化3D列印後的光學顯微組織。從圖中可以看出，列印後的試樣無可見的氣孔和未融合現象，擁有較高的緻密度。TiC顆粒均勻的分布在316L基體中。

圖2 a：316L; b：316L-1TiC; c：316L-3TiC。

圖2是選區雷射熔化3D列印後的EBSD結果。從中可以很直觀的看出，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。

圖3 a:EBSD取向圖; b:晶界圖; c: TiC和奧氏體相分布圖。

圖3展示了EBSD的相分布研究結果。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。

圖4 選區雷射熔化3D列印的強化後316L-TiC材料拉伸應力應變曲線。

圖4 可以看出，通過這種方法得到的316L-TiC材料，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。

選區雷射熔化增材製造的316L屈服強度遠高於傳統316L不鏽鋼材料，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，材料的屈服強度提高了10%，但是延伸率並沒有降低。添加3%的TiC之後，材料的屈服強度提高了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. SLM 3D列印 316L, 316L-1TiC 和316L-3TiC 材料的拉伸性能

此篇論文探討了使用選區雷射熔化3D列印方法，通過引入微米級別的TiC顆粒來強化316L不鏽鋼材料。結果表明，316L不鏽鋼材料的強度可以被大幅度的提高。同時，塑性維持在一個較高的水平。此方法有望克服奧氏體不鏽鋼低強度的短板，進一步擴大其在工業領域的應用。

3D科學谷將在《不鏽鋼3D列印白皮書1.0》中，分析不鏽鋼3D列印材料及不鏽鋼增材製造工藝的發展情況，敬請關注近期3D科學谷的白皮書發布。

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