南洋理工頂尖論文：增材製造316L不鏽鋼的疲勞性能

2020-09-19 材料material

導讀：本文研究了使用粘合劑噴射列印（BJP）和選區雷射熔化（SLM）製成的316L奧氏體不鏽鋼的顯微組織和力學性能，並將其與常規製造（CM）合金進行了比較，特別強調了缺口抗疲勞性能。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。

BJP工藝的主要優點是它能夠（相對於其他粉床工藝）以相對較低的成本和更快的速度生產零件。重要的是，它適用於任何種類的合金，而使用SLM / EBM技術的增材製造只能在少數合金上進行。BJP合金中的孔隙率水平往往很高，可能會對其性能造成深刻影響。來自南洋理工大學等單位的研究人員研究了不同製造工藝316L奧氏體不鏽鋼的微觀結構，孔隙率及其對拉伸和高周疲勞（HCF）行為的影響。相關論文以題為 「Fatigue strength of additively manufactured 316L austenitic stainless steel」發表在Acta Materialia。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.08.033


為了進行疲勞試驗，通過配備YAG光纖雷射器的Concept Laser Machine列印總長度為64 mm，直徑為9 mm的圓柱形SLM試樣。列印參數為：雷射功率90 W，掃描速度1000 mm/s，間距150 µm（重疊30％），層厚30 µm，連續層之間的掃描旋轉90°。列印後，將這些樣品在500°C去應力退火一小時。在P方向和S方向（其中加載方向分別平行於製造方向和垂直於製造方向）上進行了準靜態拉伸試驗，並用長軸與製造方向一致的樣品（即僅在P方向上）進行了無缺口疲勞試驗。

光學顯微照片，顯示了（a）BJP和（b）SLM製造的316L不鏽鋼的代表性顯微組織


使用HP Metal Jet技術，使用316L粉末和水基液體粘合劑製造了具有10 mm x 10 mm方形橫截面的矩形BJP試樣（長度= 70 mm）。在試樣列印之後，粉床的固化蒸發了粘合劑的水。然後將生坯試樣在熔爐中燒結，在熔爐中粘合劑分解，金屬粉末熔化形成試樣。燒結的最後階段在氫氣氛圍中於1380℃下進行了120分鐘。BJP試樣以兩種不同的方向製造——垂直和平行於粉末散布的方向。本文分別稱為P方向和S方向。


BJP（上排）和SLM（下排）樣品的波譜圖（WDS）

CM拉伸試樣是由可在1050℃退火併空冷的市售熱軋板加工而成的。鋼板的性能滿足ASTM A240 / A240M–17 設定的標準，適用於壓力容器或一般用途。


使用EBSD獲得的代表性圖像（a）BJP（c）CM

結果表明，BJP試樣（含有顯著數量的孔隙）的硬化行為，延展性，疲勞強度，竟然能與CM合金相媲美。與此相反，SLM試樣屈服強度更高，延展性更差，疲勞強度遠不如前述試樣，儘管它們的孔隙率比BJP試樣要小。


光學顯微照片，顯示了（a）BJP和（b）SLM樣品的孔隙分布

兩種增材製造合金中不同的微觀結構可以解釋這些結果：這是由於它們所經歷的不同加工條件所致。BJP合金塑性變形的早期階段普遍存在的平面滑移，以及其他微結構因素的結合，導致在準靜態和循環載荷下阻止了在孔角處成核的小裂紋；結果，延展性和疲勞強度都不會受到BJP合金中孔隙率的不利影響。在SLM合金中，蜂窩結構大大提高了屈服強度，柱狀晶粒太細，取向差不夠大、晶粒也不夠粗大從而不足以止裂。


（a）BJP試樣斷口，300MPa，循環數98368；（b）SLM試樣斷口，152MPa，循環數2.5E5；（c）高倍放大圖像顯示裂紋從BJP試樣的表面萌生；（d）裂紋從SLM試樣表面附近的孔萌生


總的來說，BJP和CM 316L不鏽鋼均具有強大的加工硬化能力，賦予了它們極大的延展性。SLM合金具有較高的屈服強度，但位錯在塑性變形開始時就發生交滑移，從而縮短了加工硬化過程，從而影響了延展性。這一研究成果可以指導增材製造合金的設計：BJP的較高孔隙率並不對高周疲勞性能造成不利影響，但它降低了屈服強度。因此，降低孔隙率基本上可以提升BJP零件的屈服強度，使之與CM合金的一樣。對於SLM試樣，很明顯，應將熔合不足的孔減少到最低限度（如果不能完全消除的話），以減少整體孔隙率，進而提高疲勞強度。（文：嶽夏。）


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