综述：钢铁材料增材制造过程中的研究进展与挑战(二)奥氏体不锈钢

江苏激光联盟导读：

本文主要介绍了增材制造奥氏体不锈钢的典型代表316L的显微组织，机械性能和腐蚀性能以及热处理方面的最新进展。

奥氏体不锈钢简介

奥氏体不锈钢是工业合金中应用最为广泛的一种合金，由于其耐腐蚀，生物相容性好和韧性好，特别适合应用在不同的工业环境中，如生物医学，航空航天，国防军工，油气，石油化工等多种场合。这一类合金也广泛的采用AM技术来进行制造。在这里，采用AM技术对其进行制造，虽然也获得了令人惊喜的机械性能，但同时也存在诸多的挑战。在公开发表的文献中，关于奥氏体合金的AM方面的文章也很多。所以我们没有办法对其进行逐一综述。我们主要探讨其先进性和基于机械性能和腐蚀性能所面临的挑战。需要注意的是，在众多的AM制造奥氏体不锈钢中，最为常见的316L不锈钢成为工业中应用最为普遍的选择。所以本文也主要以316L不锈钢为代表进行讨论，如图所示可见AM制造316L在整个钢铁体系中，其应用的广泛程度。

除了大家所熟知的应用领域之外，316L还广泛应用在核电，能源电池，腐蚀等特殊行业中。

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▲左图：在AM制造不锈钢体系中，不同体系的不锈钢所占据的比重，右图为AM制造不锈钢中，两种主要的AM技术所占据的比重，这一图片的数据来源于本文献综述中超过300篇引用的文献所计量得到的结果

图2. LPBF（又叫SLM）和DLD两种主流的AM制造技术的示意图

图3. 316L不锈钢制造的血管支架的腐蚀图

机械性能

由于奥氏体不锈钢独特的显微组织，AM制造的奥氏体不锈钢，在同传统制造的奥氏体不锈钢相比时，在拉伸性能上呈现出有趣的行为。例如，SLM（或者叫LPBF）制造的316L不锈钢比相应的变形/铸造不锈钢的强度要高。传统制造的不锈钢的最大抗拉强度UTS为450–555 MPa，而LPBF制造的316L不锈钢的最大抗拉强度为 640–700 MPa，其屈服强度，LPBF制造的316L不锈钢为450–590 MPa ，而传统工艺制造的屈服强度仅为 160–365 MPa。，其延伸率，LPBF依然可以维持在 36-59% ，相对应的传统制造工艺的延伸率为30-43%。图4 为LPBF制造的316L不锈钢的超级抗拉强度同传统制造工艺得到的不锈钢的性能的对比。性能的提高主要归因于大量的纳米夹杂物阻碍了位错的运动，以及大密度的低角度晶界的存在。316 L AM制造时所得到的强度和韧性的完美组合是AM制造所取得的一大成就，这是传统制造工艺无法克服的强度——韧性之间的矛盾。

图4 LPBF制造的316L不锈钢同传统制造工艺的对应合金的抗拉强度的对比图

▲图解：同传统制造工艺相比较，LPBF制造的316L不锈钢得到的抗拉强度得到显著提升且获得均匀的延伸率。

同时文献也报道，LPBF 制造的316L不锈钢，其疲劳性能也得到了显著提升。AM制造的316L不锈钢在室温条件下，同时还呈现出优异的摩擦磨损性能，其测试条件为干摩擦条件下自室温到400 °C。这主要归因于AM制造316L不锈钢时得到的亚晶粒所具有的阻碍位错，从而阻碍了亚表面的变形。相似的结论，在模拟人体环境的液体中，其AM制造的316L不锈钢的摩擦性能也得到了提高。

腐蚀性能

众所周知，不锈钢的腐蚀性能主要取决于它的显微组织和化学成分。相，如δ-铁素体，金属/非金属夹杂物和钢铁中的析出相均会影响到它的腐蚀性能。AM制造不锈钢的显微组织，反过来，主要取决于AM的制造工艺，同时对其腐蚀性能产生影响。

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▲图解：上部两排的图:传统的316L变形合金(a,b)和采用LMD（又叫DLD，DED）的AM技术制造和 SLM (e,f)制造316L时所得到的合金的二次电子图像。最上部的照片放大倍数稍小，而下部的照片为上部的放大。底部的一排照片：在经历动电位极化实验，316L不锈钢在历经腐蚀后的高倍二次电子图像：其中图a，b，c分别为传统工艺变形态，LMD制造和LMD制造的316L不锈钢的腐蚀后照片。b，c显示的是同一表面不同区域的腐蚀照片。

硫化物夹杂，尤其是MnS夹杂物，几乎对所有级别的不锈钢来说都存在对点蚀抗力起到不利的作用。排除这些不利的诸如MnS这类夹杂物，在传统制造工艺中是不切实际的，这是因为S是不锈钢制造时为提高机加工性能的目的而作为合金元素添加进去的。改变MnS夹杂物的化学成分，如通过Cr来替代硫化物中的Mn，被证明是一个行之有效的提高抗点蚀能力的途径。通过快速凝固来减少MnS夹杂物的尺寸或者激光表面重熔均被认为是提高点蚀抗力的好办法。基于这一点，AM技术被认为在制造具有优异的点蚀抗力的奥氏体不锈钢方面是行之有效的办法。这主要是归因于AM制造过程中快速凝固造成的MnS夹杂物的形成造成限制的原因。

图6. LPBF不锈钢在经历热处理时历经的显微组织演变

图7. 在退火时显微组织演变的示意图

面临的挑战

尽管在上面提到AM制造奥氏体不锈钢时可以得到性能优异的制品，但仍然存在许多重要的挑战而限制着该技术在工业中的更为广泛的应用。最为重要的限制着当前AM技术制造奥氏体不锈钢的应用的几大挑战在这里给予介绍，他们主要包括残余应力，各向异性，气孔的形成和基于热处理的后处理工艺等。

在AM制造过程中尖锐的热温度梯度产生的巨大的残余应力会导致部件的变形。这将影响着随后的机械性能，降低应力腐蚀抗力，或者说甚至会影响着最后的产品形状的尺寸精度。对制造时的基材或者粉末材料进行预热是常见的降低温度梯度和由此实现降低残余应力的常用途径。控制扫描途径是另外一种减少残余应力的途径。其它的诸如不同于以上原位的控制残余应力的办法，进行后热处理也是有效的释放残余应力的办法。

各向异性是AM制造过程中的一个关键问题，可以分为两大类，首先，各向异性起源于制造时是在不同的方向上进行制造的，第二，各向异性起源于在测量时不同的轴向上机械性能不一样。制造方向导致的AM制造奥氏体不锈钢的显微组织和机械性能的各向异性等问题已经得到了很好的研究。柱状晶和强的晶体织构沿着制造方向的问题被认为是造成AM制造奥氏体不锈钢的机械性能的各向异性的主要因数。例如，据报道，在平行于样品制造方向上的UTS（最大抗拉强度）几乎是垂直于样品方向的UTS的120%。这一行为同AM制造过程中连续制造层之间的缺陷的形成相关联。此时造成在垂直于制造方向上强度的降低。在AM制造的奥氏体不锈钢中，各向异性对腐蚀的影响不是一个关键问题。同时，现有的研究显示，制造方向并不会对LPBF制造的316L不锈钢在干摩擦条件下的摩擦性能产生影响。

在AM制造奥氏体不锈钢时，不同的气孔类型均有报道。未熔合气孔被认为是对摩擦性能，疲劳性能和腐蚀性能等方面比球形气孔的危害要大得多，因为在拉伸测试和腐蚀环境中他们会作为裂纹的起源和点蚀的形成点。研究显示，未熔合气孔的存在会导致AM制品的点蚀抗力的下降，这是因为作为点蚀的据点会导致腐蚀的迅速发生。球形气孔，依据外部表面的气孔形状，被分为开孔和闭孔，开孔类型的球形气孔被认为对稳定的点蚀破坏作用要比半封闭的球形气孔要轻。这是因为在暴露在腐蚀环境中离子扩散速率不同造成的。

AM制造过程中热源和粉末原材料之间的相互作用导致了大多数的快速加热和冷却循环的存在，这将造成显微组织的形成是远远偏离平衡态。基于这一点，后续处理包括应力释放热处理和热等静压是通常用来消除这些隐患的办法。针对铸造和变形的奥氏体不锈钢的热处理标准已经建立起来了，但针对AM制造的产品的相应的标准尚没有建立。研究这些热处理对AM制造产品性能的影响和优化AM制造产品的热处理工艺是非常重要的。

举例来说，在考虑腐蚀性能时，固溶热处理的温度范围为1010 和 1120 °C是传统奥氏体不锈钢的常用热处理温度制度，可以通过分解固溶在 γ 基材中的碳化物来提高腐蚀性能。研究也表明，针对传统奥氏体不锈钢热处理制度的工艺并不对AM制造的合金的热处理制度相适应。

研究表明，热处理温度超过 1000 °C 时可以显著的降低点蚀能力，表明这一热处理在AM制造的合金应用于需要提高抗点蚀能力的场合是不适合的。目前针对热处理温度高于 1000 °C 时，机械性能背后点蚀能力显著下降之间的吻合问题还没有取得一致。明显的，在高温下进行热处理会导致部分/完全的现存的夹杂物向不同化学成分的夹杂物进行转变，甚至形成一些新的在沉积态不存在的相。在这一高温热处理制度下的夹杂物的转变问题，依然不清楚。