供稿人:张金智 张安峰 发布日期：2018-01-21
在纯金属或合金的传统制造中，强度和塑性是金属应用中的两大关键，然而，提高强度就意味着在一定程度上牺牲塑性，往往不能两者兼顾。高强度归因于固化的晶体结构，低角度的晶界和制造过程中的位错。沿晶界的溶质偏析和低角度的晶界可以增强位错，促进双晶形成。增材制造方法成形的合金具有独特的微观结构和结构应用的高性能。测试表明坚固耐磨的3D打印316L不锈钢可以提供比其他形式的钢更高水平的强度和延展性，使其有助于化学设备、医疗植入物、发动机零件以及需要其设备优异物理性能的各种其他应用。
美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）联合乔治亚理工大学和美国俄勒冈州立大学的阿姆斯国家实验室的Y. Morris Wang, Thomas Voisin等通过改变激光增材制造工艺参数和过程控制来提高零件的力学性能。通过控制激光能量以及采取快速冷却的过程，获得了接近全密度(99.2%)的316 L不锈钢零件。同步辐射X射线衍射显示成形的316L是面心立方，没有体心立方相。
图1 laser powder-bed-fusion(L-PBF)成形316L典型组织
a. 各种长度尺度的示意图 b.316L试样横截面电子背散射（EBSD）反极图（IPF）表示晶粒取向，反极图步长为2μm，水平方向 c.横截面扫描电镜图（SEM），显示融合边界、大角度晶界（HAGBs）和晶胞结构，插图显示了高倍镜下的晶胞结构。图片方向是垂直的 d. 亮场透射电子显微镜（TEM）凝固晶胞图 e. 高角环形暗场(HAADF)扫描TEM(STEM)图显示在d中的凝固晶胞 f.1μm步长电子背散射反极图 g. 叠加有HAGB和低角度晶界（LAGB）的EBSD图像质量（IQ）图 h.内核平均映射错位图（KAM） i. 显示Mo和Cr与固化晶胞壁分离的HAADF STEM（Z对比度）图像
图2 L-PBF成形316L不锈钢(SS)的拉伸性能
a.两种L-PBF 316L试样拉伸工程应力—应变曲线（红色曲线：Concept试样；蓝色曲线：Fraunhofer试样），与铸造和锻造材料相比。屈服强度（YS），均匀延伸率（UE）和极限拉伸强度（UTS） b.总结了各种316L的屈服应力和延伸率，包括3D打印的316L，高性能材料（通过纳米丝束和双峰粒材料加强），常规粗粒材料（退火微结构）和通过传统塑性变形加强的材料。
Concept试样成形条件： Concept Laser M2 powder-bed-fusion (L-PBF) 设备，400W光纤激光器，光斑直径54μm；氩气保护氛围（氧含量低于0.1%-0.2%）；成形基板304不锈钢，等离子雾化316L粉末，粒径约30μm；成形10x10x8mm圆柱试样；优化工艺参数，分别采用连续扫描和孤岛扫描策略，提高致密度至约99.2%。
Fraunhofer试样成形条件：开放式架构Fraunhofer L-PBF 设备， 400W光纤激光器，光斑直径207μm；成形40x40x3mm薄板，采用连续扫描策略。
实验结果表明，3D打印的316L体现出优异的强度和延展性组合，超过传统甚至高性能的钢。