華南理工增材頂刊：1.3GPa,！增材制造高強(qiáng)、高耐磨SiC增強(qiáng)不銹鋼,！

來源：料學(xué)網(wǎng)

本文系統(tǒng)研究了SiC對(duì)粉末床熔融復(fù)合材料致密化行為,、組織演變、晶體取向,、力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響,。隨著碳化硅含量的增加，顯微組織由等軸轉(zhuǎn)變?yōu)橹���,，這與不同的溫度梯度有關(guān)凝固速度,。碳化硅的加入影響晶體取向并導(dǎo)致晶粒細(xì)化到316L。此外,，經(jīng)過激光處理后,，微米級(jí)碳化硅顆粒被細(xì)化到納米級(jí)，這在316L基體中引起大量位錯(cuò),。添加SiC后,，316L材料的強(qiáng)度和摩擦學(xué)性能得到了顯著提高，其中9vol% SiC增強(qiáng)MMC的抗拉強(qiáng)度約為1.3GPa,，磨損率為0.77×10−5mm3/Nm,。

激光粉末床熔化粉末添加劑制造技術(shù)是一種很有前途的粉末添加劑制造技術(shù)，通過高能激光束對(duì)金屬粉末進(jìn)行選擇性熔化,，可以制造出尺寸精度高,、幾何形狀復(fù)雜、性能理想的零件,。由于開發(fā)周期短,、提前期短、材料和成本效率高,，LPBF在從設(shè)計(jì)概念到大批量生產(chǎn)的材料開發(fā)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),。此外，與傳統(tǒng)制造的零件相比,，快速冷卻速率可導(dǎo)致晶粒細(xì)化和定制的微觀結(jié)構(gòu),，改善機(jī)械性能,。

LPBF處理的316L不銹鋼由于延展性好，強(qiáng)度高和突出耐蝕性廣泛應(yīng)用于汽車航空航天和生物醫(yī)學(xué)等,。然而,，由于硬度低、耐磨性差,，在惡劣的工作條件下仍存在巨大的挑戰(zhàn),，這阻礙了它的廣泛應(yīng)用。例如,，316L部件在承受重負(fù)載或高磨損工作條件時(shí)容易出現(xiàn)故障,。

碳化硅顆粒具有低密度、高硬度和優(yōu)異的耐磨性,，被廣泛用作增強(qiáng)材料,。碳化硅顆粒被證明是鋼中理想的增強(qiáng)顆粒可濕性用鐵并且比鋼更高的激光吸收無疑將有助于良好的成型性,。然而,，關(guān)于碳化硅增強(qiáng)316L金屬基復(fù)合材料的研究相對(duì)較少，缺乏對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)演變,、晶粒取向,、摩擦學(xué)和力學(xué)性能隨碳化硅含量變化的系統(tǒng)研究。

在此,，華南理工大學(xué)譚超林團(tuán)隊(duì)研究了SiC對(duì)LPBFed復(fù)合材料致密化行為、組織演變,、晶體取向,、力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響。所獲得的強(qiáng)度和耐磨性在文獻(xiàn)中處于最高水平,。結(jié)果突出了通過AM進(jìn)行原位加工MMC的能力,，其優(yōu)異的性能規(guī)避了對(duì)傳統(tǒng)材料的苛刻要求。相關(guān)研究成果以題“Additively manufactured SiC-reinforced stainless steel with excellent strength and wear resistance”發(fā)表在金屬頂刊Additive Manufacturing上,。

圖1 原料的形貌和粒度分布:(a) 316L和(b) SiC粉末的形貌,，(c) 316L和SiC粉末的粒度分布

圖2a顯示了SiC含量對(duì)LPBFed復(fù)合材料和316L試樣相對(duì)密度和孔隙率的影響�,？梢郧宄�地看��,，SiC的加入影響了試樣的致密化行為。SiC含量從0 vol%增加到12 vol%,，樣品的相對(duì)密度從7.90 g/cm3顯著降低到7.62 g/cm3,。SiC的加入使熔體的孔隙率從0.13%增加到0.69%，這是由于熔體池潤(rùn)濕性降低所致,。圖2b-d為L(zhǎng)PBF試件水平截面OM圖像,。盡管采用了優(yōu)化的工藝參數(shù),，但織構(gòu)表面仍存在一些缺陷(如氣孔和裂紋)，這些氣孔也可能來自于拋光過程中氧化夾雜的拔出,。隨著SiC含量不斷增加到12 vol%,，基體中出現(xiàn)了大量的長(zhǎng)裂紋，這是由于殘余應(yīng)力的增加和塑性的降低造成的,。

圖2 孔隙度和阿基米德密度,，以及LPBF生成的316L和MMCs的OM圖像

圖3為S6 MMC水平截面的典型OM圖像。如圖3a所示,，出現(xiàn)了連續(xù)的,、良好的冶金結(jié)合激光軌跡。相鄰層之間夾角約為67°,，與層間旋轉(zhuǎn)掃描策略一致,。研究認(rèn)為，良好粘結(jié)軌道和層旋轉(zhuǎn)可以改善的密度和力學(xué)性能,。圖3b為激光軌跡放大圖;重疊區(qū)域主要為樹枝狀凝固組織,，胞狀凝固組織。

圖3 LPBF生產(chǎn)的S6 MMC的OM圖像從水平截面

圖4顯示了SiC添加對(duì)LPBFed 316L和MMCs顯微結(jié)構(gòu)特征的影響,。所有試樣內(nèi)部都存在細(xì)小的胞孔結(jié)構(gòu),，這是lpbf制備樣品的典型凝固結(jié)構(gòu)。在激光加工[28]過程中,，這種結(jié)構(gòu)會(huì)在瞬間熔化和快速凝固條件下以極高的冷卻速率形成,。細(xì)胞邊界是一種亞晶界，可能是由成分偏析引起的,。從圖4中可以看出,，LPBF生產(chǎn)的MMCs試樣凝固組織隨溫度的升高而變化

圖4 對(duì)LBPF生產(chǎn)的316L和MMCs (a-f和i)的SEM顯微結(jié)構(gòu)和S12 MMC (g和h)的EDS映射分析

圖5 對(duì)LBPF制備的316L的TEM分析:(a)亮場(chǎng)圖像顯示高密度位錯(cuò)，(b)高分辨率TEM圖像(嵌入SADP)顯示奧氏體相

圖6為L(zhǎng)PBF制備的S6 MMC的BF-TEM圖像,，該圖像研究了SiC顆粒的形貌以及SiC與316L基體之間的界面,。圖6a顯示316L基體中存在高密度位錯(cuò)，這是由于基體與SiC顆粒之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)不同造成的,。高分辨率TEM圖像顯示了SiC與316L基體之間的界面形貌,，表明SiC與金屬基體之間有良好的結(jié)合。相應(yīng)的快速傅里葉變換(FFT)拍照界面區(qū)域在圖6e進(jìn)一步演示界面位錯(cuò)的存在,，“T”符號(hào)在第二區(qū)域即晶格畸變的區(qū)域可能是由于內(nèi)部殘余應(yīng)力和CTE SiC顆粒與基體之間不匹配,。

圖6 TEM分析LPBF-fabricated S6 MMC: (a)和(b) BF-TEM形象LPBF-fabricated S6 MMC顯示較高的位錯(cuò)密度和碳化硅顆粒，(c) BF-TEM圖片與插入SADP碳化硅粒子,，粒子(d) EDS映射分析,，(e)和高分辨率透射電鏡圖像和相應(yīng)的FFT界面區(qū)域的圖像。

圖7 SiC粉和lpbf制備的316L和MMCs的XRD譜圖:(a)全譜圖,，(b)和(c)局部放大譜圖

圖8 對(duì)LPBF制備的316L和S6 MMC的EBSD分析: (a)晶界圖,，(b)顏色反極圖(IPF),，(c)極圖(PFs)；(d) lpbf制備的S6 MMC的晶界圖,，(e) IPF和(f) PFs

圖9 本文研究的LPBF制備的MMCs的力學(xué)性能與文獻(xiàn)進(jìn)行了比較

圖10 LPBF制備的 mmc的強(qiáng)化機(jī)制

總之,，碳化硅的加入影響了顯微組織的形態(tài)和織構(gòu)。隨著碳化硅含量的增加,，金屬基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)由等軸向枝晶轉(zhuǎn)變,。碳化硅顆粒促進(jìn)了< 001 >擇優(yōu)結(jié)晶取向的形成大角度晶界在金屬基復(fù)合材料中，這可能分別是由沿構(gòu)建方向的溫度梯度增加和由CTE失配引起的高殘余應(yīng)力引起的,。碳化硅的強(qiáng)化主要表現(xiàn)為晶界強(qiáng)化,、Orowan強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和載荷轉(zhuǎn)移強(qiáng)化,。