SLM 3D打印与TiC微米颗粒强化，将316L 不锈钢屈服强度提升至832MPa

| 3DScienceValley · 2020/08/12

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不锈钢是一类重要的金属材料，316L不锈钢因良好的加工性能和出色的耐腐蚀性能而被广泛应用于各个工业领域。但316L不锈钢的强度无法与密度更轻的铝合金和钛合金相媲美，难以满足未来的工业需求。ASTM标准规定，316L的性能为屈服强度 > 170MPa，拉伸强度 > 485 MPa，延伸率 > 40%。因此，强化316L迫在眉睫。

学术期刊《Composites Part B: Engineering》中发表了一篇论文，题目为’Selective laser melting of dispersed TiC particles strengthened 316L stainless steel’。这篇论文揭示了一种强化316L不锈钢的方法，在该方法中，研究团队使用选区激光熔化（SLM）金属3D打印技术与一种添加TiC微米颗粒的316L不锈钢3D打印材料，使其屈服强度提高到832MPa。

TiC 微米颗粒增强材料

强度提升的主要原因

根据论文的描述，选区激光熔化3D打印技术是强化316L不锈钢的一种新型手段。选区激光熔化极快的冷却速率 (可达到10^6K/s)，导致316L 不锈钢材料中存在很高位错密度。这是选区激光熔化技术可以强化316L的主要原因。一般来说，选区激光熔化制造的316L材料屈服强度可达到600 MPa左右，伸长率可达到50%以上。

在这项研究中，作者通过添加1wt.% 和3wt.% 的TiC微米颗粒，使打印后的316L-1TiC和316L-3TiC的屈服强度达到660 MPa和832 MPa。分析表明，这种强化来源于晶粒细化和第二相强化。通过与相关文献的对比发现，他们的研究结果（强度和塑性）优于纳米TiC 颗粒强化的316L不锈钢。

主要原因是他们采用的试样的较高致密度和良好316L/TiC的界面结合。论文指出，在选择金属的陶瓷增强相时，增强相与基体的润湿性很重要。TiC与不锈钢的润湿角仅为30°，因此，在凝固的过程中，316L不锈钢可以比较容易的在依附在TiC颗粒上生长。

实验结果

图1 a, d：316L不锈钢; b, e：316L-1TiC; c, f：316L-3TiC 腐蚀前后的组织。

图1是选区激光融化3D打印后的光学显微组织。从图中可以看出，打印后的试样无可见的气孔和未融合现象，拥有较高的致密度。TiC颗粒均匀的分布在316L基体中。

图2 a：316L; b：316L-1TiC; c：316L-3TiC。

图2是选区激光熔化3D打印后的EBSD结果。从中可以很直观的看出，添加TiC颗粒后，316L的晶粒发生了较大幅度的细化。尤其是316L-3TiC，晶粒从25.9微米细化到6.1微米。

图3 a:EBSD取向图; b:晶界图; c: TiC和奥氏体相分布图。

图3展示了EBSD的相分布研究结果。从图中可以看出，添加TiC颗粒后，TiC沿着奥氏体晶界分布在316L基体中。这也是TiC在晶粒细化中起到异质形核，抑制晶粒长大的直接证据。

图4 选区激光熔化3D打印的强化后316L-TiC材料拉伸应力应变曲线。

图4 可以看出，通过这种方法得到的316L-TiC材料，拉伸强度远高于传统的不锈钢。同时，塑性也维持在较高的水平。

选区激光熔化增材制造的316L屈服强度远高于传统316L不锈钢材料，原因是其中含有较高的位错密度。添加1%的微米级别的TiC颗粒之后，材料的屈服强度提高了10%，但是延伸率并没有降低。添加3%的TiC之后，材料的屈服强度提高了40%，达到了832 MPa，但是塑性降低到了29%。具体拉伸性能可见下表。

表1. SLM 3D打印 316L, 316L-1TiC 和316L-3TiC 材料的拉伸性能