业界对不锈钢的关注通常跟汽车制造领域相关联，不过航空航天、能源等领域对不锈钢材料的采用正在呈多样化需求发展趋势。一个典型的案例是SpaceX的一大努力是将材料经可能多的用不锈钢来替代，最初能避免被替换掉的是那些暴露在高温富氧气体燃烧环境中的零件，但最终Elon Musk成功地将大部分零件材料都换成了不锈钢。在SpaceX建造全尺寸星舰（Starship）之际，Elon Musk表示，由于使用了钢材，因此一枚火箭的材料花费不需要4-5亿美元，仅需1000万美元，并且它将是可重复使用的飞船 。钢不仅仅低成本，一个重要优势是其熔点高，其中铬镍含量高的不锈钢即使在-160°C 的温度下也能保持足够的延展性和强度。
不仅仅是航空航天，根据《中国核动力研究设计院：核电用316L不锈钢粉末增材制造研究现状》，钢在核电领域的应用也颇具潜力，增材制造316L不锈钢的组织与性能存在各向异性，但各向异性可通过增材制造的后处理技术消除。目前增材制造最为常用的后处理技术为热处理。与锻造316L不锈钢相比，经热等静压处理的增材制造316L不锈钢的力学性能与辐照性能更优。目前，核用不锈钢的增材制造技术还处于起始阶段，后续应重点关注增材制造的成形机理及成形材料中子辐照性能等内容。
本期，通过聚焦近期国内在不锈钢增材制造方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。
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2205双相不锈钢在增材制造和
热处理过程中组织和力学性能的变化
袁雪婷1,2李银山2臧伟1,2,3郭克星2马璇1,2董超1,2
1.中油国家石油天然气管材工程技术研究中心有限公司 2. 中国石油宝鸡石油钢管有限责任公司3. 陕西省高性能连续管重点实验室
摘要：
为了研究激光粉末床熔融（LPBF）过程中双相不锈钢的固态相变和力学性能的变化规律，采用电子背散射衍射（EBSD）、电子探针（EPMA）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子探针层析技术（APT）和力学性能测试等方法对材料性能进行了表征。结果显示，采用LPBF技术制备的双相不锈钢（DSS）组织多为铁素体，柱状铁素体晶粒沿BD方向生长，具有很强的织构，相比于常规制造DSS屈服强度和极限抗拉强度得到了较大程度的提升，但延性下降。对采用LPBF技术加工的2205双相不锈钢进行1 000℃退火处理后，组织可恢复到相平衡状态，塑性得到明显提高，-110℃时表现出优良的冲击韧性。此外，LPBF试样具有较高的强度和较低的塑性，这主要是因为铁素体组织中的N过饱和度更高，形成的Cr2N颗粒较多，因而位错密度较大，热处理后，细小的奥氏体晶粒弥散分布在铁素体基体中，在塑性变形时形成孪晶并导致位错塞积，从而抑制铁素体发生塑性变形，使材料具备较大的塑性变形容限。
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SLM增材制造重熔次数对316L构件
表面粗糙度及磨损性能的影响
李强1,2刘送永1王庆阳2
1.中国矿业大学机电工程学院2. 宿州学院机械与电子工程学院
摘要：
重熔次数对选区激光熔融增材制造构件表面粗糙度及耐磨性能有重要影响，研究其影响机理及确定经济重熔次数对发展选择性激光熔化增材制造技术具有重要意义。采用选区激光熔融增材制造设备制备316L样件，在样件制备过程中分组进行0、1、2、3次激光重熔，对不同激光重熔次数下的样件表面利用三维轮廓扫描仪、扫描电子显微镜等进行表征，利用高速往复摩擦磨损试验机对样件进行了摩擦磨损试验，利用电子分析天平测定了磨损前后的质量，对表征及磨损性能进行分析。结果表明：SLM增材制造样件表面粗糙度随重熔次数的增加而逐渐减小，重熔后的平均表面粗糙度Sa、Sq、Sv、Sz值分别从0次重熔(正常打印)的8.437、11.88、82.68、252.2μm降低到了三次重熔的6.18、7.735、37.597、104.36μm，分别降低26.75%、34.89%、54.53%、58.62%；随重熔次数的增加平均摩擦因数逐渐增大，质量磨损量逐步减小；2、3次重熔样件在磨损试验的后半段瞬时最大摩擦因数出现了大于1的情况，这是由于在明显滑动之前出现“接点增长”，接点面积不断增大，致使摩擦力超过正压力。表面粗糙度及摩损性能出现上述变化的原因是每次重熔都会使表面吸附的粉末颗粒及熔接痕进一步融化融陷，直至消失，相邻熔道搭接处的“峰谷”现象得到抑制，孔隙和球化等缺陷逐渐被修复，表面变得更加平整。研究发现不同重熔次数对表面粗糙度和磨损改变的程度不同；定义了经济重熔次数概念，1、2、3次重熔次数对表面粗糙度和摩擦磨损性能综合改变率分别为ζ1=26.61%、ζ2=43.60%、ζ3=23.68%，确定了经济重熔次数为2；根据研究成果，给出了经济重熔次数在矿山机械上的应用实例提出经济重熔次数概念并进行了应用，可为提高增材制造构件表面质量和耐磨性能提供新思路。
冷金属过渡电弧增材制造
CHW-90C钢组织性能试验研究
魏文逸
辽宁开放大学[辽宁装备制造职业技术学院]
摘要：
研究采用电弧熔丝增材制造技术，制备了CHW-90C钢的薄壁构件。并对其单层沉积层内、薄壁构件整体组织演变以及力学性能进行了系统的试验研究。结果表明单层沉积层内组织可以分为凝固区和热影响区，热影响区可分为正火区和回火区，凝固区的组织主要由块状铁素体组成，而回火区与正火区热影响区组织则是以针状铁素体为主。回火区由于动态再结晶和碳化物的析出，相比于正火区晶粒得到了进一步的细化。薄壁构件的整体组织自下而上较为不均匀，底部为细小的针状铁素体和少量的马氏体，中部为粗大的块状铁素体，顶层为块状铁素体与针状铁素体的混合组织。除此之外，试样整体力学性能存在各向异性，其中水平方向试样的抗拉强度高于垂直方向，达到了1060 MPa，垂直方向试样的冲击韧性高于水平方向，达到了226.6 J。
增材制造低活化钢
研究现状及展望
陈伟1,2赵杰3朱利斌4曹海波1
1. 中国科学院合肥物质科学研究院2. 中国科学技术大学3. 安徽汇正电子科技有限公司 4. 合肥工业大学机械工程学院
摘要：
低活化铁素体/马氏体(Reduced activation ferritic/martensitic, RAFM)钢是目前较成熟的聚变堆结构材料，具有低活化特性的纳米氧化物弥散强化(Oxide dispersion strengthened, ODS)钢兼具辐照稳定性和良好的高温强度，是最有发展前途的聚变堆结构材料。概述了增材制造技术在聚变堆结构材料领域应用的典型案例。围绕热输入量、扫描策略、打印尺寸、粉末特性、热处理优化等方面分析了增材制造RAFM钢微观组织调控和力学性能优化的研究进展。评述了增材制造低活化ODS钢粉末制备、缺陷控制以及纳米相调控的研究策略。最后，总结了增材制造RAFM钢存在的机遇和低活化ODS钢面临的挑战，对其发展趋势和技术难点进行了展望。
电弧增材制造T形件螺栓
连接节点力学性能试验研究
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张博1叶俊2,3刘念武1林晓阳2,3王震4汤慧萍4
1.浙江理工大学建筑工程学院2. 浙江大学建筑工程学院3. 浙江大学平衡建筑研究中心4. 浙大城市学院工程学院
摘要：
电弧增材制造(WAAM)技术在结构工程领域有广泛的应用前景，具有生产效率高、设备成本低、材料利用率高和环境可持续性等优点。为探究WAAM碳钢T形件螺栓连接节点的力学性能，设计了一系列共12组WAAM碳钢T形件，与高强钢(HSS)T形件连接形成螺栓连接节点试件，通过试验研究了螺栓线位置与螺栓排列方式对试件初始刚度、破坏模式及极限承载力的影响。首先借助三维激光扫描技术测量试件相关几何参数，随后开展力学试验并采用数字图像相关技术(DIC)测量节点加载响应。通过对比试验结果和现有设计规程计算结果，对相关计算方法的适用性与准确性进行评估，最后对已有计算模型进行修正。
结果表明：WAAM碳钢T形件具有较好的力学性能，当螺栓线与腹板翼缘连接处距离减小时，试件的初始刚度与极限承载力均呈上升趋势，而失效模式均为预期的翼缘破坏且螺栓未发生断裂。现有设计方法高估了试件的初始刚度，对破坏模式的预测较为准确，但对极限承载力的预测偏保守，修正后的极限承载力预测模型效果较好，针对WAAM碳钢T形件螺栓连接节点的设计方法仍需进一步研究。
不同预热温度下H13钢表面
电弧增材20Cr9Mo3Ni2钢的组织与性能
谢津平1曾大新1史秋月1尹一君2
1. 湖北汽车工业学院材料科学与工程学院2. 东风锻造有限公司
摘要：
在H13钢基材上电弧增材制造20Cr9Mo3Ni2钢，研究不同预热温度下制件的宏观形貌、微观组织和力学性能。结果表明，预热温度升高降低制件裂纹形成倾向，预热温度高于300℃时，制件无裂纹出现。预热温度对制件不同部位组织的影响不同，增材区底部和中部组织在无预热和预热温度为150℃时主要为回火马氏体，预热温度为300℃时为回火马氏体和淬火马氏体；预热温度为450℃时，底部为马氏体和少量贝氏体，中部区域主要是马氏体；预热温度对顶部的组织影响较小，顶部组织主要是马氏体和残留奥氏体；不同预热温度和区域的晶间都有少量铁素体存在。H13钢基材热影响区的组织在预热温度低于300℃时为回火马氏体，预热温度为450℃时为粗大的马氏体。随预热温度的升高增材区的抗拉强度升高，伸长率降低，横向抗拉强度略高于纵向抗拉强度，而横向伸长率低于纵向伸长率；结合区的抗拉强度比增材区低，预热温度低于300℃时试样断裂位置位于基材，预热温度为450℃时断裂位置位于基材热影响区。增材区的硬度在无预热和预热温度为150℃时底部和中部低，顶部高；预热温度为450℃时，硬度较高，且从顶部到底部分布比较均匀。可见，预热温度跨越Ms点时组织与性能变化大。
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