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華南理工大學增材頂刊：新突破，強度高達1.3GPa！增材制造高強、高耐磨SiC增強不銹鋼！

2021-04-28 10:39:15 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：本文系統研究了SiC對LPBFed復合材料致密化行為、組織演變、晶體取向、力學性能和摩擦學性能的影響。隨著碳化硅含量的增加，顯微組織由等軸轉變為枝晶，這與不同的溫度梯度凝固速度有關。碳化硅的加入影響晶體取向并導致晶粒細化到316L。此外，經過激光處理后，微米級碳化硅顆粒被細化到納米級，這在316L基體中引起大量位錯。添加SiC后，316L材料的強度和摩擦學性能得到了顯著提高，其中9 vol% SiC增強MMC的抗拉強度約為1.3 GPa，磨損率為0.77 × 10^-5 mm³/Nm。

激光粉末床熔化粉末添加劑制造技術是一種很有前途的粉末添加劑制造技術，通過高能激光束對金屬粉末進行選擇性熔化，可以制造出尺寸精度高、幾何形狀復雜、性能理想的零件。由于開發周期短、提前期短、材料和成本效率高，LPBF在從設計概念到大批量生產的材料開發方面具有獨特的優勢。此外，與傳統制造的零件相比，快速冷卻速率可導致晶粒細化和定制的微觀結構，改善機械性能。

LPBF處理的316L不銹鋼由于延展性好，強度高和突出耐蝕性廣泛應用于汽車航空航天和生物醫學等。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，這阻礙了它的廣泛應用。例如，316L部件在承受重負載或高磨損工作條件時容易出現故障。

碳化硅顆粒具有低密度、高硬度和優異的耐磨性，被廣泛用作增強材料。碳化硅顆粒被證明是鋼中理想的增強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，關于碳化硅增強316L金屬基復合材料的研究相對較少，缺乏對其微觀結構演變、晶粒取向、摩擦學和力學性能隨碳化硅含量變化的系統研究。

在此，華南理工大學譚超林團隊研究了SiC對LPBFed復合材料致密化行為、組織演變、晶體取向、力學性能和摩擦學性能的影響。所獲得的強度和耐磨性在文獻中處于最高水平。結果突出了通過AM進行原位加工MMC的能力，其優異的性能規避了對傳統材料的苛刻要求。相關研究成果以題“Additively manufactured SiC-reinforced stainless steel with excellent strength and wear resistance”發表在金屬頂刊Additive Manufacturing上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101971

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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LPBFed復合材料和316L試樣相對密度和孔隙率的影響。可以清楚地看到，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%，這是由于熔體池潤濕性降低所致。圖2b-d為LPBF試件水平截面OM圖像。盡管采用了優化的工藝參數，但織構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%，基體中出現了大量的長裂紋，這是由于殘余應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，出現了連續的、良好的冶金結合激光軌跡。相鄰層之間夾角約為67°，與層間旋轉掃描策略一致。研究認為，良好粘結軌道和層旋轉可以改善的密度和力學性能。圖3b為激光軌跡放大圖；重疊區域主要為樹枝狀凝固組織，胞狀凝固組織。

圖3 LPBF生產的S6 MMC的OM圖像從水平截面。

圖4顯示了SiC添加對LPBFed 316L和MMCs顯微結構特征的影響。所有試樣內部都存在細小的胞孔結構，這是lpbf制備樣品的典型凝固結構。在激光加工[28]過程中，這種結構會在瞬間熔化和快速凝固條件下以極高的冷卻速率形成。細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生產的MMCs試樣凝固組織隨溫度的升高而變化

圖4 對LBPF生產的316L和MMCs （a-f和i）的SEM顯微結構和S12 MMC （g和h）的EDS映射分析。

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

圖6為LPBF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，這是由于基體與SiC顆粒之間的熱膨脹系數（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合。相應的快速傅里葉變換（FFT）拍照界面區域在圖6e進一步演示界面位錯的存在，“T”符號在第二區域即晶格畸變的區域可能是由于內部殘余應力和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的FFT界面區域的圖像。

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的力學性能與文獻進行了比較

圖10 LPBF制備的 mmc的強化機制。

總之，碳化硅的加入影響了顯微組織的形態和織構。隨著碳化硅含量的增加，金屬基復合材料的微觀結構由等軸向枝晶轉變。碳化硅顆粒促進了<?001?>擇優結晶取向的形成大角度晶界在金屬基復合材料中，這可能分別是由沿構建方向的溫度梯度增加和由CTE失配引起的高殘余應力引起的。碳化硅的強化主要表現為晶界強化、Orowan強化、位錯強化和載荷轉移強化。

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