综述:钢铁材料增材制造过程中的研究进展与挑(2)
图6 LPBF不锈钢在经历热处理时历经的显微组织演变
图7 在退火时显微组织演变的示意图
面临的挑战
尽管在上面提到AM制造奥氏体不锈钢时可以得到性能优异的制品,但仍然存在许多重要的挑战而限制着该技术在工业中的更为广泛的应用。最为重要的限制着当前AM技术制造奥氏体不锈钢的应用的几大挑战在这里给予介绍,他们主要包括残余应力,各向异性,气孔的形成和基于热处理的后处理工艺等。
在AM制造过程中尖锐的热温度梯度产生的巨大的残余应力会导致部件的变形。这将影响着随后的机械性能,降低应力腐蚀抗力,或者说甚至会影响着最后的产品形状的尺寸精度。对制造时的基材或者粉末材料进行预热是常见的降低温度梯度和由此实现降低残余应力的常用途径。控制扫描途径是另外一种减少残余应力的途径。其它的诸如不同于以上原位的控制残余应力的办法,进行后热处理也是有效的释放残余应力的办法。
各向异性是AM制造过程中的一个关键问题,可以分为两大类,首先,各向异性起源于制造时是在不同的方向上进行制造的,第二,各向异性起源于在测量时不同的轴向上机械性能不一样。制造方向导致的AM制造奥氏体不锈钢的显微组织和机械性能的各向异性等问题已经得到了很好的研究。柱状晶和强的晶体织构沿着制造方向的问题被认为是造成AM制造奥氏体不锈钢的机械性能的各向异性的主要因数。例如,据报道,在平行于样品制造方向上的UTS(最大抗拉强度)几乎是垂直于样品方向的UTS的120%。这一行为同AM制造过程中连续制造层之间的缺陷的形成相关联。此时造成在垂直于制造方向上强度的降低。在AM制造的奥氏体不锈钢中,各向异性对腐蚀的影响不是一个关键问题。同时,现有的研究显示,制造方向并不会对LPBF制造的316L不锈钢在干摩擦条件下的摩擦性能产生影响。
在AM制造奥氏体不锈钢时,不同的气孔类型均有报道。未熔合气孔被认为是对摩擦性能,疲劳性能和腐蚀性能等方面比球形气孔的危害要大得多,因为在拉伸测试和腐蚀环境中他们会作为裂纹的起源和点蚀的形成点。研究显示,未熔合气孔的存在会导致AM制品的点蚀抗力的下降,这是因为作为点蚀的据点会导致腐蚀的迅速发生。球形气孔,依据外部表面的气孔形状,被分为开孔和闭孔,开孔类型的球形气孔被认为对稳定的点蚀破坏作用要比半封闭的球形气孔要轻。这是因为在暴露在腐蚀环境中离子扩散速率不同造成的。
AM制造过程中热源和粉末原材料之间的相互作用导致了大多数的快速加热和冷却循环的存在,这将造成显微组织的形成是远远偏离平衡态。基于这一点,后续处理包括应力释放热处理和热等静压是通常用来消除这些隐患的办法。针对铸造和变形的奥氏体不锈钢的热处理标准已经建立起来了,但针对AM制造的产品的相应的标准尚没有建立。研究这些热处理对AM制造产品性能的影响和优化AM制造产品的热处理工艺是非常重要的。
举例来说,在考虑腐蚀性能时,固溶热处理的温度范围为1010 和 1120 °C是传统奥氏体不锈钢的常用热处理温度制度,可以通过分解固溶在 γ 基材中的碳化物来提高腐蚀性能。研究也表明,针对传统奥氏体不锈钢热处理制度的工艺并不对AM制造的合金的热处理制度相适应。
研究表明,热处理温度超过 1000 °C 时可以显著的降低点蚀能力,表明这一热处理在AM制造的合金应用于需要提高抗点蚀能力的场合是不适合的。目前针对热处理温度高于 1000 °C 时,机械性能背后点蚀能力显著下降之间的吻合问题还没有取得一致。明显的,在高温下进行热处理会导致部分/完全的现存的夹杂物向不同化学成分的夹杂物进行转变,甚至形成一些新的在沉积态不存在的相。在这一高温热处理制度下的夹杂物的转变问题,依然不清楚。
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文章来源:Additive manufacturing of steels: a review of achievements and challenges,Nima Haghdadi, Majid Laleh, Maxwell Moyle & Sophie Primig ,Journal of Materials Sciencevolume 56, pages 64–107(2021),
参考文献:1, Corrosion performance of additively manufactured stainless steel parts: A review,Additive Manufacturing
Volume 37, January 2021, ,
2,Microstructure and corrosion behavior of 316L stainless steel prepared using different additive manufacturing methods: A comparative study bringing insights into the impact of microstructure on their passivity,Corrosion Science,Volume 176, November 2020, ,
文章来源:《钢铁研究学报》 网址: http://www.gtyjxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0807/647.html
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