增材制造不銹鋼的疲勞性能研究

周宇豪

（西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710072）

1 增材制造AM 奧氏體不銹鋼的研究現(xiàn)狀

近年來，增材制造技術(shù)在金屬材料制備領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展。國內(nèi)外報(bào)道了利用選區(qū)激光熔煉(Selective laser melting,SLM)制備出同時(shí)具有優(yōu)良強(qiáng)度和韌性的316L 不銹鋼。奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能與力學(xué)性能等特性，被廣泛應(yīng)用于核電、石油、化工等領(lǐng)域。但限于生產(chǎn)和加工工藝的限制，傳統(tǒng)的制備方式工藝步驟復(fù)雜，生產(chǎn)周期長。而增材制造技術(shù)，如SLM可以直接快速制備出具有復(fù)雜三維形貌的工件，并可以調(diào)控微觀組織，優(yōu)化材料宏觀性能，降低原材料成本的同時(shí)大大簡(jiǎn)化了制備流程。因此，增材制造技術(shù)在金屬材料制備領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。

2 增材制造AM 奧氏體不銹鋼的分層異質(zhì)結(jié)構(gòu)

增材制造奧氏體不銹鋼往往存在γ- 奧氏體和δ- 鐵素體組織。由于增材制造的冷卻速率較快，通過多次循環(huán)加熱冷卻，可以獲得更精細(xì)的微觀組織、較強(qiáng)的織構(gòu)、較大的位錯(cuò)密度及產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。近年來，人們利用增材制造組織調(diào)控的靈活性，制備出具有納米析出物、位錯(cuò)胞、大/小角度晶界以及魚鱗狀凝固胞等分層異質(zhì)結(jié)構(gòu)/梯度材料，如圖1 所示[1]。在變形過程中，凝固胞狀結(jié)構(gòu)可以作為位錯(cuò)的阻礙，類似于Hall-Petch 效應(yīng)，精細(xì)的細(xì)胞導(dǎo)致非常高的強(qiáng)度，同時(shí)高密度的位錯(cuò)網(wǎng)也會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)變形過程中產(chǎn)生的變形孿晶有助于提高延展性，使得增材制造奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度和韌性得到同時(shí)提高。

圖1

圖1 (a) L-PBF 316L 顯微組織在不同的尺度下的示意圖；(b) 顯示樣品的晶粒取向的EBSD 反極圖；(c) 掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，揭示了熔合邊界、高角度晶界和凝固胞狀結(jié)構(gòu)。插圖顯示了放大后胞狀結(jié)構(gòu)；(d) 凝固細(xì)胞的透射電鏡TEM 明場(chǎng)圖像，表明位錯(cuò)網(wǎng)的存在；(e)圖中顯示了凝固胞的高角度環(huán)形暗場(chǎng)(HAADF)掃描透射電鏡(STEM)圖像。偏析在細(xì)胞壁的納米顆粒被鑒定為在L-PBF 加工過程中形成的富含過渡金屬的硅酸鹽。

3 增材制造不銹鋼的疲勞演變過程

如圖2 所示[2]，具有相對(duì)高幾何必要位錯(cuò)密度(GND)胞狀結(jié)構(gòu)可以阻止胞內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)以提高屈服強(qiáng)度，同時(shí)位錯(cuò)網(wǎng)的進(jìn)一步阻礙能夠延遲疲勞裂紋的成核，但這種增強(qiáng)機(jī)制只在疲勞試驗(yàn)開始時(shí)很短的時(shí)間。當(dāng)疲勞高應(yīng)變下加載時(shí)，胞結(jié)構(gòu)的兩側(cè)具有相反的Burgers 矢量方向，這允許移動(dòng)位錯(cuò)穿透細(xì)胞邊界。隨著胞邊界的遷移和GNDs 的減少，這些移動(dòng)位錯(cuò)將最終被吸收消失。在此期間預(yù)先存在胞界位錯(cuò)的釘扎效應(yīng)可以有效地保持位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，從而顯著提高疲勞裂紋成核的阻力。然而，由于高角度晶界(HAGBs)極高的GNDs，活動(dòng)位錯(cuò)很難突破HAGBs。然后，隨著應(yīng)變的增加，胞狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，變形和遷移形成了位錯(cuò)線，這可以提供有效觸發(fā)孿晶的GNDs 密度，而位錯(cuò)線的形成還受奧氏體晶粒滑移系統(tǒng)的影響。在持續(xù)疲勞載荷引起的應(yīng)變作用下，疲勞裂紋開始成核，犧牲位錯(cuò)線儲(chǔ)存能量，孿晶沿著先前形成的位錯(cuò)線形成。此外，由于細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)效應(yīng)和第一對(duì)孿晶的阻滯效應(yīng)相互作用，第二對(duì)孿晶會(huì)使第一對(duì)孿晶發(fā)生屈曲。交錯(cuò)孿晶和胞狀結(jié)構(gòu)之間的相互作用機(jī)制可以阻止和調(diào)節(jié)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高抗疲勞開裂性，略微增加疲勞壽命。

圖2 外力作用下胞壁和細(xì)胞內(nèi)部位錯(cuò)流動(dòng)示意圖

4 增材制造不銹鋼的疲勞性能影響因素

4.1 胞狀結(jié)構(gòu)

如上所述，胞狀結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，可以在疲勞試驗(yàn)的每個(gè)階段產(chǎn)生有益的加工硬化機(jī)制，導(dǎo)致AM金屬制件的優(yōu)異疲勞性能。在這些硬化機(jī)制中，胞狀結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)作用導(dǎo)致位錯(cuò)穿透胞邊界并最終湮滅，為提高疲勞壽命做出了關(guān)鍵貢獻(xiàn)，這種調(diào)節(jié)作用顯著地延緩了疲勞裂紋成核，從而延長了疲勞裂紋形成之前的疲勞歷史階段。

4.2 變形孿晶

高密度的位錯(cuò)線可以提供孿晶的驅(qū)動(dòng)力，有助于孿晶的形成。形成的孿晶和殘留的位錯(cuò)壁相互作用可導(dǎo)致位錯(cuò)- 孿晶效應(yīng)和位錯(cuò)- 胞狀結(jié)構(gòu)效應(yīng)，產(chǎn)生漸進(jìn)硬化機(jī)制以增強(qiáng)疲勞性能。在高應(yīng)變下，產(chǎn)生的第二組孿晶方向與第一組孿晶方向相交，使第一組孿晶發(fā)生了屈曲，這種交錯(cuò)變形孿晶可以通過阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而有助于加工硬化塑性和抗疲勞開裂。在疲勞的最后階段，具有較高局部應(yīng)變的變形孿晶穿透并細(xì)分胞狀結(jié)構(gòu)，使得孿晶、位錯(cuò)線和胞狀結(jié)構(gòu)同時(shí)阻礙移動(dòng)位錯(cuò)，從而有助于疲勞的漸進(jìn)加工硬化機(jī)制。

4.3 高角度晶界(HAGBs)

一方面，高角度晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有較強(qiáng)的阻礙作用，故高密度的HAGBs 有助于拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度；另一方面，孿晶起源于HAGBs，但變形孿晶穿過HAGBs 時(shí)，由于HAGBs 周圍較高的取向差而被大大削弱。此外，特別致密的HAGBs 往往分布在熔池邊界附近，這可能是由于SLM過程中熔池?zé)崽荻葘?dǎo)致的外延生長以及相鄰掃描軌跡的再融化效應(yīng)造成的。而HAGBs和熔池邊界的重合位置可能會(huì)成為疲勞裂紋的首選萌生地。

4.4 孔隙率和表面粗造度

低孔隙率試樣的疲勞裂紋從試樣頂面開始，而高孔隙率試樣的疲勞裂紋從內(nèi)部的未熔缺陷開始，而沒有從具有最大拉伸殘余應(yīng)力的底面萌生普勞裂紋，說明與表面粗糙度和孔隙率相比，殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響最小。于是將7-9%（表面粗糙度約為20μm）的孔隙率定義為“臨界值”[3]，當(dāng)孔隙率高于7-9%并伴有約20μm 的表面粗糙度時(shí)，孔隙率在疲勞壽命中占關(guān)鍵因素，而當(dāng)孔隙率低于7-9%時(shí)，表面粗糙度為關(guān)鍵因素。

5 增材制造不銹鋼的挑戰(zhàn)與展望

目前人們對(duì)其疲勞新能的研究還很匱乏，人們對(duì)于增材制造所特有的微觀組織與其疲勞失效機(jī)理的理解還不完善。與此同時(shí)，不銹鋼的服役環(huán)境中往往有大量氫原子的存在，因此深入分析氫對(duì)增材制不銹鋼的疲勞性能的影響對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估預(yù)測(cè)其在服役過程中的安全性與可靠性非常必要。

國內(nèi)對(duì)材料的疲勞性能研究主要是通過對(duì)疲勞失效后的疲勞斷口進(jìn)行觀察分析，根據(jù)微觀組織中的裂紋萌生地和裂紋擴(kuò)展途徑推斷疲勞演變過程。然而，國外對(duì)疲勞循環(huán)過程中的顯微結(jié)構(gòu)演化和疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展過程進(jìn)行原位觀察分析。同時(shí)在疲勞過程中，運(yùn)用聲發(fā)射(acoustic emission ,AE technique) 和熱圖像(thermal imager ,TI)對(duì)整個(gè)疲勞循環(huán)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可用于確定疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂的起始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。