選擇性激光熔化成型316 不銹鋼的單軸蠕變-疲勞行為

丁珮珊 鄭小濤 徐建民 林 緯

（武漢工程大學 化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室）

屬于金屬3D打印工藝的選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）是一種基于分層疊加制造、通過高能激光束逐層掃描并熔化金屬粉末而成型的快速制造技術，該技術能直接成型各種復雜零件，是目前突破復雜高溫合金部件制造精度、復雜結構及材料鑄造缺陷等諸多瓶頸的關鍵技術［1］。在SLM金屬材料中，316不銹鋼由于添加了Mo元素，具有良好的耐熱性、耐腐蝕性、低溫強度和機械特性，在電力、現代工業、船舶以及醫療等諸多產業皆有良好的應用前景［2，3］。

然而，很多機械設備（如壓力容器、汽輪機、燃氣輪機及冶金機械等）長期在復雜高溫承載的工況下服役，設備的啟停、工況載荷的改變等波動載荷所導致的疲勞損傷與高溫條件下所形成的蠕變損傷交互作用是設備失效的主要原因。因此，研究高溫環境下材料的蠕變疲勞行為具有重大意義［4，5］。

目前，對SLM材料的研究大多集中在成型工藝、微 觀 組 織 結 構 等 方 面。MERCELIS P 和KRUTH J P通過試驗研究SLM成型Fe-20Ni-15Cu-15Fe3P混合粉末時發現，元素成分會影響材料對激光的吸收率、高溫熔體的潤濕以及鋪展能力、氧化等，當試樣成型面呈均勻魚鱗狀且基本未出現球化現象時，成型件的致密度可達91%［6］。CHILDS T H C等采用有限元方法構建了不同激光功率、掃描速度等工藝參數下M2、H13、314SHC和316L不銹鋼的單道熔池形貌、溫度和質量的預測模型，并通過試驗驗證了模擬結果的正確性［7］。MORGAN R 等系統地研究了316L 不銹鋼粉末SLM成型件的致密度，通過調整激光脈沖、掃描速度和掃描間距獲得了致密度99%以上的零件［8］。研究發現，在SLM中普遍存在粉末球化現象，且球化分為兩種：第1種是由于粉末未吸收足夠激光能量，粉末之間通過液相燒結機制粘結在一起，從而造成不連續大尺寸球化；第2種是由于微熔池不穩定造成的金屬飛濺，形成了微米級別的小球［9］。

國內學者對傳統工藝成型316不銹鋼的蠕變疲勞特性已經有了比較充分的研究，但是由于材料在應用選擇性激光熔化技術成型過程中，高激光能量導致的巨大溫度梯度和零件定向生長導致生成的零件存在力學性能的各向異性，目前仍缺乏材料各向異性對其蠕變-疲勞行為影響的相關研究。為了使金屬3D打印技術能應用于嚴苛環境下的工業生產，迫切需要研究SLM 316不銹鋼構件的各向異性蠕變疲勞行為。為了全面研究SLM 316不銹鋼的棘輪與蠕變行為，筆者采用不同峰值應力、保持時間和成型角度進行低周蠕變疲勞試驗，對比分析蠕變和蠕變-疲勞交互作用下SLM 316不銹鋼的失效機理。

1 試驗材料和設備

將SLM成型的316不銹鋼加工成圓柱形標準試樣，在RPL50蠕變疲勞試驗機上進行應力控制的疲勞、蠕變和蠕變-疲勞交互試驗，加載模式如圖1所示。其中，σ表示峰值應力，σ·表示應力率。

圖1 試驗加載模式

對于蠕變-疲勞交互試驗，棘輪試驗參量的表示方式如圖2所示。

圖2 棘輪試驗應變參量圖

棘輪應變εr定義為：

式中 εi——每個循環應變初始值；

Δεt——每個循環的應變范圍。

棘輪應變率νi表示為：

其中，νi為第i周次的棘輪應變率，εr，i為第i周次的棘輪應變，εr，j表示第j周次的棘輪應變，ΔNi，j表示第i周次和第j周次之間的循環次數。

具體試驗參數見表1。

表1 試驗參數

2 疲勞試驗結果比較

不同峰值應力（表1中試驗1～3）下疲勞試驗的應力-應變曲線如圖3所示。由圖可知，在相同溫度與應力率條件下，峰值應力對材料應力-應變影響顯著，表明峰值應力是研究SLM 316不銹鋼高溫棘輪行為的關鍵因素。此外，應力-應變曲線的大小和形狀隨著循環次數和峰值應力而變化，由于累積塑性應變的影響，應力-應變曲線隨循環數向右移動。最初幾個循環內材料棘輪效應并不明顯，但是隨著循環數的增加，應變范圍擴大，累積塑性應變在斷裂前急劇增大。

圖3 不同峰值應力下疲勞試驗的應力-應變曲線

SLM 316不銹鋼在不同峰值應力下累積的棘輪應變如圖4所示。在相同溫度和應力率條件下，峰值應力對棘輪應變累積的影響具有相同的變化規律。由于加載應力水平較大，第1階段棘輪應變率保持不變，棘輪應變穩定增長；第2階段棘輪應變速率迅速增加，棘輪演化加劇，直到材料斷裂。第1階段相對穩定且周期較短，第2階段快速增加且周期相對較長。

圖4 不同峰值應力下累積棘輪應變對比

對于成型角度為90°的試件，當溫度為550 ℃、應力率為10 MPa/s時，峰值應力對材料棘輪效應影響并不顯著，僅在400 MPa時產生微小的棘輪變形，此時峰值應力對材料棘輪行為的影響可以忽略不計。而當溫度高于650 ℃時，材料棘輪效應表現為棘輪演化兩個階段，在30個循環以后棘輪應變累積速率急劇增加。在第100個循環時，峰值應力為290 MPa累積應變為4.18%，而325 MPa下累積應變達到了7.66%。在溫度為750 ℃、應力率為2 MPa/s時，棘輪應變在第5個循環時僅0.29%左右，而應力為230、260、290 MPa下第17個循環的棘輪應變分別為0.46%、12.49%、12.70%，說明290 MPa 下棘輪應變幾乎為230 MPa 時的28倍。

對于成型角度為0°的試件，由于采取較高的應力水平，當工況為750 ℃、0.5 MPa/s時材料仍然表現為兩階段特征，峰值應力為200、230、260 MPa時棘輪應變加速的起始循環數分別為250、30、7。此外，第40個循環時峰值應力為260 MPa的累積棘輪應變達到了9.09%，為相同循環時200 MPa下棘輪應變的79倍。

不同條件下材料棘輪應變率的變化趨勢如圖5所示。由圖可知，在試驗溫度為650 ℃、應力率為10 MPa/s時材料棘輪應變率出現3個階段變化特征，較低的峰值應力（290 MPa）會延長第1階段，縮短第2、3階段。對于圖5b所示工況下，第1階段表現不明顯，而第3階段受峰值應力的影響顯著，即峰值應力越高，材料棘輪應變率越大，棘輪效應的影響越強烈。對比圖5c可以看出，較低的應力速率會促使產生第1階段。綜上所述，峰值應力對SLM 316不銹鋼的棘輪效應在較高溫度與較低應力速率下影響顯著。

圖5 不同峰值應力下應變率隨循環數變化曲線

3 蠕變-疲勞結果比較

不同峰值保持時間下SLM 316不銹鋼蠕變-疲勞試驗的應力-應變曲線如圖6所示。可以看出，試驗初期各循環曲線接近重合，說明此時棘輪應變累積微小，且循環開始時滯回曲線的開口度較小。

圖6 不同峰值保持時間下的應力-應變曲線

圖7a為0°試件、峰值應力為200 MPa、溫度為750 ℃下不同峰值保持時間對棘輪應變的影響，圖7b為前500個循環內不同峰值保持時間下的應變-循環數變化關系曲線。從圖7a可以看出，蠕變-疲勞試驗與純蠕變試驗的結果差別較大，說明在峰值保持時間小于5.0 min時材料的使用壽命由疲勞主導。與疲勞試驗結果相似，蠕變-疲勞試驗的循環數和累積棘輪應變的關系曲線也表現出3個階段特征，如圖7b所示。在不同峰值保持時間下棘輪應變的累積具有相同的變化趨勢，延長峰值保持時間會明顯減小第2階段的范圍。棘輪應變的增加量在前500個循環相差較大，峰值保持時間越長越接近蠕變試驗，相應的應變增長越快。當峰值保持時間大于0.5 min時，蠕變-疲勞試驗與純疲勞試驗在相同的循環數下棘輪應變數值差別較大，在第100個循環時保載0.0、0.5、2.0、5.0 min 下 的 應 變 值 分 別 為0.13%、0.16%、0.28%和2.75%。

圖8為峰值保持時間對棘輪應變率的影響，在前100個循環內不同峰值保持時間下棘輪應變率的變化基本一致，在第1個循環棘輪應變率較大，隨后棘輪應變率迅速減小，并達到相對穩定值，在最后幾個循環內迅速增加直至斷裂。峰值保持時間越長，斷裂循環數越少，對應的斷裂應變率越大。

圖8 不同峰值保持時間下的應變率

圖9為不同峰值保持時間下的應變隨循環數變化曲線，表明應變在最初幾個循環內迅速下降，隨后逐漸趨于穩定（約0.05%），峰值保持時間越長，穩定階段的應變越大。材料在接近斷裂時應變迅速增大，不同峰值保持時間下應變范圍的增加速度基本一致。

圖9 不同峰值保持時間下應變隨循環數變化曲線

不同峰值保持時間下SLM 316不銹鋼的蠕變-疲勞壽命如圖10所示。由圖可知，純疲勞壽命遠大于蠕變-疲勞壽命，這說明峰值保持階段的蠕變和蠕變-疲勞的交互作用顯著促進了材料損傷的發展，即使在較短的峰值保持時間內，峰值保持階段的蠕變也顯著影響材料的總變形。

圖10 不同峰值保持時間下的蠕變-疲勞壽命

4 結論

4.1 溫度550～750 ℃范圍內，當峰值應力大于230 MPa時，棘輪應變和棘輪應變率表現為兩階段特征：第1階段相對穩定且周期較短，第2階段快速增加且周期相對較長。

4.2 不同峰值應力下的棘輪應變累積差異較大。在溫度為750 ℃、應力率為2 MPa/s時，應力為230、260、290 MPa下第17個循環的棘輪應變分別為0.46%、12.49%、12.70%，說明290 MPa下的棘輪應變幾乎為230 MPa時的28倍。

4.3 峰值保持階段的蠕變和蠕變-疲勞的交互作用顯著促進了材料損傷的發展，即使在較短的峰值保持時間內，峰值保持階段的蠕變也會顯著影響材料的總變形，導致純疲勞壽命遠大于蠕變-疲勞壽命。