華南理工增材頂刊：1.3GPa！增材制造高強(qiáng)、高耐磨SiC增強(qiáng)不銹鋼！

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本文系統(tǒng)研究了SiC對(duì)粉末床熔融復(fù)合材料致密化行為、組織演變、晶體取向、力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響。隨著碳化硅含量的增加，顯微組織由等軸轉(zhuǎn)變?yōu)橹�晶，這與不同的溫度梯度有關(guān)凝固速度。碳化硅的加入影響晶體取向并導(dǎo)致晶粒細(xì)化到316L。此外，經(jīng)過(guò)激光處理后，微米級(jí)碳化硅顆粒被細(xì)化到納米級(jí)，這在316L基體中引起大量位錯(cuò)。添加SiC后，316L材料的強(qiáng)度和摩擦學(xué)性能得到了顯著提高，其中9vol% SiC增強(qiáng)MMC的抗拉強(qiáng)度約為1.3GPa，磨損率為0.77×10−5mm3/Nm。

激光粉末床熔化粉末添加劑制造技術(shù)是一種很有前途的粉末添加劑制造技術(shù)，通過(guò)高能激光束對(duì)金屬粉末進(jìn)行選擇性熔化，可以制造出尺寸精度高、幾何形狀復(fù)雜、性能理想的零件。由于開(kāi)發(fā)周期短、提前期短、材料和成本效率高，LPBF在從設(shè)計(jì)概念到大批量生產(chǎn)的材料開(kāi)發(fā)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。此外，與傳統(tǒng)制造的零件相比，快速冷卻速率可導(dǎo)致晶粒細(xì)化和定制的微觀結(jié)構(gòu)，改善機(jī)械性能。

LPBF處理的316L不銹鋼由于延展性好，強(qiáng)度高和突出耐蝕性廣泛應(yīng)用于汽車(chē)航空航天和生物醫(yī)學(xué)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(zhàn)，這阻礙了它的廣泛應(yīng)用。例如，316L部件在承受重負(fù)載或高磨損工作條件時(shí)容易出現(xiàn)故障。

碳化硅顆粒具有低密度、高硬度和優(yōu)異的耐磨性，被廣泛用作增強(qiáng)材料。碳化硅顆粒被證明是鋼中理想的增強(qiáng)顆�？蓾裥杂描F并且比鋼更高的激光吸收無(wú)疑將有助于良好的成型性。然而，關(guān)于碳化硅增強(qiáng)316L金屬基復(fù)合材料的研究相對(duì)較少，缺乏對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)演變、晶粒取向、摩擦學(xué)和力學(xué)性能隨碳化硅含量變化的系統(tǒng)研究。

在此，華南理工大學(xué)譚超林團(tuán)隊(duì)研究了SiC對(duì)LPBFed復(fù)合材料致密化行為、組織演變、晶體取向、力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響。所獲得的強(qiáng)度和耐磨性在文獻(xiàn)中處于最高水平。結(jié)果突出了通過(guò)AM進(jìn)行原位加工MMC的能力，其優(yōu)異的性能規(guī)避了對(duì)傳統(tǒng)材料的苛刻要求。相關(guān)研究成果以題“Additively manufactured SiC-reinforced stainless steel with excellent strength and wear resistance”發(fā)表在金屬頂刊Additive Manufacturing上。

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(duì)LPBFed復(fù)合材料和316L試樣相對(duì)密度和孔隙率的影響�？梢郧宄�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(duì)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(rùn)濕性降低所致。圖2b-d為L(zhǎng)PBF試件水平截面OM圖像。盡管采用了優(yōu)化的工藝參數(shù)，但織構(gòu)表面仍存在一些缺陷(如氣孔和裂紋)，這些氣孔也可能來(lái)自于拋光過(guò)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(xiàn)了大量的長(zhǎng)裂紋，這是由于殘余應(yīng)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(xiàn)了連續(xù)的、良好的冶金結(jié)合激光軌跡。相鄰層之間夾角約為67°，與層間旋轉(zhuǎn)掃描策略一致。研究認(rèn)為，良好粘結(jié)軌道和層旋轉(zhuǎn)可以改善的密度和力學(xué)性能。圖3b為激光軌跡放大圖;重疊區(qū)域主要為樹(shù)枝狀凝固組織，胞狀凝固組織。

圖3 LPBF生產(chǎn)的S6 MMC的OM圖像從水平截面

圖4顯示了SiC添加對(duì)LPBFed 316L和MMCs顯微結(jié)構(gòu)特征的影響。所有試樣內(nèi)部都存在細(xì)小的胞孔結(jié)構(gòu)，這是lpbf制備樣品的典型凝固結(jié)構(gòu)。在激光加工[28]過(guò)程中，這種結(jié)構(gòu)會(huì)在瞬間熔化和快速凝固條件下以極高的冷卻速率形成。細(xì)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(chǎn)的MMCs試樣凝固組織隨溫度的升高而變化

圖4 對(duì)LBPF生產(chǎn)的316L和MMCs (a-f和i)的SEM顯微結(jié)構(gòu)和S12 MMC (g和h)的EDS映射分析

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

圖6為L(zhǎng)PBF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(cuò)，這是由于基體與SiC顆粒之間的熱膨脹系數(shù)(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(jié)合。相應(yīng)的快速傅里葉變換(FFT)拍照界面區(qū)域在圖6e進(jìn)一步演示界面位錯(cuò)的存在，“T”符號(hào)在第二區(qū)域即晶格畸變的區(qū)域可能是由于內(nèi)部殘余應(yīng)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(cuò)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(yīng)的FFT界面區(qū)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(duì)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(xué)性能與文獻(xiàn)進(jìn)行了比較

圖10 LPBF制備的 mmc的強(qiáng)化機(jī)制

總之，碳化硅的加入影響了顯微組織的形態(tài)和織構(gòu)。隨著碳化硅含量的增加，金屬基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)由等軸向枝晶轉(zhuǎn)變。碳化硅顆粒促進(jìn)了< 001 >擇優(yōu)結(jié)晶取向的形成大角度晶界在金屬基復(fù)合材料中，這可能分別是由沿構(gòu)建方向的溫度梯度增加和由CTE失配引起的高殘余應(yīng)力引起的。碳化硅的強(qiáng)化主要表現(xiàn)為晶界強(qiáng)化、Orowan強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和載荷轉(zhuǎn)移強(qiáng)化。