选区激光熔化316L_430双相不锈钢组织和性能.pdf

选区激光熔化 316L/430 双相不锈钢组织和性能胡建斌1)，刘晓静1)，王智勇2)，尚峰2)，贺毅强2)，杨建明2)1)连云港东睦新材料有限公司,连云港2220692)江苏海洋大学机械工程学院,连云港222005通信作者,E-mail:摘要以气雾化 316L 和 430 混合粉末为原料，采用选区激光熔化工艺制备了 316L/430 双相不锈钢。利用光学显微镜、电子材料试验机、电化学工作站研究了选区激光熔化双相不锈钢固溶处理前后的显微组织、力学性能和耐腐蚀性能。结果表明：当固溶温度为 1250 时，铁素体与奥氏体两相面积比为 45.7:54.3，此时试样的力学性能较好，抗拉强度 830MPa，屈服强度 340MPa，硬度 HV356，断后伸长率 25%；当固溶温度为 1150 时，试样的耐腐蚀性能较好，自腐蚀电流密度为3.196106Acm2，点蚀电位为0.118V。关键词双相不锈钢；选区激光熔化；固溶处理；力学性能；耐腐蚀性能分类号TG142.1Microstructureandpropertiesof316L/430duplexstainlesssteelsprocessedbyselectivelasermeltingHU Jianbin1),LIU Xiaojing1),WANG Zhiyong2),SHANG Feng2),HE Yiqiang2),YANG Jianming2)1)LYGTMNewMaterialsGroupCo.,Ltd.,Lianyungang222069,China2)SchoolofMechanicalandEngineering,JiangsuOceanUniversity,Lianyungang222005,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTThe316L/430duplexstainlesssteelswerepreparedbyselectivelasermeltinginthisstudy,using316Land430mixedpowderspreparedbygasatomizationastherawmaterials.Themicrostructure,mechanicalproperties,andcorrosionresistanceofthe316L/430duplexstainlesssteelsbeforeandaftersolutiontreatmentwereexaminedbyopticalmicroscope,electronicmaterialtestingmachine,andelectrochemicalworkstation.Theresultsindicatethat,asthesolutiontemperatureis1250,the316L/430duplexstainlesssteelsspecimensshowthebettercomprehensivemechanicalproperties,thetensilestrength,yieldstrength,elongation,andmicrohardnessare830MPa,340MPa,25%,andHV356,respectively,andthearearatioofferritetoausteniteis45.7:54.3.Whenthesolutiontemperatureis1150,thespecimenshavethebettercorrosionresistance,theself-corrosioncurrentdensityandpittingpotentialare3.196106A/cm2and0.118V,respectively.KEYWORDSduplexstainlesssteels;selectivelasermelting;solutiontreatment;mechanicalproperties;corrosionresistance收稿日期：20211022基金项目：江苏省自然科学基金资助项目（BK20201467）；江苏省“333 高层次人才培养工程”科研资助项目（BRA2020260）；江苏省六大人才高峰项目（JXQC-058）；江苏海洋大学委托培养博士科研基金项目；连云港市重点研发计划项目（CG2229）DOI：10.19591/11-1974/tf.2021090007；http:/第 41 卷第 4 期粉末冶金技术粉末冶金技术Vol.41,No.42023年8月PowderMetallurgyTechnologyAugust2023双相不锈钢将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，被广泛应用于海洋工程装备1。选区激光熔化（selectivelasermelting，SLM）是一种增材制造领域的近净成形技术，较快的冷却速度可以避免 相等有害相的析出2，可得到形状复杂、高密度、组织均匀、无需后续机加工的不锈钢零件。近年来，研究人员对选区激光熔化工艺制备双相不锈钢展开了一系列的研究。Davidson和 Singamneni35研究了选区激光熔化制备 UNSS32750 超级双相不锈钢，分析了激光能量密度、铁素体含量、磁性能之间的关系，结果显示，打印后的孔隙会显著影响晶粒取向和晶粒长大，晶粒各向异性导致选区激光熔化试样比锻件试样具有更高的比饱和磁化强度。Hengsbach 等6研究了选区激光熔化 UNSS31803 超级双相不锈钢的显微组织和力学性能，发现大量位错的出现使得热处理后的再结晶组织占主导地位，由于高位错密度和氮化物的存在阻碍了位错运动，使得试样获得了更高的抗拉强度和较低的断后伸长率。Saeidi 等7研究了选区激光熔化制备 SAF2507 超级双相不锈钢，得到了高密度和优异的力学性能，相对密度达 99.5%，抗拉强度、屈服强度、硬度分别为1321MPa、1214MPa、HV450。Shang 等89用选区激光熔化工艺制备了UNSS32707 双相不锈钢，打印态组织铁素体面积比 98.2%，这是因为冷却速度较快，奥氏体没有足够的时间从铁素体相中形核析出，后续需要进行固溶处理调整两相比例。Sotomayor 等1011以 316L与 430 混合粉末作为原材料，使用粉末注射成形工艺制备了双相不锈钢，研究了粉末注射成形双相不锈钢烧结过程中的显微组织演变，研究发现烧结后 相含量远低于预期。实验采用 316L 和 430 两种不锈钢粉末以 1:1 比例混合，在低真空下不同温度（9501300）烧结 1h，相衍射峰的强度随烧结温度的升高而降低，直到 1100 时完全消失。相含量的降低可能与烧结过程中 Ni 元素从 相向 相扩散有关。本文以 316L 与 430 混合粉末作为研究对象，使用选区激光熔化成形技术制备双相不锈钢试样，研究了固溶处理温度对试样显微组织、力学性能、耐腐蚀性能的影响。1实验材料及方法选用气雾化法制备的 316L 和 430 不锈钢球形粉末为原料，按质量比 50:50 混合得到 316L/430 双相不锈钢混合粉末，命名为 50A。混合粉末的粒度分布如图 1 所示，其中 D50为 36m，化学成分如表 1 所示。20181614121086420100806040200区间粒度分布/%累积粒度分布/%020406080100粉末粒径/m区间粒度分布累积粒度分布图1316L/430 双相不锈钢混合粉末粒度分布Fig.1Particlesizedistributionofthe316L/430duplexstainlesssteelpowders表1双相不锈钢粉末的化学成分（质量分数）Table1Chemicalcompositionofthe316L/430duplexstainlesssteelpowders%CrNiMnMoCSiFe17.006.001.501.250.060.50余量使用华曙高科 FS121M 金属 3D 打印机将 50A粉末打印成形，打印参数为激光功率 190W、扫描速度 800mms1、铺粉厚度 0.01mm、扫描间距0.05mm，能量密度为 89.96Jmm3。选区激光熔化扫描策略如图 2 所示，扫描角度为 45，工作室气氛为氮气气氛，相对压力为 25kPa。利用电子比重计测量打印件的相对密度为 99.7%。采用 ONH-2000 氧氮氢分析仪测定打印试样中的含氮量（质量分数）为 0.05%。依据所测含氮量和表 1 中双相不锈钢粉末化学成分，使用 JMatPro 软件模拟试样组织随温度变化的规律，模拟得到相图如图 3 所示，图2选区激光熔化扫描策略Fig.2ScanningstrategyofSLM第 41 卷第 4 期胡建斌等:选区激光熔化 316L/430 双相不锈钢组织和性能303取 9501350 作为温度区间，每隔 50 对 3D打印后的试样进行固溶处理，保温时间为 1h。打印试样命名为 DY，固溶处理试样命名为 950GR、1000GR、1050GR、1100GR、1150GR、1200GR、1250GR、1300GR、1350GR。100806040200相质量分数/%6008001000120014001600温度/液相铁素体奥氏体碳化物磷化物碳氮化物开相拉维斯相西格玛相图3JMatPro 软件模拟的双相不锈钢相图Fig.3PhasediagramoftheduplexstainlesssteelsstimulatedbyJMatPro图 4 是拉伸试样尺寸，厚度为 2mm。使用180#、600#、1200#砂纸打磨方片试样，然后用 2.5、1.0m 的金刚石抛光喷雾抛光试样表面，用去离子水冲洗干净后，再用质量分数 20%的 NaOH 溶液电解腐蚀方片，电压为 10V，时间为 5s，最后用乙醇冲洗。使用 AxioVert.A1 研究级倒置数字显微镜观察金相组织，将铁素体标记为，奥氏体标记为。通过金相截线法计算铁素体晶粒的尺寸。采用 CMT4204 型微机控制电子万能试验机进行拉伸试验，测量试样的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率。利用 HV-30 型维氏硬度计测量试样的硬度。选择三电极系统进行电化学实验，评价试样的耐腐蚀性能，其中参比电极为饱和甘汞电极（saturatedcalomelelectrode，SCE），辅助电极为铂片电极。使用 CHI660C 型电化学工作站进行动电位极化曲线测试，电解质溶液为质量分数 3.5%的 NaCl 水溶液。2结果与讨论2.1显微组织使用 Axioimaging 金相分析软件计算 DY 试样和固溶处理试样的铁素体与奥氏体两相面积比，结果 如 表 2 所 示。根 据 表 2 中 的 数 据 选 择 DY、1150GR、1250GR、1350GR，作为进一步研究对象，其中 1250GR 的两相面积比接近 1:1。图 5 是不同加工工艺的金相组织。从图 5（a）中可看出条状组织呈直角相互交错排布，这是激光采用跳转变向扫描方式形成的显微组织，铁素体晶粒取向各不相同，产生大量位错。从图 5（b）图 5（d）中可以发现，随着固溶处理温度的升高，铁素体含量逐R3025652125图4拉伸试样尺寸（单位：mm）Fig.4Sizeofthetensiletestspecimens(unit:mm)表2打印态和固溶态试样铁素体与奥氏体两相面积比Table2Arearatioofferriteandaustenitefortheprintingstateandthesolutiontreatmentspecimens试样:（面积比）DY99.0:1.0950GR13.5:86.51000GR14.6:85.41050GR13.7:86.31100GR12.0:88.01150GR23.9:76.11200GR31.2:68.81250GR45.7:54.31300GR60.4:39.61350GR80.7:19.3(b)(a)(c)(d)25 m25 m25 m25 m图 5不 同 加 工 工 艺 试 样 的 金 相 组 织：（a）DY；（b）1150GR；（c）1250GR；（d）1350GRFig.5Metallographic structures of the specimens preparedbythedifferentprocesses:(a)DY;(b)1150GR;(c)1250GR;(d)1350GR304粉末冶金技术粉末冶金技术2023年8月渐增加，当温度升高时，N 稳定奥氏体的作用减弱，进而使得两相转变速度加快，铁素体发生再结晶，使得铁素体含量急剧上升1213，这与图 3 中相图模拟结果一致。当温度为 1250 时，铁素体与奥氏体的面积比最接近 1:1，为 45.7:54.3。经过截线法计算，1150GR、1250GR、1350GR 试样中铁素体晶粒尺寸分别为 8、18、38m，随着固溶温度的升高，试样中再结晶形成的铁素体晶粒尺寸逐渐长大。2.2力学性能试样应力应变曲线如图 6 所示，由图可知，DY 试样的屈服强度较高，为 843MPa；1150GR 的抗拉强度较高，为 994MPa；1250GR 的断后伸长率较高，为25%，比其他试样的塑性好。从图5（a）中可明显观察到 DY 试样晶粒取向不同的铁素体晶粒，这种组织交错的结构堆垛层错能较高，在拉伸过程中，大量位错阻碍变形，导致试样的屈服强度较高。从图 5（b）中可以看出，试样中铁素体晶粒尺寸为 8m，与其他固溶处理试样相比，尺寸较小，细晶强化效果显著，因此 1150GR 的抗拉强度较高。从图 5（c）中可以看出铁素体晶粒长大，且数量减少，1250GR 奥氏体与铁素体的晶界减少，抗拉强度与屈服强度均降低。此外，双相转变过程沿着晶界发生，晶界尖角处能量较高，组织优先转化，因此 1250GR 组织中带有尖角的晶粒较少，应力集中减弱，1250GR 塑性提高。结合图 5（d）和表 2 可以发现，温度升高，铁素体含量增多，晶粒尺寸长大，抗拉强度降低。将 50A 试样的拉伸试验结果与他人研究结果作比较，如表 3 所示，其中 MIM316L 的数据来自美国 MPIF 标准，SLM316L1050GR 的数据来自张仁奇等14研究的选区激光熔化制备 316L 试样在 1050 固溶处理后的力学性能，MIM316L:4301250GR 的数据来自 Sotomayor 等15研究的注射成形 316L 与 430 混合粉末烧结件在 1250 固溶处理后的力学性能，3RE60 力学性能来自 GB/T1220-1992。由表可知，与 MIM316L、SLM316L、MIM316L:430、3RE60 相比，50A 的DY、1150GR、1250GR 试样力学性能优势明显。1250GR 试样的综合力学性能优于成分相近的 3RE60 锻造棒材。2.3耐腐蚀性能图 7 为试样动电位极化曲线，表 4 为电化学试验结果，其中 E 为自腐蚀电位，VSCE；I 为自腐蚀电流，A；Ep为点蚀电位，VSCE。因为本试验的电化学测试样面积都为 1cm2，所以可通过自腐蚀电流 I 的大小来评估试样的自腐蚀电流密度，自腐蚀电流密度的大小可表征腐蚀速率的快慢。由表 4 可知，与 DY 相比，1150GR、1250GR、1350GR 的点蚀电位明显提高，表明 50A 试样经过固溶处理之后，耐点蚀性能改善。经 DY 的电流密度比1350GR 的小，但是点蚀电位比较低，表明 DY 发10008006004002000应力/MPa0481216202428应变/%DY1150 GR1250 GR1350 GR图6试样应力应变曲线Fig.6Stress-strainimageofthetensiletestspecimens表3不同工艺试样力学性能比较Table3Mechanicalpropertiesofthespecimenspreparedbythedifferentprocesses材料抗拉强度/MPa屈服强度/MPa硬度，HV断后伸长率/%MIM316L51717212050SLM316L1050GR1467342048MIM316L:4301250GR157563RE605903903002050ADY924584343356221.050A1150GR9941844463204161.550A1250GR8301434063567253.050A1350GR59883755625313213.0第 41 卷第 4 期胡建斌等:选区激光熔化 316L/430 双相不锈钢组织和性能305生点蚀的倾向较大，但是腐蚀速率较慢。分析认为 DY 晶粒小，晶界多，晶界处的活性原子数目就多，可以加快钝化膜的形成速度，选区激光熔化工艺加热快、冷却快，有利于 Cr、Ni、Mo 等耐蚀元素在熔池内部均匀分布，DY 熔池整体腐蚀均匀。熔池的热影响区存在成分偏析与组织偏析，会存在电位差，形成微型电池，提高腐蚀敏感性，晶界处成为点蚀形核的优先位点。因此 DY 试样易发生腐蚀，但腐蚀速率较慢。随着固溶温度的升高，固溶试样的自腐蚀电流升高，点蚀电位出现降低现象。经分析这是由晶粒尺寸导致的，1150GR 的晶粒最小，更容易形成钝化膜，而 1250GR、1350GR 晶粒长大，形成钝化膜的速率较慢，因此温度为1150 时，50A 试样点蚀电位最高，自腐蚀电流最小，分别为0.118V 和 3.196106A，即 1150GR点蚀敏感性小，腐蚀速率慢，耐腐蚀性能好。2345678lgI/(Acm2)0.70.60.50.40.30.20.10.0E/VSCEDY1150 GR1250 GR1350 GR图7双相不锈钢固溶处理前后动电位极化曲线Fig.7Potentio-dynamic polarization curves of the 50Aspecimensbeforeandaftersolutiontreatment表4双相不锈钢固溶处理前后电化学试验结果Table4Parameters of the 50A specimens before and aftersolutiontreatmentinthepotentio-dynamicpolarizationcurves试样E/VSCEI/AEp/VSCEDY0.4026.9831060.5951150GR0.4333.1961060.1181250GR0.4606.1451060.1951350GR0.4637.8961060.2213结论（1）以气雾化 316L 和 430 混合粉末为原料，采用选区激光熔化工艺制备了双相不锈钢，拓展了 316L 和 430 不锈钢粉末的应用范围。（2）当固溶温度为 1250 时，铁素体与奥氏体的两相面积比为 45.7:54.3，此时试样的力学性能较好，抗拉强度 830MPa，屈服强度 340MPa，硬度 HV356，断后伸长率 25%。（3）当固溶温度为 1150 时，试样的耐腐蚀性能较好，自腐蚀电流密度为 3.196106Acm2，点蚀电位为0.118V。参考文献ChailG,KangasP.Superandhyperduplexstainlesssteels:structures,propertiesandapplications.Procedia Struct Integr,2016,2:17551MartnF,GarcaC,BlancoY,etal.Influenceofsinter-coolingrateonthe mechanical properties of powder metallurgy austenitic,ferritic,andduplexstainlesssteelssinteredinvacuum.Mater Sci Eng A,2015,642:3602Davidson K P,Singamneni S B.Magnetic characterization ofselective laser-melted S32750 duplex stainless steel.JOM,2017,69(3):5693Davidson K P,Singamneni S B.Selective laser melting of duplexstainless steel powders:An investigation.Mater Manuf 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