屈服高达832MPa！增材制造TiC颗粒强化316L不锈钢

传统316L不锈钢的屈服强度只有170-300 MPa，较低的强度限制了其工业应用。作者使用选择性激光熔融(SLM) 的方法，在316L不锈钢中添加TiC微米颗粒，使其屈服强度提高到832MPa。同时维持了较高的塑性。文章以“Selective laser melting of dispersed TiC particles strengthened 316L stainless steel”为题发表在《Composites Part B: Engineering》上，IF= 7.635，JCR Q1，中科院一区。本文作者来自新加坡南洋理工大学和新加坡制造技术研究所，通讯作者为 Wei Zhou 和 Sharon Mui Ling Nai。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108291

不锈钢是一类重要的金属材料。316L不锈钢因其良好的加工性能和出色的耐腐蚀性能而被广泛应用于各个工业领域。但是其较低的强度限制了其进一步推广应用。ASTM标准规定，316L的性能仅为屈服强度 > 170MPa，拉伸强度 > 485 MPa，延伸率 > 40%。316L的强度无法与密度更轻的铝合金和钛合金相媲美，难以满足未来的工业需求。因此，强化316L迫在眉睫。

选择性激光熔融是强化316L的一种新型手段。选择性激光熔融极快的冷却速率 (可达到10^6K/s)，导致了SLM316L中存在很高位错密度。这是选择性激光熔融可以强化316L的主要原因。一般来说，选择性激光熔融制造的316L的屈服强度可达到600 MPa左右，伸长率可达到50%以上。

在这篇研究中，作者通过添加1wt.% 和3wt.% 的TiC微米颗粒，使打印后的316L-1TiC和316L-3TiC的屈服强度达到660 MPa和832 MPa。分析表明，这种强化来源于晶粒细化和第二相强化。通过与相关文献的对比发现，他们的研究结果（强度和塑性）优于纳米TiC颗粒强化的316L。主要原因是他们的试样的较高的致密度和良好316L/TiC的界面结合。作者认为，在选择金属的陶瓷增强相时，增强相与基体的润湿性很重要。TiC与不锈钢的润湿角仅为30°，因此，在凝固的过程中，316L可以比较容易的在依附在TiC颗粒上生长。

下图1是选择性激光熔融后的光学显微组织，(a, d) SLM 316L; (b, e) SLM316L-1TiC; (c, f) SLM 316L-3TiC 腐蚀前后的组织。从图中可以看出，打印后的试样无可见的气孔和未融合，拥有较高的致密度。TiC颗粒均匀的分布在316L基体中。

下图2是选择性激光熔融后的EBSD结果。(a) SLM 316L; (b) SLM 316L-1TiC;(c) SLM 316L-3TiC可以很直观的看出，添加TiC颗粒后，316L的晶粒发生了较大幅度的细化。尤其是316L-3TiC，晶粒从25.9微米细化到6.1微米。

下图3展示了EBSD的相分布的研究结果。(a) EBSD取向图，(b) 晶界图，(c) TiC和奥氏体相分布图。从图中可以看出，添加TiC颗粒后，TiC沿着奥氏体晶界分布在316L基体中。这也是TiC在晶粒细化中起到异质形核，抑制晶粒长大的直接证据。

下图4展示了选择性激光熔融制造的强化后的316L-TiC的拉伸应力应变曲线，可以看出，通过这种方法制作的316L-TiC的拉伸强度远高于传统的不锈钢。同时，塑性也维持在较高的水平。

选择性激光熔融制造的316L屈服强度远高于传统316L，原因是其中含有较高的位错密度。添加1%的微米级别的TiC颗粒之后，其屈服强度提高了10%，但是延伸率并没有降低。添加3%的TiC之后，其屈服强度提高了40%，达到了832 MPa，但是塑性降低到了29%。

此篇论文探讨了使用选择性激光熔融的方法，通过在316L中引入微米级别的TiC颗粒来强化316L。结果表明，316L的强度可以被大幅度的提高。同时，塑性维持在一个较高的水平。此方法有望克服奥氏体不锈钢低强度的短板，进一步扩大其在工业领域的应用。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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