华南理工顶刊丨激光粉末床熔融双相不锈钢的机械和腐蚀性能各向异性行为

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近日，华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心的肖志瑜教授团队与广州地铁设计研究院股份有限公司合作在国际顶刊《Journal of Materials Research and Technology》上发表了关于增材制造的最新研究成果 “Anisotropic response in mechanical and corrosion performances of UNS S31803 duplex stainless steel fabricated by laser powder bed fusion”，研究了通过激光粉末床熔合 (LPBF) 制造的 UNS S31803 双相不锈钢 (DSS) 垂直于构建方向 (XOY) 和沿构建方向 (XOZ) 的机械和腐蚀行为。

经过后退火后，钢呈现出铁素体-奥氏体显微组织。对于XOY平面，奥氏体主要呈现<101>织构，而铁素体保持<001>择优取向，并且主要保持Nishiyama-Wassermann取向关系。然而，对于XOZ平面，奥氏体呈现出混合织构。XOZ 平面的铁素体晶粒平均尺寸大于 XOY 平面。XOY面上奥氏体多为岛状晶粒，而XOZ面上则有大量粗大柱状晶。在 XOY 平面上观察到更高的几何必要位错密度和小角度晶界比例。垂直于构建方向的屈服强度和极限抗拉强度值高于沿构建方向的屈服强度和极限抗拉强度值。而垂直于构建方向的总伸长率较低。此外，XOY平面表现出比XOZ平面稍好的耐腐蚀性能。

图1. (a) LPBF 加工图和测量样本位置，(b) 制成的 LPBF DSS 的 XRD 图案

图2. LPBF DSS 的 EBSD 结果 (a) XOY 平面的反极图 (IPF) 和极图 (PF) 图，(b) XOZ 平面的 IPF 和 PF 图

图3. 退火后 LPBF DSS 的显微组织和 XRD 结果 (a) XRD 图案，(b) XOY 平面上的 SEM 显微照片，(c) XOZ 平面上的 SEM 显微照片

图4. 激光粉末床熔融样品的EBSD结果

图5. 激光粉末床熔融增材制造的力学性能

图6. 激光粉末床熔融增材制造的腐蚀性能

在这项工作中，分别研究了通过LPBF退火制备的UNS S31803 DSS的微观结构和性能的差异，包括在构建平面（XOY平面）和构建方向平面（XOZ平面）上的机械和腐蚀行为。得出了主要结论如下：

（1）制成的LPBF DSS合金呈现完全铁素体相，垂直于构建方向的XOZ平面呈现细长晶粒，而平行于构建方向的XOY平面呈现棋盘状微观结构。通过退火后处理恢复了大致相等的双相微观结构。

（2）垂直和平行于构建方向的奥氏体和铁素体相的显微组织存在显着差异。XOY平面的铁素体晶粒平均尺寸明显较小。垂直于成形方向岛状奥氏体晶粒比例较高，而沿成形方向粗大柱状晶。对于XOY，奥氏体相主要显示<101>织构，而铁素体保持<001>择优取向。对于XOZ平面，奥氏体呈现混合织构。

（3）垂直于构建方向的YS和UTS值分别为717±13MPa和912±4MPa，而平行于构建方向的YS和UTS值分别为639±11MPa和859±9Mpa。结果归因于晶粒尺寸、形状、晶粒取向和几何必要位错对强度以及应变硬化率的协同效应。然而，垂直于建筑物方向的总伸长率相对较低。铁素体中出现位错增殖和位错缠结，而奥氏体变形后出现堆垛层错和大量机械孪晶。

（4）两种平面在NaCl溶液中均表现出优异的耐腐蚀性。在整个无源区域中，XOY平面的ip较低，而Epit稍高。XOY平面的钝化膜的耐腐蚀性和稳定性更好，因为更细的晶粒尺寸和高密度位错更快地形成钝化膜。而且，对于垂直于构建方向的表面，腐蚀坑的尺寸相对较小，而对于平行于构建方向的表面，腐蚀坑的尺寸较大。

来源：增材制造硕博联盟