摘要
增材制造技术凭借其自由成型性、生产周期短以及节约材料等优点在近30多年迅速发展，在材料成型方法中取得了非常重要的地位。316L奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性能和良好的机械性能，被广泛应用于机械制造、海洋船舶、石油化工和生物医药等领域。本文选用选区激光熔化成型工艺，以316L不锈钢粉末作为材料制备高致密度的增材制造零件，通过对其微观组织的各向异性进行分析，研究其产生各向异性的内在机理，同时研究不同热处理温度对微观组织的变化规律以及对各向异性的改善机理。并且探究了增材制造316L不锈钢组织的各向异性对其在硫酸条件下的耐蚀性能以及干摩擦条件下的耐磨性能的影响。本文研究对发展综合性能优异的增材制造不锈钢将具有重要的现实意义。 本文通过对孔隙率、微观组织形貌、晶粒尺寸、晶粒形状以及晶粒取向几方面，详细表征了SLM制备316L不锈钢在垂直于打印方向的XY平面和平行于打印方向的YZ平面上组织的各向异性，结果表明：XY面和YZ面试样在面孔隙率上没有明显差异。在微观形貌上，原始SLM试样XY面的微观形貌主要由互成67°夹角的条形熔池组成；原始SLM试样YZ面的微观形貌主要由扇状熔池相互重叠组成。在两个试样内部均发现垂直于熔池边界生长的柱状结构以及在熔池内部的尺寸约为500nm蜂窝状的胞状结构。原始SLM试样XY面内的柱状结构宽度约为500nm长度为10-30μm，在条状熔池内部生长；原始SLM试样YZ面的柱状结构宽度约为300-400nm，可以贯穿数层熔池生长，长度可达百微米级别。在平均晶粒尺寸上，原始SLM试样XY面的平均晶粒尺寸为7.35μm要比原始SLM试样YZ面的9.51μm要小，在晶粒的形状上，原始SLM试样YZ面的晶粒比原始SLM试样XY面更像柱状晶。在晶粒取向上，SLM试样XY面中的晶粒中占（001）和（101）面的较多，相比之下SLM试样XY面晶粒中（111）面的占比较多。SLM制备316L不锈钢试样的再结晶温度为876.6℃，经退火处理后，试样内部会发生残余应力的释放以及晶粒的长大，800℃时试样的条状熔池或扇状的熔池边界开始消失，1000℃时熔池边界几乎完全消失，说明晶粒长大是熔池边界消失的原因。晶粒长大对晶粒的取向并没有明显的改善，但是能让SLM试样XY面和SLM试样YZ面晶粒的等轴度进一步接近，有效改善了材料的各向异性。 在研究了SLM制备316L不锈钢组织各向异性的基础上，对其耐蚀性能的各向异性进行进一步探索，结果表明：SLM试样具有比棒材更高的耐蚀性能，这主要由于SLM试样内部存在大量细小晶粒提高了其耐蚀性能，且SLM试样XY面拥有比SLM试样YZ面更好的耐蚀性能，其主要原因是SLM试样XY面拥有更细的晶粒，且由于晶粒取向对材料耐蚀性能的影响，由于316L不锈钢不同晶面的耐蚀程度的规律为：{001}＜{101}＜{111}，因此拥有更多｛111｝面占比的SLM试样YZ面的耐蚀性更差。SLM制备316L不锈钢的耐蚀性随着退火温度的升高而降低，其原因为退火处理会让试样表面残余压应力释放、晶粒长大以及第二相沉淀，这些因素都会降低材料的耐蚀性能。 SLM制备316L不锈钢组织各向异性对其耐磨性能也有影响，SLM试样拥有比棒材更好的耐磨性，主要由于SLM试样内部存在大量细小晶粒提高了其耐磨性能，SLM试样XY面具有比YZ试样更高的硬度和耐磨性能，这归因于SLM试样XY面具有更细小的晶粒和更小的晶粒长宽比，由于柱状晶在摩擦条件下的耐磨性更差，拥有更多柱状晶的SLM试样YZ面的耐磨性会下降。SLM制备316L不锈钢的耐磨性会随着退火温度的升高而降低，其主要原因是退火处理会让表面的残余压应力释放、蜂窝状的胞状结构消失以及晶粒的长大会让材料的硬度降低，且会让裂纹更容易萌生和扩展。
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