华南理工大学增材顶刊：新突破，强度高达1.3GPa！增材制造高强、高耐磨SiC增强不锈钢！

2021-04-28 10:39:15 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：本文系统研究了SiC对LPBFed复合材料致密化行为、组织演变、晶体取向、力学性能和摩擦学性能的影响。随着碳化硅含量的增加，显微组织由等轴转变为枝晶，这与不同的温度梯度凝固速度有关。碳化硅的加入影响晶体取向并导致晶粒细化到316L。此外，经过激光处理后，微米级碳化硅颗粒被细化到纳米级，这在316L基体中引起大量位错。添加SiC后，316L材料的强度和摩擦学性能得到了显著提高，其中9 vol% SiC增强MMC的抗拉强度约为1.3 GPa，磨损率为0.77 × 10^-5 mm³/Nm。

激光粉末床熔化粉末添加剂制造技术是一种很有前途的粉末添加剂制造技术，通过高能激光束对金属粉末进行选择性熔化，可以制造出尺寸精度高、几何形状复杂、性能理想的零件。由于开发周期短、提前期短、材料和成本效率高，LPBF在从设计概念到大批量生产的材料开发方面具有独特的优势。此外，与传统制造的零件相比，快速冷却速率可导致晶粒细化和定制的微观结构，改善机械性能。

LPBF处理的316L不锈钢由于延展性好，强度高和突出耐蚀性广泛应用于汽车航空航天和生物医学等。然而，由于硬度低、耐磨性差，在恶劣的工作条件下仍存在巨大的挑战，这阻碍了它的广泛应用。例如，316L部件在承受重负载或高磨损工作条件时容易出现故障。

碳化硅颗粒具有低密度、高硬度和优异的耐磨性，被广泛用作增强材料。碳化硅颗粒被证明是钢中理想的增强颗粒可湿性用铁并且比钢更高的激光吸收无疑将有助于良好的成型性。然而，关于碳化硅增强316L金属基复合材料的研究相对较少，缺乏对其微观结构演变、晶粒取向、摩擦学和力学性能随碳化硅含量变化的系统研究。

在此，华南理工大学谭超林团队研究了SiC对LPBFed复合材料致密化行为、组织演变、晶体取向、力学性能和摩擦学性能的影响。所获得的强度和耐磨性在文献中处于最高水平。结果突出了通过AM进行原位加工MMC的能力，其优异的性能规避了对传统材料的苛刻要求。相关研究成果以题“Additively manufactured SiC-reinforced stainless steel with excellent strength and wear resistance”发表在金属顶刊Additive Manufacturing上。

链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101971

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图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。

图2a显示了SiC含量对LPBFed复合材料和316L试样相对密度和孔隙率的影响。可以清楚地看到，SiC的加入影响了试样的致密化行为。SiC含量从0 vol%增加到12 vol%，样品的相对密度从7.90 g/cm3显著降低到7.62 g/cm3。SiC的加入使熔体的孔隙率从0.13%增加到0.69%，这是由于熔体池润湿性降低所致。图2b-d为LPBF试件水平截面OM图像。尽管采用了优化的工艺参数，但织构表面仍存在一些缺陷（如气孔和裂纹），这些气孔也可能来自于抛光过程中氧化夹杂的拔出。随着SiC含量不断增加到12 vol%，基体中出现了大量的长裂纹，这是由于残余应力的增加和塑性的降低造成的。

图2 孔隙度和阿基米德密度，以及LPBF生成的316L和MMCs的OM图像。

图3为S6 MMC水平截面的典型OM图像。如图3a所示，出现了连续的、良好的冶金结合激光轨迹。相邻层之间夹角约为67°，与层间旋转扫描策略一致。研究认为，良好粘结轨道和层旋转可以改善的密度和力学性能。图3b为激光轨迹放大图；重叠区域主要为树枝状凝固组织，胞状凝固组织。

图3 LPBF生产的S6 MMC的OM图像从水平截面。

图4显示了SiC添加对LPBFed 316L和MMCs显微结构特征的影响。所有试样内部都存在细小的胞孔结构，这是lpbf制备样品的典型凝固结构。在激光加工[28]过程中，这种结构会在瞬间熔化和快速凝固条件下以极高的冷却速率形成。细胞边界是一种亚晶界，可能是由成分偏析引起的。从图4中可以看出，LPBF生产的MMCs试样凝固组织随温度的升高而变化

图4 对LBPF生产的316L和MMCs （a-f和i）的SEM显微结构和S12 MMC （g和h）的EDS映射分析。

图5 对LBPF制备的316L的TEM分析：（a）亮场图像显示高密度位错，（b）高分辨率TEM图像（嵌入SADP）显示奥氏体相。

图6为LPBF制备的S6 MMC的BF-TEM图像，该图像研究了SiC颗粒的形貌以及SiC与316L基体之间的界面。图6a显示316L基体中存在高密度位错，这是由于基体与SiC颗粒之间的热膨胀系数（CTE）不同造成的。高分辨率TEM图像显示了SiC与316L基体之间的界面形貌，表明SiC与金属基体之间有良好的结合。相应的快速傅里叶变换（FFT）拍照界面区域在图6e进一步演示界面位错的存在，“T”符号在第二区域即晶格畸变的区域可能是由于内部残余应力和CTE SiC颗粒与基体之间不匹配。

图6 TEM分析LPBF-fabricated S6 MMC: （a）和（b） BF-TEM形象LPBF-fabricated S6 MMC显示较高的位错密度和碳化硅颗粒，（c） BF-TEM图片与插入SADP碳化硅粒子，粒子（d） EDS映射分析，（e）和高分辨率透射电镜图像和相应的FFT界面区域的图像。

图7 SiC粉和lpbf制备的316L和MMCs的XRD谱图：（a）全谱图，（b）和（c）局部放大谱图。

图8 对LPBF制备的316L和S6 MMC的EBSD分析：（a）晶界图，（b）颜色反极图（IPF），（c）极图（PFs）；（d） lpbf制备的S6 MMC的晶界图，（e） IPF和（f） PFs。

图9 本文研究的LPBF制备的MMCs的力学性能与文献进行了比较

图10 LPBF制备的 mmc的强化机制。

总之，碳化硅的加入影响了显微组织的形态和织构。随着碳化硅含量的增加，金属基复合材料的微观结构由等轴向枝晶转变。碳化硅颗粒促进了<?001?>择优结晶取向的形成大角度晶界在金属基复合材料中，这可能分别是由沿构建方向的温度梯度增加和由CTE失配引起的高残余应力引起的。碳化硅的强化主要表现为晶界强化、Orowan强化、位错强化和载荷转移强化。

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