增材制造不锈钢的疲劳性能研究

周宇豪

（西北工业大学材料学院，陕西 西安 710072）

1 增材制造AM 奥氏体不锈钢的研究现状

近年来，增材制造技术在金属材料制备领域得到了快速的发展。国内外报道了利用选区激光熔炼(Selective laser melting,SLM)制备出同时具有优良强度和韧性的316L 不锈钢。奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性能与力学性能等特性，被广泛应用于核电、石油、化工等领域。但限于生产和加工工艺的限制，传统的制备方式工艺步骤复杂，生产周期长。而增材制造技术，如SLM可以直接快速制备出具有复杂三维形貌的工件，并可以调控微观组织，优化材料宏观性能，降低原材料成本的同时大大简化了制备流程。因此，增材制造技术在金属材料制备领域具有无可比拟的优势和广阔的应用前景。

2 增材制造AM 奥氏体不锈钢的分层异质结构

增材制造奥氏体不锈钢往往存在γ- 奥氏体和δ- 铁素体组织。由于增材制造的冷却速率较快，通过多次循环加热冷却，可以获得更精细的微观组织、较强的织构、较大的位错密度及产生较大的残余应力。近年来，人们利用增材制造组织调控的灵活性，制备出具有纳米析出物、位错胞、大/小角度晶界以及鱼鳞状凝固胞等分层异质结构/梯度材料，如图1 所示[1]。在变形过程中，凝固胞状结构可以作为位错的阻碍，类似于Hall-Petch 效应，精细的细胞导致非常高的强度，同时高密度的位错网也会阻碍位错运动，同时变形过程中产生的变形孪晶有助于提高延展性，使得增材制造奥氏体不锈钢的强度和韧性得到同时提高。

图1

图1 (a) L-PBF 316L 显微组织在不同的尺度下的示意图；(b) 显示样品的晶粒取向的EBSD 反极图；(c) 扫描电子显微镜(SEM)图像，揭示了熔合边界、高角度晶界和凝固胞状结构。插图显示了放大后胞状结构；(d) 凝固细胞的透射电镜TEM 明场图像，表明位错网的存在；(e)图中显示了凝固胞的高角度环形暗场(HAADF)扫描透射电镜(STEM)图像。偏析在细胞壁的纳米颗粒被鉴定为在L-PBF 加工过程中形成的富含过渡金属的硅酸盐。

3 增材制造不锈钢的疲劳演变过程

如图2 所示[2]，具有相对高几何必要位错密度(GND)胞状结构可以阻止胞内部的位错运动以提高屈服强度，同时位错网的进一步阻碍能够延迟疲劳裂纹的成核，但这种增强机制只在疲劳试验开始时很短的时间。当疲劳高应变下加载时，胞结构的两侧具有相反的Burgers 矢量方向，这允许移动位错穿透细胞边界。随着胞边界的迁移和GNDs 的减少，这些移动位错将最终被吸收消失。在此期间预先存在胞界位错的钉扎效应可以有效地保持位错运动稳定，从而显著提高疲劳裂纹成核的阻力。然而，由于高角度晶界(HAGBs)极高的GNDs，活动位错很难突破HAGBs。然后，随着应变的增加，胞状结构进行调节，变形和迁移形成了位错线，这可以提供有效触发孪晶的GNDs 密度，而位错线的形成还受奥氏体晶粒滑移系统的影响。在持续疲劳载荷引起的应变作用下，疲劳裂纹开始成核，牺牲位错线储存能量，孪晶沿着先前形成的位错线形成。此外，由于细胞亚结构的调节效应和第一对孪晶的阻滞效应相互作用，第二对孪晶会使第一对孪晶发生屈曲。交错孪晶和胞状结构之间的相互作用机制可以阻止和调节位错运动，从而提高抗疲劳开裂性，略微增加疲劳寿命。

图2 外力作用下胞壁和细胞内部位错流动示意图

4 增材制造不锈钢的疲劳性能影响因素

4.1 胞状结构

如上所述，胞状结构通过调节位错运动，可以在疲劳试验的每个阶段产生有益的加工硬化机制，导致AM金属制件的优异疲劳性能。在这些硬化机制中，胞状结构的调节作用导致位错穿透胞边界并最终湮灭，为提高疲劳寿命做出了关键贡献，这种调节作用显著地延缓了疲劳裂纹成核，从而延长了疲劳裂纹形成之前的疲劳历史阶段。

4.2 变形孪晶

高密度的位错线可以提供孪晶的驱动力，有助于孪晶的形成。形成的孪晶和残留的位错壁相互作用可导致位错- 孪晶效应和位错- 胞状结构效应，产生渐进硬化机制以增强疲劳性能。在高应变下，产生的第二组孪晶方向与第一组孪晶方向相交，使第一组孪晶发生了屈曲，这种交错变形孪晶可以通过阻止位错运动而有助于加工硬化塑性和抗疲劳开裂。在疲劳的最后阶段，具有较高局部应变的变形孪晶穿透并细分胞状结构，使得孪晶、位错线和胞状结构同时阻碍移动位错，从而有助于疲劳的渐进加工硬化机制。

4.3 高角度晶界(HAGBs)

一方面，高角度晶界对位错运动有较强的阻碍作用，故高密度的HAGBs 有助于拉伸强度和疲劳强度；另一方面，孪晶起源于HAGBs，但变形孪晶穿过HAGBs 时，由于HAGBs 周围较高的取向差而被大大削弱。此外，特别致密的HAGBs 往往分布在熔池边界附近，这可能是由于SLM过程中熔池热梯度导致的外延生长以及相邻扫描轨迹的再融化效应造成的。而HAGBs和熔池边界的重合位置可能会成为疲劳裂纹的首选萌生地。

4.4 孔隙率和表面粗造度

低孔隙率试样的疲劳裂纹从试样顶面开始，而高孔隙率试样的疲劳裂纹从内部的未熔缺陷开始，而没有从具有最大拉伸残余应力的底面萌生普劳裂纹，说明与表面粗糙度和孔隙率相比，残余应力对疲劳寿命的影响最小。于是将7-9%（表面粗糙度约为20μm）的孔隙率定义为“临界值”[3]，当孔隙率高于7-9%并伴有约20μm 的表面粗糙度时，孔隙率在疲劳寿命中占关键因素，而当孔隙率低于7-9%时，表面粗糙度为关键因素。

5 增材制造不锈钢的挑战与展望

目前人们对其疲劳新能的研究还很匮乏，人们对于增材制造所特有的微观组织与其疲劳失效机理的理解还不完善。与此同时，不锈钢的服役环境中往往有大量氢原子的存在，因此深入分析氢对增材制不锈钢的疲劳性能的影响对于准确评估预测其在服役过程中的安全性与可靠性非常必要。

国内对材料的疲劳性能研究主要是通过对疲劳失效后的疲劳断口进行观察分析，根据微观组织中的裂纹萌生地和裂纹扩展途径推断疲劳演变过程。然而，国外对疲劳循环过程中的显微结构演化和疲劳裂纹的萌生和扩展过程进行原位观察分析。同时在疲劳过程中，运用声发射(acoustic emission ,AE technique) 和热图像(thermal imager ,TI)对整个疲劳循环进行实时监测，可用于确定疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂的起始时间和持续时间。