扫描策略对LPBF 18Ni300钢低周疲劳和腐蚀行为的影响

《Materials Chemistry and Physics》：Effect of Scanning Strategies on Low Cycle Fatigue and Corrosion Behaviour of LPBF 18Ni300 Steel

　　

S.Silva Sajin Jose | Santosh Kr. Mishra

印度泰米尔纳德邦蒂鲁奇拉帕利国家技术学院生产工程系，620015

摘要

本研究阐明了激光扫描图案和热处理对LPBF 18Ni300马氏体时效钢的应变控制疲劳和腐蚀行为的影响。使用条纹和棋盘图案制备了LPBF 18Ni300试样，并通过电子背散射衍射、低周疲劳测试和电化学技术对其进行了表征。EBSD分析显示，条纹图案试样的晶粒更细，这是由于热梯度更陡峭所致。在固溶和时效处理后，高角度晶界的比例也有所增加。采用条纹制备的试样表现出更长的疲劳寿命，这可以归因于其较低的孔隙率。热处理试样的疲劳失效起始点集中在Ti和Al氧化物夹杂物附近，这一点从疲劳断裂表面的形态观察中可以得出。另一方面，棋盘图案试样表现出更好的耐腐蚀性，这是由于高角度晶界的比例较低，从而减少了电化学活性边界面积并抑制了阳极溶解。固溶和时效处理降低了两种扫描图案的耐腐蚀性，这可能是由于从钝化层中析出了Ni、Ti、Mo和Co等元素。

引言

增材制造（AM）在材料科学领域发展迅速，能够制造出具有定制设计的轻量化产品，应用于各种先进工程领域。在不同的AM方法中，激光粉末床熔融（LPBF）是一种高精度的金属AM技术，通过选择性熔化分层铺设的金属粉末来制造零件。18Ni300马氏体时效钢因其出色的强度重量比和优异的耐腐蚀性而在航空航天、汽车、工具制造和国防领域得到广泛应用[1]。近年来，关于LPBF 18Ni300的研究引起了广泛关注。尽管18Ni300的优异性能与AM设计自由度的结合具有巨大潜力，但仍需优化LPBF工艺参数，以实现与传统制造试样相当的机械和表面质量。

虽然以往关于LPBF 18Ni300钢机械性能的研究主要集中在拉伸行为上，但很少有研究报道其低周疲劳（LCF）行为。Halama等人[2]研究了LPBF 18Ni300钢的棘轮效应性能，发现其棘轮应变积累更大，疲劳寿命更短。Jayadeep等人[3]研究了构建方向对LPBF 18Ni300 LCF响应的影响，垂直方向的试样疲劳寿命较短，而水平方向的试样疲劳寿命最长。AM试样的疲劳寿命降低归因于LPBF引起的加工缺陷。Ricardo等人[4]评估了应变幅度对LPBF 18Ni300 LCF行为的影响，发现较大应变幅度下疲劳寿命降低，同时塑性应变能量密度增加。Christian等人[5]观察到，热处理后的LPBF-MS试样在1%应变幅度以下表现出更长的疲劳寿命，而未经热处理的试样在超过1%的应变幅度下疲劳寿命更长，这与热处理试样的延展性降低有关。LPBF工艺参数显著影响疲劳抗力，这取决于工艺引起的微观结构变化和缺陷分布。Kopec等人[6]报告称，与沿垂直构建方向制造的LPBF SS316L试样相比，0°和45°方向的试样具有更好的疲劳寿命，这种差异归因于工艺引起的缺陷和裂纹扩展方向的不同。Cao等人[7]的研究表明，当扫描速度超过1116 mm/s的阈值时，LPBF SS316L试样的疲劳极限降低，表明需要进一步优化工艺参数。

也有许多关于LPBF 18Ni300钢腐蚀特性的研究。Godec等人[8]分析了等离子氮化对粉末床熔融18Ni300耐腐蚀性的影响，发现等离子氮化显著提高了耐腐蚀性，并形成了钝化层。然而，增材制造的18Ni300由于微观结构不均匀性和表面粗糙度增加，其腐蚀速率高于传统制造的试样。Jaydeep等人[9]研究了构建方向对LPBF 18Ni300耐腐蚀性的影响，发现随着构建板倾斜角度的增加，耐腐蚀性下降，这是由于LPBF过程中形成的层间结构不均匀性所致。Sasidharan等人[10]研究了后处理对LPBF 18Ni300试样的影响，热处理试样的热等静压显著提高了其耐腐蚀性，这归因于缺陷减少和奥氏体含量的增加。

章节摘录

材料与方法

试样采用SLM 280 HL系统（SLM Solutions，德国）通过LPBF技术制造。LPBF过程中使用的激光功率为305 W，扫描速度为1010 mm/s，扫描间距为110 μm，层厚为50 μm。18Ni300试样采用两种激光扫描模式制备：条纹和棋盘图案。在LPBF过程中，相邻层之间采用了67°的层间旋转角度。棋盘图案试样由正方形岛屿组成

微观结构和构建特性

图1(a-d)展示了LPBF 18Ni300样品沿构建方向的EBSD逆极图（IPF）图。不同处理条件下的IPF图显示出随机的颜色分布，表明没有明显的优先晶粒取向。在AB条件下，采用条纹图案制造的试样平均晶粒尺寸为4.02 μm，而采用棋盘图案制造的试样则

LCF行为

LPBF 18Ni300的疲劳性能受内部孔隙率、工艺引起的缺陷和微观结构演变共同影响。未经热处理的条纹图案试样具有更长的疲劳寿命，这主要归因于较低的孔隙率（见第3.1节）。而未经热处理的棋盘图案试样由于激光扫描矢量较短，导致先前熔化轨迹附近反复加热，进一步加剧了局部

结论

分析了激光扫描策略（条纹和棋盘图案）和后处理热处理（固溶和时效）对LPBF 18Ni300在原始状态和热处理条件下的应变控制疲劳（在0.35%应变幅度下）和腐蚀行为（在3.5 wt.% NaCl溶液中）的影响，主要结论如下：

• 1)
  采用条纹图案制造的原始试样具有更细的晶粒和更低的孔隙率，这可能与更长的LCF寿命有关。热处理进一步

CRediT作者贡献声明

S Silva Sajin Jose：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，研究，数据分析，概念化。Santosh Kr. Mishra：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，资金获取，概念化

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