《Journal of Manufacturing Processes》：Integrated simulation-experimental investigation of heat-treatment-induced residual stress evolution and wear behaviour in laser powder bed fusion fabricated SS316L
编辑推荐：
•热处理有效降低了SS316L在激光粉末床熔融工艺中产生的拉伸残余应力，高温条件下几乎可完全消除这些应力。•逐步再结晶作用使原本以层状晶为主的微观结构转变为富含海岛晶、纹理较弱的晶粒，同时降低了晶格应变。•HT1100处理后形成了再结晶微观结构平衡状态，使得材料的硬度、残余应力以
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热处理有效降低了SS316L在激光粉末床熔融工艺中产生的拉伸残余应力，高温条件下几乎可完全消除这些应力。
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逐步再结晶作用使原本以层状晶为主的微观结构转变为富含海岛晶、纹理较弱的晶粒，同时降低了晶格应变。
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HT1100处理后形成了再结晶微观结构平衡状态，使得材料的硬度、残余应力以及晶界特性达到最佳平衡。
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在15 W40润滑条件下，HT1100可通过稳定的富铁铬摩擦膜以及磨损后的压应力，使材料的比磨损率降低两个数量级。
引言
增材制造技术，尤其是激光粉末床熔融工艺，已成为制造先进工程合金的重要手段。该技术能够实现复杂、轻量化且近乎净形的零件加工，且材料浪费少，设计灵活性高[1]–[10]。在通过激光粉末床熔融工艺加工的合金中，316L奥氏体不锈钢因其出色的耐腐蚀性、良好的焊接性、稳定的奥氏体微观结构以及优异的机械性能，被广泛应用于核能、航空航天、生物医学和汽车工业等领域，是研究最多、应用最广泛的材料之一[11]–[14]。
尽管具有诸多优势，但激光粉末床熔融工艺会带来极高的非平衡热条件，表现为极快的熔化与凝固速度（冷却速率可达105–106 K/s），极薄的温度梯度，以及分层式反复加热现象[15]–[16]。这类热条件会形成与传统锻造316L截然不同的微观结构。激光粉末床熔融工艺制备的316L通常具有细小的胞状或柱状亚结构，沿沉积方向存在外延生长现象，由于激光与粉末的作用，还会在胞状结构边界出现溶质偏聚，以及氧化物/氮化物纳米夹杂物[13]–[19]。这些微观结构特征直接影响材料的机械性能、尺寸稳定性、疲劳性能以及在实际使用环境中的摩擦学表现[20]–[22]。此外，激光粉末床熔融工艺制备的零件还存在一个重要问题，即由于强烈的温度梯度、有限的热收缩量以及沉积过程中局部温度差异，会导致较高的残余应力[22]–[23]。这类应力会引起零件尺寸变形、翘曲，引发微裂纹，进而降低其疲劳寿命。为了解释和缓解这些残余应力，研究人员采用了X射线衍射技术进行实验量化分析，同时运用热力学-力学模拟工具来预测加工过程中的温度历史、应力变化及变形情况[24]–[26]。制造后的热处理是降低残余应力、提升激光粉末床熔融工艺零件微观结构稳定性的有效方法之一[27]。低温应力释放处理（600°C–700°C）通常只能缓解内部应力，几乎不会改变胞状结构；而高温固溶退火（1050°C–1100°C）虽能溶解亚晶胞，均匀化合金元素并降低位错密度，但由于激光粉末床熔融工艺生成的微观结构本身具有较高的热稳定性，因此其再结晶往往无法完全进行[28]–[29]。
已有不少研究探讨了制造后热处理流程对激光粉末床熔融工艺制备的316L的影响。应力释放处理通常能降低材料的应变储能，同时保留大部分胞状结构，因此相比传统锻造钢，这类处理后的材料仍能保持较高的硬度[30]。而经过固溶退火的316L则因胞状亚结构的溶解、位错密度的降低，以及晶粒形态和晶界特征的显著变化，其硬度会出现大幅下降[31]。综合这些研究结果可以看出，热处理对激光粉末床熔融工艺制备的316L的微观结构与性能关系有着极为重要的影响。
除了微观结构和力学性能的变化之外，对于那些用于滑动、旋转或处于润滑环境中的机械系统中的激光粉末床熔融工艺制备的316L零件而言，其磨损行为也至关重要。以往的研究结果并不一致：有些研究认为，由于激光粉末床熔融工艺制备的316L具有细小的胞状微观结构且硬度较高，因此其耐磨性更优；而另一些研究则指出，其耐磨性会因孔隙率、表面质量、沉积方向以及所承受的载荷不同而有所差异[32]–[35]。在不同的测试环境及载荷作用下，其磨损机制会在粘着磨损、磨料磨损和混合磨损之间频繁变化[26]。尽管已有大量研究致力于研究干态滑动磨损，尤其是与WC或Si3N4材料之间的磨损现象，但对于在15 W40等发动机机油环境下的润滑磨损研究却极为少见，而这些研究对于汽车和机械工程领域的应用却具有重要意义。因此，目前仍不完全清楚在润滑剂存在的情况下，激光粉末床熔融工艺形成的微观结构会对磨损行为产生怎样的影响。为此，表1汇总了部分关于激光粉末床熔融工艺制备的316L不锈钢热处理条件的研究结果，以便进行对比分析。
尽管已有大量研究致力于探讨经热处理后的激光粉末床熔融工艺制备的316L不锈钢的性能，但现有研究大多只是单独关注微观结构演变、残余应力松弛、硬度变化、腐蚀行为或磨损性能等某一方面的问题。虽然有一些研究报道了基于EBSD的晶界特征分析、通过TEM观察到的亚微观结构演变，以及热处理后的力学性能变化，但很少有研究能够将这些方面整合在一个统一的框架下，进行全面的多尺度分析。此外，现有文献也很少建立热处理引起的残余应力变化、微观结构转变、硬度变化以及实际使用环境下的润滑摩擦行为之间的直接机制联系。特别是将热力学-力学模拟、实验性的残余应力验证、分级的SEM-EBSD-TEM表征、磨损后的残余应力分析以及摩擦膜评估等方法结合起来的研究，对于不同热处理条件下的激光粉末床熔融工艺制备的SS316L来说，仍然几乎未被开展。另外，再结晶引发的晶界演变以及摩擦氧化层的稳定性在应力释放后的耐磨性调控中的作用，也尚未得到系统的阐明。因此，本研究构建了一个综合的模拟-实验分析框架，用于研究后续热处理对激光粉末床熔融工艺制备的SS316L的残余应力演变、微观结构发展、硬度以及润滑磨损行为的影响。通过结合热力学-力学模拟、XRD残余应力检测、多尺度微观结构表征以及摩擦学分析，本研究找到了能够提升材料耐磨性的最佳热处理条件，同时也为理解经热处理后的激光粉末床熔融工艺不锈钢的工艺-微观结构-摩擦膜-性能之间的关系提供了新的见解，有助于其在先进工程领域中的应用。
章节摘要
SS316L样品的材料准备与激光粉末床熔融制备
本研究以气雾化处理的316L不锈钢粉末作为原料，该粉末呈双峰球形分布，粒径范围为5–50 μm。这类粉末具有优异的球形度、光滑的表面，且几乎没有卫星颗粒现象，非常适合在激光粉末床熔融工艺中实现均匀的层状沉积以及稳定的熔池动态。通过场发射扫描电子显微镜对这类粉末的形态和粒径分布进行了表征。
残余应力的评估及实验验证
图4展示了在不同热处理工艺作用下，激光粉末床熔融工艺制备的SS316L的模拟正常应力（上排）和蠕变应变（下排）分布情况，这些分布与实际材料的平均正常应力及蠕变应变分布相对应。在未经过任何处理的原始状态下，材料的上表面和边缘部位存在强度较高的局部拉伸残余应力，这是由于快速凝固过程中产生的强烈温度梯度所致；与此同时，材料的蠕变应变则呈现出一定的特征。
结论
通过结合热力学-力学模拟、X射线衍射验证、多尺度微观结构表征、硬度分布分析、润滑摩擦学测试以及磨损后的残余应力分析，本研究建立了激光粉末床熔融工艺制备的SS316L的全面结构-性能-功能关系模型。可以得出以下主要结论：
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由于强烈的温度梯度以及材料变形受限，激光粉末床熔融工艺制备的SS316L在未经处理的原始状态下存在较高的拉伸残余应力，数值约为500 MPa。
作者贡献说明
Aman Dwivedi：负责原文撰写——初稿编写、可视化处理、结果验证、方法设计、实验实施、数据整理以及研究构思。Pratik Kumar Shaw：负责原文撰写——审阅与编辑、可视化处理、结果验证、软件应用以及实验实施。Amit Rai Dixit：负责原文撰写——审阅与编辑、可视化处理、研究监督以及研究构思。
关于写作过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明
本篇研究论文的撰写并未使用任何生成式人工智能工具来进行内容创作或数据分析。仅使用了Grammarly和ChatGPT等人工智能辅助工具来优化语言表达。
利益冲突声明
所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。
致谢
作者们衷心感谢TEXMiN、印度理工学院丹巴德分校、贾坎德邦政府，以及印度政府的科学和技术部，感谢他们为本研究提供的资金支持以及3D形貌测量设备，相关项目编号为CRG/2022/000643（SERB）和SR/FST/ET-II/2018/222(C)。同时，作者们也要对印度理工学院丹巴德分校的中央研究设施表示诚挚的感谢，该机构为研究提供了金属3D打印及表征相关的实验条件。
Aman Dwivedi|Pratik Kumar Shaw|Amit Rai Dixit
