基于电弧定向能量沉积技术增材制备的奥氏体不锈钢的微观结构转变及耐磨性提升研究

来源：Defence Technology

本研究采用电弧定向能量沉积（DED）技术增材制造了奥氏体不锈钢（ASS）。对沉积结构顶部、中部和底部区域的宏观结构、微观结构、不同空间方向（0°、90°和45°）的机械特性以及磨损特性进行了评估。结果显示，增材制造SS316LSi钢的微观结构主要由奥氏体（γ）和δ-铁素体（δ）相组成。在γ基体内，δ相同时在晶界内及沿晶界分布，呈现出细小的蠕虫状形态。在拉伸和冲击测试结果中，电弧增材制造（WAAM）沉积的奥氏体不锈钢的底部、中部和顶部区域显示出与锻造SS316L相似的特性。值得注意的是，随着构建高度的增加，硬度值有所下降。在对拉伸试样断裂表面进行扫描电子显微镜（SEM）检查时，观察到闭合的小凹坑，表明构建结构具有良好的延展性。磨损测试结果显示，存在轻微的氧化和常见的粘着磨损现象。通过沉积机械混合复合层，发现氧化率的增加有助于磨损表面的修复。本研究的发现将有助于设计、生产和改造易磨损的产品/部件。电弧增材制造沉积的奥氏体不锈钢具有优异的强度和抗冲击能力，可用于国防应用中，如军用车辆和飞机的装甲板生产。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.dt.2024.02.006

主要结论

本研究利用电弧定向能量沉积（DED）工艺研究并确立了增材沉积的奥氏体不锈钢（SS316LSi）结构的微观结构演变、机械特性和摩擦学方面的关系。主要发现包括：
•采用电弧定向能量沉积工艺制备的奥氏体不锈钢（SS316LSi）具有完全异质的微观结构，在构建方向的不同位置有明显的晶粒形成。主要的微观结构元素包括奥氏体相、柱状晶、等轴晶和细胞状枝晶，且沉积中散布有少量的δ-铁素体。


•0°方向的拉伸强度具有比其他方向更高的极限抗拉强度（UTS）。冷却速率的差异是导致上下层硬度、冲击和拉伸强度变化的一个因素。   


•电弧增材制造处理的奥氏体不锈钢样品的摩擦系数（COF）范围为0.5410-0.5688。


•当载荷为30N时，最大磨损率为39.6×10−4 mm3/(N·m)；当载荷为20N时，最小磨损率为25.9×10−4 mm3/(N·m)。载荷增加导致磨损轨迹塑性变形增大，从而提高了磨损率和摩擦系数。


•增材制造的奥氏体不锈钢由于其优异的强度、抗冲击性和耐磨性，可应用于军用车辆和飞机的装甲板生产。   
上述发现为设计、生产或改造易磨损产品/部件提供了重要的参考依据。沉积电弧增材制造奥氏体不锈钢表现出卓越的强度和抗冲击性，使其成为了国防应用中装甲板制造的优选材料，尤其适用于军用车辆和飞机。本研究为关键领域中的先进材料开辟了新的途径，展示了电弧定向能量沉积技术在提升增材制造奥氏体不锈钢性能和耐久性方面的潜力。