3-6、高通量激光增材制造连续Ni含量梯度不锈钢组织及性能研究

聂敬敬¹，魏亮¹，范洪强²，李冬玲³，赵雷³，李谦^1*

1.上海大学材料基因组工程研究院，上海200444，2.上海大学材料科学与工程学院，上海200444

3.钢铁研究总院，北京100081

摘要：不锈钢由于其优良的耐蚀性能被广泛运用于海洋大气环境中，Ni是不锈钢中的主要元素，但其价格较贵。因此，降低Ni含量而不影响不锈钢耐蚀性能成为目前主要的研究方向。材料基因工程主张减少耗时费力的“试错实验”，通过高通量合成与表征技术，使掌握成分-组织-性能关联规律的速度更快、效率更高、成本更少。目前主流的高通量梯度材料合成方法（物理气相沉积法、化学气相沉积法、电沉积法等）仅限于制备几百纳米的梯度合金层，制备时间较长、成本较高。高通量激光增材制造通过将不同元素的粉体以可控的速率递送至激光光束处烧结，可实现毫米至厘米尺度梯度材料的低成本快速制备。此外，对制备的连续成分梯度样品一次实验可以获得多种成分、结构、性能的表征结果，实现高通量表征。

• Ni含量（2%~10%）线性梯度变化的不锈钢材料，并分别利用光学显微镜、微区XRD、SEM-EDS、维氏硬度计以及微区电化学系统对成分梯度不锈钢材料的显微组织、物相、成分、硬度及耐蚀性进行了分析。结果表明，利用激光增材制造的梯度不锈钢组织晶粒尺寸约为5~10 μm。梯度不锈钢的物相主要由铁素体相与奥氏体相组成，随着Ni含量的增加，铁素体相逐渐减少，奥氏体相逐渐增加，当Ni含量大于8%时，组织全部为奥氏体相，其显微组织形态为网状与板条状混合结构。在低Ni区域，不锈钢中Cr与Mn元素在晶界处偏聚，随着Ni含量增加，元素偏聚现象逐渐减小。另外还发现成分梯度不锈钢材料的硬度与Ni含量呈指数负相关，当Ni含量大于8%时，硬度基本保持不变，其平均显微硬度在180 ~ 200 HV。微区结果表明，成分梯度不锈钢材料的耐蚀性与Ni含量呈对数关系：随着Ni含量增加，伏打电位上升，表明不锈钢耐蚀性能增加，Ni含量7% ~ 8%为过渡区间，当Ni含量大于8%时，伏打电位基本保持在-280 ~ -240 mV。Ni含量大于8%时不锈钢耐蚀性好的原因是各元素分布均匀，同时，相对于铁素体-奥氏体两相结构，单一的奥氏体相更具有良好的耐蚀性。与传统316L不锈钢相比，激光增材制造获得的高Ni不锈钢具有更好的耐蚀性。
• 1）使用高通量激光增材制造技术制备了Ni含量（2%~10%）线性梯度变化的不锈钢材料，通过对其连续的表征，建立了Ni含量与组织、性能之间的关系。（2）激光增材制造梯度不锈钢显微组织主要由树突枝晶铁素体与枝晶间区域奥氏体组成。随着Ni含量增加，铁素体含量降低，奥氏体含量增加，且晶界处元素偏聚逐渐减低。（3）梯度不锈钢的硬度与Ni含量指数负相关，耐蚀性与Ni含量满足对数关系。当不锈钢中Ni含量达到8%时，组织均为单一奥氏体结构，成分分布均匀，耐蚀性好。
• Ni含量的不锈钢材料，取得了一定的结果，但仍然存在一些问题，如耐蚀性测试采用扫描开尔文探针法在干燥的大气环境中进行测试，与实际的海洋大气环

关键词：高通量；激光增材制造；Ni含量；组织；耐蚀性

通讯作者：李谦，13917607793，Email: shuliqian@shu.edu.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.306