江蘇鐳射聯盟導讀：本文主要介紹了增材製造奧氏體不鏽鋼的典型代表316L的顯微組織，機械效能和腐蝕效能以及熱處理方面的最新進展。
奧氏體不鏽鋼簡介
奧氏體不鏽鋼是工業合金中應用最為廣泛的一種合金，由於其耐腐蝕，生物相容性好和韌性好，特別適合應用在不同的工業環境中，如生物醫學，航空航天，國防軍工，油氣，石油化工等多種場合。這一類合金也廣泛的採用AM技術來進行製造。在這裡，採用AM技術對其進行製造，雖然也獲得了令人驚喜的機械效能，但同時也存在諸多的挑戰。在公開發表的文獻中，關於奧氏體合金的AM方面的文章也很多。所以我們沒有辦法對其進行逐一綜述。我們主要探討其先進性和基於機械效能和腐蝕效能所面臨的挑戰。需要注意的是，在眾多的AM製造奧氏體不鏽鋼中，最為常見的316L不鏽鋼成為工業中應用最為普遍的選擇。所以本文也主要以316L不鏽鋼為代表進行討論，如圖所示可見AM製造316L在整個鋼鐵體系中，其應用的廣泛程度。
除了大家所熟知的應用領域之外，316L還廣泛應用在核電，能源電池，腐蝕等特殊行業中。
圖2 LPBF（又叫SLM）和DLD兩種主流的AM製造技術的示意圖
圖3 316L不鏽鋼製造的血管支架的腐蝕圖
機械效能
由於奧氏體不鏽鋼獨特的顯微組織，AM製造的奧氏體不鏽鋼，在同傳統制造的奧氏體不鏽鋼相比時，在拉伸效能上呈現出有趣的行為。例如，SLM（或者叫LPBF）製造的316L不鏽鋼比相應的變形/鑄造不鏽鋼的強度要高。傳統制造的不鏽鋼的最大抗拉強度UTS為450–555 MPa，而LPBF製造的316L不鏽鋼的最大抗拉強度為 640–700 MPa，其屈服強度，LPBF製造的316L不鏽鋼為450–590 MPa ，而傳統工藝製造的屈服強度僅為 160–365 MPa。，其延伸率，LPBF依然可以維持在 36-59% ，相對應的傳統制造工藝的延伸率為30-43%。圖4 為LPBF製造的316L不鏽鋼的超級抗拉強度同傳統制造工藝得到的不鏽鋼的效能的對比。效能的提高主要歸因於大量的奈米夾雜物阻礙了位錯的運動，以及大密度的低角度晶界的存在。316 L AM製造時所得到的強度和韌性的完美組合是AM製造所取得的一大成就，這是傳統制造工藝無法克服的強度——韌性之間的矛盾。
圖4 LPBF製造的316L不鏽鋼同傳統制造工藝的對應合金的抗拉強度的對比圖
圖解：同傳統制造工藝相比較，LPBF製造的316L不鏽鋼得到的抗拉強度得到顯著提升且獲得均勻的延伸率。
同時文獻也報道，LPBF 製造的316L不鏽鋼，其疲勞效能也得到了顯著提升。AM製造的316L不鏽鋼在室溫條件下，同時還呈現出優異的摩擦磨損效能，其測試條件為幹摩擦條件下自室溫到400 °C。這主要歸因於AM製造316L不鏽鋼時得到的亞晶粒所具有的阻礙位錯，從而阻礙了亞表面的變形。相似的結論，在模擬人體環境的液體中，其AM製造的316L不鏽鋼的摩擦效能也得到了提高。
腐蝕效能
眾所周知，不鏽鋼的腐蝕效能主要取決於它的顯微組織和化學成分。相，如δ-鐵素體，金屬/非金屬夾雜物和鋼鐵中的析出相均會影響到它的腐蝕效能。AM製造不鏽鋼的顯微組織，反過來，主要取決於AM的製造工藝，同時對其腐蝕效能產生影響。
圖5
圖解：上部兩排的圖:傳統的316L變形合金(a,b)和採用LMD（又叫DLD，DED）的AM技術製造和 SLM (e,f)製造316L時所得到的合金的二次電子影象。最上部的照片放大倍數稍小，而下部的照片為上部的放大。底部的一排照片：在經歷動電位極化實驗，316L不鏽鋼在歷經腐蝕後的高倍二次電子影象：其中圖a，b，c分別為傳統工藝變形態，LMD製造和LMD製造的316L不鏽鋼的腐蝕後照片。b，c顯示的是同一表面不同區域的腐蝕照片。
硫化物夾雜，尤其是MnS夾雜物，幾乎對所有級別的不鏽鋼來說都存在對點蝕抗力起到不利的作用。排除這些不利的諸如MnS這類夾雜物，在傳統制造工藝中是不切實際的，這是因為S是不鏽鋼製造時為提高機加工效能的目的而作為合金元素新增進去的。改變MnS夾雜物的化學成分，如透過Cr來替代硫化物中的Mn，被證明是一個行之有效的提高抗點蝕能力的途徑。透過快速凝固來減少MnS夾雜物的尺寸或者激光表面重熔均被認為是提高點蝕抗力的好辦法。基於這一點，AM技術被認為在製造具有優異的點蝕抗力的奧氏體不鏽鋼方面是行之有效的辦法。這主要是歸因於AM製造過程中快速凝固造成的MnS夾雜物的形成造成限制的原因。
圖6 LPBF不鏽鋼在經歷熱處理時歷經的顯微組織演變
圖7 在退火時顯微組織演變的示意圖
面臨的挑戰
儘管在上面提到AM製造奧氏體不鏽鋼時可以得到效能優異的製品，但仍然存在許多重要的挑戰而限制著該技術在工業中的更為廣泛的應用。最為重要的限制著當前AM技術製造奧氏體不鏽鋼的應用的幾大挑戰在這裡給予介紹，他們主要包括殘餘應力，各向異性，氣孔的形成和基於熱處理的後處理工藝等。
在AM製造過程中尖銳的熱溫度梯度產生的巨大的殘餘應力會導致部件的變形。這將影響著隨後的機械效能，降低應力腐蝕抗力，或者說甚至會影響著最後的產品形狀的尺寸精度。對製造時的基材或者粉末材料進行預熱是常見的降低溫度梯度和由此實現降低殘餘應力的常用途徑。控制掃描途徑是另外一種減少殘餘應力的途徑。其它的諸如不同於以上原位的控制殘餘應力的辦法，進行後熱處理也是有效的釋放殘餘應力的辦法。
各向異性是AM製造過程中的一個關鍵問題，可以分為兩大類，首先，各向異性起源於製造時是在不同的方向上進行製造的，第二，各向異性起源於在測量時不同的軸向上機械效能不一樣。製造方向導致的AM製造奧氏體不鏽鋼的顯微組織和機械效能的各向異性等問題已經得到了很好的研究。柱狀晶和強的晶體織構沿著製造方向的問題被認為是造成AM製造奧氏體不鏽鋼的機械效能的各向異性的主要因數。例如，據報道，在平行於樣品製造方向上的UTS（最大抗拉強度）幾乎是垂直於樣品方向的UTS的120%。這一行為同AM製造過程中連續製造層之間的缺陷的形成相關聯。此時造成在垂直於製造方向上強度的降低。在AM製造的奧氏體不鏽鋼中，各向異性對腐蝕的影響不是一個關鍵問題。同時，現有的研究顯示，製造方向並不會對LPBF製造的316L不鏽鋼在幹摩擦條件下的摩擦效能產生影響。
在AM製造奧氏體不鏽鋼時，不同的氣孔型別均有報道。未熔合氣孔被認為是對摩擦效能，疲勞效能和腐蝕效能等方面比球形氣孔的危害要大得多，因為在拉伸測試和腐蝕環境中他們會作為裂紋的起源和點蝕的形成點。研究顯示，未熔合氣孔的存在會導致AM製品的點蝕抗力的下降，這是因為作為點蝕的據點會導致腐蝕的迅速發生。球形氣孔，依據外部表面的氣孔形狀，被分為開孔和閉孔，開孔型別的球形氣孔被認為對穩定的點蝕破壞作用要比半封閉的球形氣孔要輕。這是因為在暴露在腐蝕環境中離子擴散速率不同造成的。
AM製造過程中熱源和粉末原材料之間的相互作用導致了大多數的快速加熱和冷卻迴圈的存在，這將造成顯微組織的形成是遠遠偏離平衡態。基於這一點，後續處理包括應力釋放熱處理和熱等靜壓是通常用來消除這些隱患的辦法。針對鑄造和變形的奧氏體不鏽鋼的熱處理標準已經建立起來了，但針對AM製造的產品的相應的標準尚沒有建立。研究這些熱處理對AM製造產品效能的影響和最佳化AM製造產品的熱處理工藝是非常重要的。
舉例來說，在考慮腐蝕效能時，固溶熱處理的溫度範圍為1010 和 1120 °C是傳統奧氏體不鏽鋼的常用熱處理溫度制度，可以透過分解固溶在 γ 基材中的碳化物來提高腐蝕效能。研究也表明，針對傳統奧氏體不鏽鋼熱處理制度的工藝並不對AM製造的合金的熱處理制度相適應。
研究表明，熱處理溫度超過 1000 °C 時可以顯著的降低點蝕能力，表明這一熱處理在AM製造的合金應用於需要提高抗點蝕能力的場合是不適合的。目前針對熱處理溫度高於 1000 °C 時，機械效能背後點蝕能力顯著下降之間的吻合問題還沒有取得一致。明顯的，在高溫下進行熱處理會導致部分/完全的現存的夾雜物向不同化學成分的夾雜物進行轉變，甚至形成一些新的在沉積態不存在的相。在這一高溫熱處理制度下的夾雜物的轉變問題，依然不清楚。
文章來源：Additive manufacturing of steels: a review of achievements and challenges，Nima Haghdadi, Majid Laleh, Maxwell Moyle & Sophie Primig ，Journal of Materials Science volume 56, pages 64–107(2021)，
參考文獻：1， Corrosion performance of additively manufactured stainless steel parts: A review，Additive Manufacturing
Volume 37, January 2021, 101689，https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101689。
2，Microstructure and corrosion behavior of 316L stainless steel prepared using different additive manufacturing methods: A comparative study bringing insights into the impact of microstructure on their passivity，Corrosion Science，Volume 176, November 2020, 108914，https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108914
3，Revealing relationships between microstructure and hardening nature of additively manufactured 316L stainless steel，Materials & Design，Volume 198, 15 January 2021, 109385，https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109385