分享：殘余應(yīng)力對(duì)選區(qū)激光熔化成形工業(yè)純鐵應(yīng)力腐蝕行為的影響

0.   引言

選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM）是一種相對(duì)成熟的增材制造工藝，具有生產(chǎn)周期短，可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但其快速加熱和冷卻的成形特點(diǎn)會(huì)使熔池形成較高的溫度梯度，導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力[3]。在腐蝕環(huán)境中服役時(shí)，在外部應(yīng)力與內(nèi)部殘余應(yīng)力的共同作用下，工件會(huì)在毫無(wú)征兆的情況下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂（stress corrosion cracking，SCC）[4]而失效。因此，研究SLM成形工件的應(yīng)力腐蝕行為具有重要意義。

UJJWAL等[5]通過慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)（slow strain rate tensile，SSRT）發(fā)現(xiàn)，增材制造成形ER4043鋁合金試樣中高殘余應(yīng)力的存在使其在0.6 mol·L−1 NaCl溶液中的斷后伸長(zhǎng)率和抗拉強(qiáng)度相較于在空氣中明顯下降，應(yīng)力腐蝕敏感性提高，這是腐蝕環(huán)境和殘余應(yīng)力共同作用的結(jié)果。CHASSE等[6]研究發(fā)現(xiàn)：增材制造成形7050-T73鋁合金試樣在高氧環(huán)境的NaCl溶液中的失效應(yīng)變顯著降低，殘余應(yīng)力可能作為裂紋萌生的輔助驅(qū)動(dòng)力，引發(fā)合金的晶間SCC。ZHANG等[7]研究了SLM成形304L不銹鋼在高溫富氫水中的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力，發(fā)現(xiàn)成形件中較低含量硅和錳以及較高位錯(cuò)密度能夠加速溶質(zhì)原子擴(kuò)散，降低晶間氧化傾向，從而提高抗SCC能力。

工業(yè)純鐵具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)，相比于多元合金，不存在多種元素相互作用和復(fù)雜相變對(duì)腐蝕與應(yīng)力相互作用的干擾，因此是研究殘余應(yīng)力對(duì)SCC作用機(jī)制的理想材料。作者以SLM成形工業(yè)純鐵試樣為研究對(duì)象，通過不同溫度固溶+400 ℃時(shí)效處理以調(diào)控殘余應(yīng)力，研究了殘余應(yīng)力對(duì)成形試樣應(yīng)力腐蝕行為的影響，擬為SLM成形工藝在多元合金應(yīng)力腐蝕特性方面的研究提供理論參考。

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)原料為四川荃躍公司提供的工業(yè)純鐵粉末，粒徑在20~50 μm，其形貌見圖1，呈球狀和橢球狀，大顆粒表面吸附著小顆粒；其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為0.008Ni，0.029Cr，0.041Co，0.001Mo，0.003 8Ti，0.042W，0.012Mn，0.000 1Si，0.003 8C，0.054 6O，0.002 4N，余Fe。

圖  1  工業(yè)純鐵粉末的微觀形貌

Figure  1.  Micromorphology of industrial pure iron powder

采用MLAB cusing R型金屬零件3D打印機(jī)進(jìn)行SLM成形，采用氬氣保護(hù)以防止熔融金屬氧化，激光系統(tǒng)為100 W連續(xù)光纖激光器，光斑直徑為100 μm，粉層厚度為25 μm，掃描速度為800 mm·s−1，試驗(yàn)溫度為20 ℃，掃描方式為棋盤式；分別成形出尺寸為8 mm×8 mm×11 mm的塊狀試樣和長(zhǎng)45 mm、寬14 mm、標(biāo)距35 mm的拉伸試樣（GB/T 6397—1986《金屬拉伸試驗(yàn)試樣》），成形方向（z向）為試樣厚度方向。在GSL-1700X型真空管式高溫?zé)Y(jié)爐中對(duì)試樣進(jìn)行固溶+時(shí)效處理：在大氣環(huán)境中將試樣在1 h內(nèi)分別加熱至650，800，950 ℃，保溫0.5 h固溶，在1 h內(nèi)降溫至400 ℃，保溫0.5 h時(shí)效，爐冷。

將塊狀試樣用240#~2000#SiC砂紙逐級(jí)打磨，拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸乙醇溶液進(jìn)行腐蝕，采用HIROX KH-1300型數(shù)字式三維視頻顯微鏡觀察表面顯微組織；將試樣沿z向從表面向下拋磨至深度分別為0.25，0.50，0.75，1.00 mm，腐蝕后觀察不同深度處的顯微組織。

采用Xstress-3000-G2型殘余應(yīng)力X射線衍射儀進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。為了得到沿z向的殘余應(yīng)力變化，使用飽和NaCl溶液對(duì)塊狀試樣進(jìn)行電解拋光剝層，每次剝層深度為0.25 mm，測(cè)試不同深度處試樣中心位置的x向（試樣長(zhǎng)度方向）和y向（試樣寬度方向）殘余應(yīng)力。

用砂紙打磨拉伸試樣標(biāo)距段表面，用無(wú)水乙醇超聲清洗后冷風(fēng)干燥，根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，采用WDW-50E型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在空氣和NaCl溶液中分別進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，NaCl溶液中NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.5%，5.0%，10.0%，應(yīng)變速率控制在6×10−6 s−1。引入綜合差值率系數(shù)來綜合評(píng)估應(yīng)力腐蝕敏感性差異，計(jì)算公式如下：

式中：ISCC為綜合差值率系數(shù)；σsol為不同溫度固溶+時(shí)效處理后試樣在NaCl溶液的抗拉強(qiáng)度；δsol為不同溫度固溶+時(shí)效處理后試樣在NaCl溶液的斷后伸長(zhǎng)率；σair，δair分別為沉積態(tài)試樣在空氣中的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。

綜合差值率系數(shù)越大，應(yīng)力腐蝕敏感性越大。

使用手工鋸分離拉伸斷口，進(jìn)行超聲清洗以去除斷口表面雜質(zhì)和污染物，干燥，采用Nova NanoSEM450型掃描電子顯微鏡觀察拉伸斷口形貌。

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   顯微組織

由圖2可以看出，固溶+時(shí)效處理前后SLM成形試樣（垂直于z向）的組織均主要為鐵素體，鐵素體晶界處析出少量三次滲碳體（量少可以忽略不計(jì)）。沉積態(tài)（固溶+時(shí)效處理前）試樣的晶粒尺寸較小，晶界不明顯；650 ℃固溶+時(shí)效處理后，晶粒尺寸增大，并且隨著固溶溫度升高而增大，晶界變清晰。固溶+時(shí)效處理后SLM成形試樣由于晶界能下降，晶粒尺寸明顯增大，晶界變得更加清晰，這與BIAN等[8]對(duì)316L不銹鋼的研究結(jié)果類似。由于SLM工藝通過層層疊加成形，后續(xù)成形的熱量會(huì)對(duì)前期成形層產(chǎn)生類似“熱處理”的作用，使前期成形層發(fā)生跨晶界擴(kuò)展，因此隨深度增加，晶粒尺寸增大并趨于規(guī)則化，晶界變清晰。

圖  2  不同溫度固溶+400 ℃時(shí)效處理前后SLM成形試樣不同深度處的顯微組織

Figure  2.  Microstructures at different depths of specimens formed by SLM before (a, e, i, m, q) and after solution at different temperatures + aging at 400 ℃ (b–d, f–h, j–l, n–p, r–t)

2.2   殘余應(yīng)力

由圖3可見：沉積態(tài)SLM成形試樣表面和內(nèi)部存在較大殘余拉應(yīng)力；固溶+時(shí)效處理后殘余拉應(yīng)力顯著降低，這是因?yàn)榻饘僭釉跓崽幚磉^程中受熱激發(fā)而發(fā)生運(yùn)動(dòng)調(diào)整，從而促進(jìn)了應(yīng)力釋放[8]。隨著固溶溫度升高，試樣表面和內(nèi)部殘余拉應(yīng)力下降。當(dāng)固溶溫度為800 ℃時(shí)，殘余應(yīng)力接近于0，此時(shí)試樣接近無(wú)應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)固溶溫度達(dá)到950 ℃時(shí)，殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。固溶+時(shí)效處理能夠顯著降低試樣內(nèi)部的殘余應(yīng)力，且隨著固溶溫度升高，殘余拉應(yīng)力降低并在950 ℃固溶+時(shí)效后轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小的壓應(yīng)力，這種轉(zhuǎn)變使得SLM成形試樣內(nèi)部具有更好的穩(wěn)定性[9]。綜合而言，對(duì)于此批次試樣，800 ℃為最優(yōu)固溶溫度。

圖  3  不同溫度固溶+400 ℃時(shí)效處理前后SLM成形試樣x向和y向殘余應(yīng)力隨深度的變化

Figure  3.  Variation of x-directional (a) and y-directional (b) residual stress with depth of specimens formed by SLM before and after solution at different temperatures + aging at 400 ℃

2.3   應(yīng)力腐蝕行為

由圖4可見，在空氣和腐蝕環(huán)境中，固溶+時(shí)效處理前后SLM成形試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性變形初始階段趨勢(shì)基本一致，進(jìn)入塑性變形階段后，因殘余應(yīng)力水平存在差異，曲線出現(xiàn)差異[10]。沉積態(tài)SLM成形試樣內(nèi)部存在較高殘余拉應(yīng)力，其抗拉強(qiáng)度顯著高于固溶+時(shí)效處理后的試樣；經(jīng)固溶+時(shí)效處理后，隨著固溶溫度升高，SLM成形試樣的抗拉強(qiáng)度降低，但斷后伸長(zhǎng)率未呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖  4  不同溫度固溶+400 ℃時(shí)效處理前后SLM成形試樣在空氣和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Figure  4.  Stress-strain curves of specimens formed by SLM before and after solution at different temperatures+aging at 400 ℃ in air (a) and NaCl solution with different NaCl mass fractions (b–d)

隨著固溶溫度升高，試樣晶粒長(zhǎng)大且殘余應(yīng)力釋放，材料抵抗變形的能力減弱，因此抗拉強(qiáng)度降低，這與黃衛(wèi)東等[11]對(duì)SLM成形TiN/AlSi10Mg合金復(fù)合材料組織性能的研究結(jié)果類似。隨著NaCl溶液濃度增加，沉積態(tài)試樣的斷后伸長(zhǎng)率降低，這是因?yàn)槌练e態(tài)試樣晶粒較細(xì)且殘余拉應(yīng)力較大，在外部拉伸力和Cl−腐蝕的綜合作用下高應(yīng)力區(qū)域的點(diǎn)蝕加速。固溶+時(shí)效處理后殘余應(yīng)力得到釋放且晶粒尺寸增大，抗腐蝕應(yīng)變能力增強(qiáng)，因此試樣的斷后伸長(zhǎng)率隨著NaCl溶液濃度增加未呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。

由表1結(jié)合殘余應(yīng)力分析可知：沉積態(tài)SLM成形試樣因內(nèi)部存在較大殘余拉應(yīng)力，其在較高濃度NaCl溶液（NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于5.0%）中的應(yīng)力腐蝕敏感性較大；固溶+時(shí)效處理后，試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力降低，在較高濃度NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕敏感性降低，這是因?yàn)楣倘?時(shí)效處理后晶粒長(zhǎng)大，雖然導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，但韌性提高，從而降低了應(yīng)力腐蝕敏感性[12]。當(dāng)固溶溫度為800 ℃時(shí)，試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力接近0，在較高濃度NaCl溶液中相比殘余應(yīng)力水平較大試樣，其綜合差值系數(shù)更小，應(yīng)力腐蝕敏感性更低，說明低殘余應(yīng)力水平有利于提高材料耐高Cl−濃度腐蝕性能；當(dāng)固溶溫度為950 ℃時(shí)，殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，在較高濃度NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕敏感性增大。隨著NaCl溶液濃度增加，沉積態(tài)SLM成形試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性大幅增大，650，950 ℃固溶+時(shí)效處理后試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性變化相對(duì)較小，800 ℃固溶+時(shí)效處理后試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性先減小后增大。

2.4   斷口形貌

由圖5可見：沉積態(tài)SLM成形試樣拉伸斷口出現(xiàn)大面積解理面和明顯腐蝕凹坑，幾乎無(wú)韌窩，斷裂方式以脆性斷裂為主；拉伸斷口上還可見未熔粉末顆粒、孔隙等缺陷，這些缺陷在殘余拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下成為裂紋源，加速裂紋擴(kuò)展，從而降低耐腐蝕性能[12]；斷口表面腐蝕產(chǎn)物堆積嚴(yán)重，進(jìn)一步降低材料的耐點(diǎn)蝕性能[13]。經(jīng)過固溶+時(shí)效處理后，試樣拉伸斷口形貌向韌性特征轉(zhuǎn)變：650 ℃固溶+時(shí)效處理后，殘余拉應(yīng)力相較于沉積態(tài)顯著下降，拉伸斷口均出現(xiàn)細(xì)小淺平韌窩，裂紋沿著晶界擴(kuò)展，斷裂方式主要為沿晶斷裂，當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí)，撕裂棱上附著暗色腐蝕產(chǎn)物，拉伸斷口中存在部分韌窩；800 ℃固溶+時(shí)效處理后試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力接近于0，斷口出現(xiàn)河流花樣的臺(tái)階和解理面，以及大量較深韌窩，韌性斷裂比例增加；950 ℃固溶+時(shí)效處理后殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，斷口韌窩數(shù)量增多，存在小區(qū)域分布的解理面，韌性斷裂比例進(jìn)一步增加。

圖  5  不同溫度固溶+400 ℃時(shí)效處理前后SLM成形試樣在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液中的拉伸斷口形貌

Figure  5.  Tensile fracture morphology of specimens formed by SLM before (a–c) and after (d–l) solution at different temperatures+aging at 400 ℃ in NaCl solution with different NaCl mass fractions

綜上所述，殘余拉應(yīng)力（800 ℃時(shí)殘余應(yīng)力接近0）降低后，SLM成形試樣的斷后伸長(zhǎng)率未呈下降趨勢(shì)，應(yīng)力腐蝕敏感性降低，耐腐蝕性能提升。

3.   結(jié)論

（1）沉積態(tài)SLM成形工業(yè)純鐵中晶粒細(xì)小且晶界不明顯，內(nèi)部存在較大的殘余拉應(yīng)力；650~950 ℃固溶+400 ℃時(shí)效處理后，晶粒長(zhǎng)大，晶界清晰，殘余應(yīng)力降低。隨固溶溫度升高，殘余應(yīng)力下降，當(dāng)固溶溫度為800 ℃時(shí)殘余應(yīng)力接近0，當(dāng)固溶溫度為950 ℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。

（2）在較高Cl−濃度（NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于5.0%）下，高殘余拉應(yīng)力狀態(tài)的沉積態(tài)試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性較高，固溶+時(shí)效處理后試樣中的殘余應(yīng)力水平降低，應(yīng)力腐蝕敏感性降低，殘余應(yīng)力接近0時(shí)試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性小于殘余應(yīng)力水平相對(duì)較高試樣。隨著Cl−濃度增加，沉積態(tài)成形試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性增大，650，950 ℃固溶+時(shí)效后應(yīng)力腐蝕敏感性變化小，800 ℃固溶+時(shí)效后先減小后增大。

（3）沉積態(tài)（高殘余拉應(yīng)力）試樣的拉伸斷口中出現(xiàn)大面積解理面和腐蝕凹坑，呈脆性斷裂特征；隨著殘余應(yīng)力降低，斷口出現(xiàn)韌窩，當(dāng)殘余應(yīng)力接近0或轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力時(shí)呈脆韌混合斷裂。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)