微米級(jí)選區(qū)激光熔化316L 不銹鋼拉伸變形中Σ3n 特殊晶界的分布

張楠，張海武，王淼輝,，杜兵，張平，張志豪

(1.中機(jī)新材料研究院(鄭州)有限公司,鄭州,450001；2.機(jī)械科學(xué)研究總院,北京,100044；3.北京科技大學(xué),北京,100083)

0 序言

選區(qū)激光熔化(selective laser melting,SLM)技術(shù)近年來(lái)被廣泛用于空天領(lǐng)域、能源裝備等復(fù)雜構(gòu)件的制備[1-2].然而，隨著增材部件的小型化趨勢(shì)及對(duì)成形表面質(zhì)量和精度要求的不斷提高，由此進(jìn)一步衍生出微米級(jí)選區(qū)激光熔化(micro-selective laser melting,M-SLM)技術(shù).相比SLM 的光斑尺寸(50～90 μm)[3]和成形精度(約200 μm)[4]，M-SLM 具有細(xì)光斑(小于20 μm)和高精度(20～ 50 μm)，且表面粗糙度Ra 可達(dá)1 μm 的精細(xì)成形優(yōu)勢(shì)，在航空航天、能源裝備、通訊電子及生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力[5].

面心立方奧氏體不銹鋼316L 具有優(yōu)異的塑性、耐腐蝕性和焊接性，在航空航天、石油化工、海洋裝備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，因此成為SLM 開(kāi)展相關(guān)研究的熱點(diǎn)[6-7].其中，Salman 等人[8]利用SLM 制備了316L 不銹鋼試樣，研究了超常凝固組織的熱穩(wěn)定性對(duì)使役條件下力學(xué)性能的影響，認(rèn)為納米尺度胞狀結(jié)構(gòu)對(duì)SLM 成形材料的力學(xué)強(qiáng)度有重要影響.Liu 等人[9]通過(guò)控制激光掃描速率得到納米尺度胞狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)SLM 制備316L 不銹鋼的力學(xué)性能設(shè)計(jì).而Watanabe[10]則率先提出大幅增加特殊晶界(special boundary,SB)的比例(fSBs)來(lái)提高多晶材料晶界時(shí)效行為的構(gòu)想，提出了“晶界特征分布(grain boundary character distribution,GBCD)優(yōu)化”的概念，以Σ3n(n=1,2,3)晶界為特征，并在奧氏體不銹鋼的GBCD 優(yōu)化中取得重要進(jìn)展.文獻(xiàn)[11]認(rèn)為304 不銹鋼變形后的特殊晶界可以有效阻斷大角度晶界的連通性，但缺乏對(duì)GBCD 優(yōu)化機(jī)制的深入探討，特別是對(duì)Σ3n這類特殊晶界分布缺乏系統(tǒng)研究.為此，文中通過(guò)M-SLM 獲得高納米晶比例的316L 不銹鋼，研究拉伸變形對(duì)316L 不銹鋼特殊晶界分布的影響，分析統(tǒng)計(jì)了不同應(yīng)變對(duì)Σ3n特殊晶界的特征分布，并對(duì)M-SLM 增材制造的316L 不銹鋼拉伸過(guò)程的GBCD 微觀機(jī)制進(jìn)行初步探討.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用自主研發(fā)的316L 不銹鋼粉末，球形度大于97%，粒徑分布為10～ 25 μm，化學(xué)成分 見(jiàn)表1.

表1 316L 不銹鋼粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of 316L stainless steel powder

試驗(yàn)使用聯(lián)合研發(fā)的Aixway Precision 100 型M-SLM 成形設(shè)備，激光額定功率P為100 W，波長(zhǎng)λ為1 050～ 1 080 nm.在激光成形倉(cāng)內(nèi)經(jīng)反復(fù)抽真空-充Ar 過(guò)程，將環(huán)境含氧量降至0.000 4%以下，如圖1 所示尺寸采用STL(standard template library)格式3D 編輯軟件建模、文件切片并導(dǎo)入微機(jī)后，使用M-SLM 制備水平方向拉伸試樣1 和垂直方向拉伸試樣2.

圖1 M-SLM 制備拉伸試樣尺寸示意圖Fig.1 Schematic of tensile sample using M-SLM

M-SLM 激光束的能量密度ρ如式(1)所示，即

式中：P為激光功率；hs為激光掃描間距；t為鋪粉厚度；v為掃描速率.最終計(jì)算得到激光體能量密度ρ為58.3 J/mm3，層間激光掃描相對(duì)變換角度設(shè)置為67°.

拉伸試驗(yàn)采用Instron LDW-2 拉伸試驗(yàn)機(jī)，在室溫下設(shè)置應(yīng)變速率為10-3s-1的條件下，應(yīng)變量分別達(dá)到8%、18%和28% 3 個(gè)應(yīng)變量時(shí)停止加載，得到3 種不同塑性變形條件下的拉伸變形試樣.切取變形區(qū)進(jìn)行電化學(xué)拋光，在配有電子背散射衍射(electron back-scatter diffraction,EBSD)功能的S-3400N 型掃描電鏡上完成同一樣品、3 個(gè)鄰近區(qū)域的取向顯微重構(gòu)(orientation imaging microscopy，OIM)晶界特征分布測(cè)定，掃描區(qū)域25 μm × 25 μm，掃描步長(zhǎng)0.1 μm，并使用HKL 分析軟件標(biāo)定菊池(Kikuchi)花樣，進(jìn)而得到晶粒取向信息，重構(gòu)晶界特征分布形貌.根據(jù)Brandon[12]提出的作為判據(jù)確定重位點(diǎn)陣晶界，其中Σ3，Σ9 和Σ27特殊晶界分別按<111>/60°，<110>/38.94°和<110>/31.58°標(biāo)定，標(biāo)定率大于92%.

微矩形截面法能實(shí)現(xiàn)孿晶界共格和非共格的判定.當(dāng)滿足<111>/60°取向關(guān)系的Σ3 晶界兩側(cè)晶面取向同位于{111}時(shí)，可判定共格Σ3 晶界(Σ3C)，而位于其他晶面上時(shí)，則為非共格Σ3 晶界(Σ3IC).根據(jù)微矩形截面法，在鄰近Σ3 晶界位置設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)邊平行于晶界的微矩形，其矩形短邊方向必與晶界法線方向一致，因此只需測(cè)定該微矩形區(qū)內(nèi)的晶粒{111}極圖，判斷垂直于Σ3 晶界的矩形短邊方向是否與{111}極圖點(diǎn)重合即可判斷Σ3C或Σ3IC，判定角度公差一般為± 3°[13].

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 特殊晶界(SB)的特征與分布

試樣1 在拉伸應(yīng)變量8%,18%和28%時(shí)的特殊晶界(SB)分布比例(fSBs)如圖2 所示，拉伸應(yīng)變量對(duì)SB 的分布量密切相關(guān)，分析認(rèn)為，小變形量的拉伸樣品相比于大變形量的拉伸樣品，后者更容易被激發(fā)出特殊晶界.這是由于小變形的試樣變形儲(chǔ)能低，材料變形過(guò)程中不足以在誘發(fā)一般大角度晶界的形成，且多以原試樣中Σ3IC的遷移為主要機(jī)制[14].

圖2 特殊晶界比例分布Fig.2 Proportional distribution of special grain boundaries

試樣1 和試樣2 的變形分布如圖3，圖4 所示，圖3 中橫向拉伸試樣1 晶粒變形的趨勢(shì)可見(jiàn)，當(dāng)應(yīng)變量在8%時(shí)，樣品中可見(jiàn)約15.6%的再結(jié)晶晶粒，境內(nèi)可見(jiàn)少量非連續(xù)性、未貫通晶粒的小角度晶界(黑色跡線)，證明了在應(yīng)變量8%條件下，樣品的變形儲(chǔ)能少；隨著變形儲(chǔ)能的增加，當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到18%時(shí)，原始增材制備的再結(jié)晶晶粒發(fā)生了明顯減少，變形晶粒占比增加，說(shuō)明晶界隨變形量的增加發(fā)生遷移并誘發(fā)較多晶內(nèi)貫通的連續(xù)性Σ3n(n=1,2,3)晶界.當(dāng)變形量進(jìn)一步增大到28%時(shí)，連續(xù)性Σ3n晶界通過(guò)遷移，進(jìn)一步增加了材料基體的變形儲(chǔ)能，晶粒變形區(qū)域面積顯著提升，變形區(qū)比例約82.5%.該規(guī)律與圖4 所示試樣2 在不同應(yīng)變下的變形相吻合，且當(dāng)圖4c 中應(yīng)變量達(dá)到28%時(shí)，變形晶粒比例超過(guò)90%.以上分析的結(jié)果可用晶界遷移機(jī)制進(jìn)行分析，并在下文中進(jìn)一步論述.

圖3 試樣1 在不同應(yīng)變下的變形分布圖Fig.3 Deformation distribution of sample 1 under different strains.(a) tensile strain 8%;(b) tensile strain 18%;(c)tensile strain 28%

圖4 試樣2 在不同應(yīng)變下的變形分布圖Fig.4 Deformation distribution of sample 2 under different strains.(a) tensile strain 8%;(b) tensile strain 18%;(c)tensile strain 28%

2.2 Σ3n 晶界的分布

圖5 給出了M-SLM 制備316L 拉伸橫向試樣(圖5a)和法向試樣(圖5b)在拉伸應(yīng)變量8%，18%和28%時(shí)Σ3n晶界比例的分布.經(jīng)測(cè)定，8%應(yīng)變下的試樣1 和試樣2 的fΣ3分別為4.6%和7.7%，fΣ9+fΣ27分別為2.3%和3.1%.當(dāng)拉伸變形量增大至28%，fΣ3分別增至17.3%和27.2%，fΣ9+fΣ27分別降至0.4%和0.55%.不難看出，隨著拉伸應(yīng)變量的增大，Σ3 晶界比例顯著增加，而Σ9 +Σ27 晶界比例顯著降低.可見(jiàn)，較大的變形能可顯著促進(jìn)Σ3 晶界生成，抑制Σ9+Σ27 的產(chǎn)生.

圖5 M-SLM 制備316L 拉伸試樣應(yīng)變量對(duì)特殊晶界的影響Fig.5 Effect of strain on special grain boundaries of 316L tensile specimens prepared by M-SLM.(a)Σ3n proportional distribution in sample 1;(b) Σ3n proportional distribution in sample 2

2.3 共格Σ3C 和非共格Σ3IC 的OIM 晶界分布

試樣1 和試樣2 的取向顯微術(shù)(OIM)重構(gòu)晶界特征分布如圖6 和圖7 所示.當(dāng)拉伸應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，可見(jiàn)Σ3n晶界(黑色箭頭表示Σ3 晶界，白色箭頭表示Σ9 晶界及Σ27 晶界)明顯地阻斷了大角度晶界的連續(xù)性，當(dāng)拉伸應(yīng)變提升至18%和28%后，大角度晶界網(wǎng)絡(luò)被Σ3 晶界分割更為顯著，且晶內(nèi)開(kāi)始呈現(xiàn)大量Σ3 晶界，通過(guò)對(duì)晶內(nèi)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，Σ3 晶界的形態(tài)有所差異.晶內(nèi)Σ3 晶界形貌多為貫穿型平直結(jié)構(gòu)，但尚存在一定量的彎曲狀Σ3 晶界，特別是試樣2 在18%應(yīng)變量條件下展示了較為典型的、具有準(zhǔn)直特征的共格Σ3 孿晶晶界.為了進(jìn)一步辨別共格與非共格的Σ3 晶界，文中對(duì)圖6b 和圖7b 進(jìn)行Σ3 共格和非共格晶界判定.

圖6 試樣1 的拉伸區(qū)域取向顯微重構(gòu)晶界分布圖Fig.6 Grain boundary distribution of microstructure reconstruction in tensile region of sample 1.(a) tensile strain 8%;(b) tensile strain 18%;(c) tensile strain 28%

圖7 試樣2 的拉伸區(qū)域取向顯微重構(gòu)晶界分布圖Fig.7 Grain boundary distribution of microstructure reconstruction in tensile region of sample 2.(a) tensile strain 8%;(b) tensile strain 18%;(c) tensile strain 28%

如圖6b 所示，指定區(qū)域的為例(見(jiàn)圖8 所示)，設(shè)置微矩形1 和微矩形2 分別靠近臨近的Σ3 晶界，故矩形的短邊一定與Σ3 晶界的法向方向平行.將短邊指向方向復(fù)制在{111}極圖中，記為法線，可以看出剛好通過(guò){111}極圖的重合點(diǎn)，故將矩形1 鄰近的晶界判定為共格Σ3C晶界；而在角度公差± 3°范圍內(nèi)均未能與{111}極圖點(diǎn)重合，故判定矩形2 鄰近晶界為非共格Σ3IC晶界.按此方法，對(duì)圖6b 和圖7b 中隨機(jī)各選取約30 條Σ3 晶界進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表中C 表示共格晶界，IC 表示非共格晶界，分析結(jié)果見(jiàn)表2 和表3 所示.從表中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，橫向試樣1 在18%拉伸應(yīng)變下的Σ3C和Σ3IC分別約為40%和60%，而法向拉伸試樣2 在同樣拉伸應(yīng)變下的Σ3C卻提高至約73%.

圖8 微矩形截面法判定圖6b 中指定區(qū)域Σ3 晶界示意圖Fig.8 Schematic diagram of Σ3 grain boundary determination on the designated area in Figure 6b using micro rectangular section method

2.4 討論分析

關(guān)于Σ3n晶界遷移機(jī)制，目前成熟的理論有Σ3 再遷移模型[15]，高Σ 重位點(diǎn)陣模型[16]和非共格Σ3 遷移模型[9]等.Σ3 再遷移模型認(rèn)為Σ3IC晶界是Σ3C晶界遷移獲得.首先Σ3C晶界的界面能相對(duì)Σ3IC晶界低，通過(guò)穩(wěn)定的Σ3C晶界遷移得到Σ3IC晶界本質(zhì)上違背了能量最小原理.高Σ 重位點(diǎn)陣模型指出，低Σ 晶界(如Σ3、Σ9、Σ27)是由更高Σ 值特殊晶界分解而來(lái)，從理論上該模型給出了低Σ 值和高Σ 值晶界從出現(xiàn)概率上應(yīng)該是均等的，如圖5 所示，隨著拉伸應(yīng)變的增加，Σ3 的增加伴隨著Σ9 的降低，Σ27 甚至未檢出.目前，非共格Σ3 遷移理論能合理解釋文中所得結(jié)果：根據(jù)反應(yīng)能量最小原理，共格Σ3 孿晶界相對(duì)非共格Σ3 孿晶界而言更為穩(wěn)定[17]，這說(shuō)明高能量的非共格Σ3 孿晶界可通過(guò)應(yīng)變過(guò)程的界面遷移獲得更多穩(wěn)定的低能量共格Σ3 孿晶界，并基于Σ3IC的高度可動(dòng)性，此類晶界在材料變形時(shí)彼此交匯，從而衍生出Σ9 晶界，并再次與Σ3IC匯合進(jìn)而生成Σ27 或重生成Σ3C特殊晶界[18]，促成Σ3 特殊晶界比例隨著應(yīng)變量的增加而顯著增加，這些特殊晶界多位于一般大角度晶界上，且有效打斷了其連通性.非共格Σ3 遷移理論模型很好解釋了表2 和表3 所示結(jié)果，為何圖6b 中出現(xiàn)大量的Σ3IC晶界，而隨著圖5 中拉伸應(yīng)變?cè)鲋?8%后，Σ3 特殊晶界比例進(jìn)一步上升，Σ9 +Σ27 特殊晶界比例降低的原因.

表2 圖6b 中Σ3 晶界分析結(jié)果Table 2 Σ3 grain boundary analysis results in Fig 6b

表3 圖7b 中Σ3 晶界分析結(jié)果Table 3 Σ3 grain boundary analysis results in Fig 7b

基于界面能理論，晶界處的能量主要包括兩部分，即彈性畸變能和化學(xué)交互能.其中，彈性畸變能的大小取決于失配度的大小.對(duì)于共格晶界來(lái)說(shuō)，由于界面上原子保持著匹配關(guān)系故界面上原子結(jié)合鍵數(shù)目不變，此時(shí)應(yīng)變能是主要的.而對(duì)于非共格晶界，由于界面上原子的化學(xué)鍵數(shù)目和強(qiáng)度與晶內(nèi)相比發(fā)生了很大變化，故其界面能以化學(xué)能為主，而總界面能較高，這就很好地解釋了為何SLM 制備橫向的拉伸材料強(qiáng)度普遍高于法向的拉伸強(qiáng)度的原因，恰與余晨帆等人[7]通過(guò)傳統(tǒng)SLM制備316L 不銹鋼得出的拉伸結(jié)果相吻合.圖9 對(duì)比了M-SLM 與傳統(tǒng)SLM 成形316L 拉伸力學(xué)性能的結(jié)果：在橫向試樣斷后伸長(zhǎng)率同約40%時(shí)，MSLM 制備的316L 抗拉強(qiáng)度達(dá)到690 MPa，相比傳統(tǒng)SLM 提升11%；在法向試樣抗拉強(qiáng)度同約650 MPa 時(shí)，M-SLM 制備的316L 斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到64.5%，相比傳統(tǒng)SLM 提升72%，這進(jìn)一步說(shuō)明相比于傳統(tǒng)SLM，M-SLM 制備316L 的總界面能更高.此外，晶界能的大小還取決于晶界的面積.在M-SLM 增材制造單相奧氏體316L 不銹鋼的晶粒細(xì)化程度會(huì)顯著優(yōu)于傳統(tǒng)SLM，且絕大部分細(xì)小納米級(jí)晶粒間均形成以大角度晶界為代表的特殊晶界，其總界面能將顯著優(yōu)于傳統(tǒng)SLM 制備的同種材料.除以上縱向?qū)Ρ确治鐾?，M-SLM 制備的316L 在拉伸過(guò)程中的橫向?qū)Ρ?如圖5 所示)也不難發(fā)現(xiàn)，隨著拉伸應(yīng)變的增加，Σ3 特殊晶界的比例是顯著增加的，聯(lián)立分析表1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，法向18%拉伸應(yīng)變狀態(tài)下的共格Σ3C孿晶界的比例顯著提升，即在材料內(nèi)部平衡狀態(tài)下，共格Σ3C孿晶界的增加使得總晶界能同比減小，這就促使了兩晶粒晶界的平直化過(guò)程，以上分析與如圖7b 呈現(xiàn)結(jié)果相吻合.

圖9 M-SLM 和SLM 成形316L 拉伸力學(xué)性能比較[19-23]Fig.9 Comparisons of tensile properties of M-SLM 316L stainless steel and fabricated by SLM

3 結(jié)論

(1) 在8%應(yīng)變下，橫向試樣1 和法向試樣2 的fΣ3分別為4.6%和7.7%，fΣ9+fΣ27分別為2.3%和3.1%.當(dāng)變形量增大至28%，fΣ3分別增至17.3%和27.2%，fΣ9+fΣ27分別降至0.4%和0.55%.

(2) 橫向試樣1 在18%拉伸應(yīng)變下以Σ3IC為主，約占60%，而法向拉伸試樣2 在同樣條件下以Σ3C為主，約占73%.這類特殊晶界有效阻斷SB 晶界的連通性，使得M-SLM 成形316L 的橫向抗拉強(qiáng)度達(dá)到690 MPa，相比傳統(tǒng)SLM 提升11%；其法向斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到64.5%，相比傳統(tǒng)SLM 提升72%.