選擇性激光熔化成型316 不銹鋼的單軸蠕變-疲勞行為

丁珮珊 鄭小濤 徐建民 林 緯

（武漢工程大學(xué) 化工裝備強(qiáng)化與本質(zhì)安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

屬于金屬3D打印工藝的選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）是一種基于分層疊加制造、通過高能激光束逐層掃描并熔化金屬粉末而成型的快速制造技術(shù)，該技術(shù)能直接成型各種復(fù)雜零件，是目前突破復(fù)雜高溫合金部件制造精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)及材料鑄造缺陷等諸多瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)［1］。在SLM金屬材料中，316不銹鋼由于添加了Mo元素，具有良好的耐熱性、耐腐蝕性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性，在電力、現(xiàn)代工業(yè)、船舶以及醫(yī)療等諸多產(chǎn)業(yè)皆有良好的應(yīng)用前景［2，3］。

然而，很多機(jī)械設(shè)備（如壓力容器、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及冶金機(jī)械等）長期在復(fù)雜高溫承載的工況下服役，設(shè)備的啟停、工況載荷的改變等波動載荷所導(dǎo)致的疲勞損傷與高溫條件下所形成的蠕變損傷交互作用是設(shè)備失效的主要原因。因此，研究高溫環(huán)境下材料的蠕變疲勞行為具有重大意義［4，5］。

目前，對SLM材料的研究大多集中在成型工藝、微 觀 組 織 結(jié) 構(gòu) 等 方 面。MERCELIS P 和KRUTH J P通過試驗(yàn)研究SLM成型Fe-20Ni-15Cu-15Fe3P混合粉末時發(fā)現(xiàn)，元素成分會影響材料對激光的吸收率、高溫熔體的潤濕以及鋪展能力、氧化等，當(dāng)試樣成型面呈均勻魚鱗狀且基本未出現(xiàn)球化現(xiàn)象時，成型件的致密度可達(dá)91%［6］。CHILDS T H C等采用有限元方法構(gòu)建了不同激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)下M2、H13、314SHC和316L不銹鋼的單道熔池形貌、溫度和質(zhì)量的預(yù)測模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性［7］。MORGAN R 等系統(tǒng)地研究了316L 不銹鋼粉末SLM成型件的致密度，通過調(diào)整激光脈沖、掃描速度和掃描間距獲得了致密度99%以上的零件［8］。研究發(fā)現(xiàn)，在SLM中普遍存在粉末球化現(xiàn)象，且球化分為兩種：第1種是由于粉末未吸收足夠激光能量，粉末之間通過液相燒結(jié)機(jī)制粘結(jié)在一起，從而造成不連續(xù)大尺寸球化；第2種是由于微熔池不穩(wěn)定造成的金屬飛濺，形成了微米級別的小球［9］。

國內(nèi)學(xué)者對傳統(tǒng)工藝成型316不銹鋼的蠕變疲勞特性已經(jīng)有了比較充分的研究，但是由于材料在應(yīng)用選擇性激光熔化技術(shù)成型過程中，高激光能量導(dǎo)致的巨大溫度梯度和零件定向生長導(dǎo)致生成的零件存在力學(xué)性能的各向異性，目前仍缺乏材料各向異性對其蠕變-疲勞行為影響的相關(guān)研究。為了使金屬3D打印技術(shù)能應(yīng)用于嚴(yán)苛環(huán)境下的工業(yè)生產(chǎn)，迫切需要研究SLM 316不銹鋼構(gòu)件的各向異性蠕變疲勞行為。為了全面研究SLM 316不銹鋼的棘輪與蠕變行為，筆者采用不同峰值應(yīng)力、保持時間和成型角度進(jìn)行低周蠕變疲勞試驗(yàn)，對比分析蠕變和蠕變-疲勞交互作用下SLM 316不銹鋼的失效機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

將SLM成型的316不銹鋼加工成圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣，在RPL50蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行應(yīng)力控制的疲勞、蠕變和蠕變-疲勞交互試驗(yàn)，加載模式如圖1所示。其中，σ表示峰值應(yīng)力，σ·表示應(yīng)力率。

圖1 試驗(yàn)加載模式

對于蠕變-疲勞交互試驗(yàn)，棘輪試驗(yàn)參量的表示方式如圖2所示。

圖2 棘輪試驗(yàn)應(yīng)變參量圖

棘輪應(yīng)變εr定義為：

式中 εi——每個循環(huán)應(yīng)變初始值；

Δεt——每個循環(huán)的應(yīng)變范圍。

棘輪應(yīng)變率νi表示為：

其中，νi為第i周次的棘輪應(yīng)變率，εr，i為第i周次的棘輪應(yīng)變，εr，j表示第j周次的棘輪應(yīng)變，ΔNi，j表示第i周次和第j周次之間的循環(huán)次數(shù)。

具體試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果比較

不同峰值應(yīng)力（表1中試驗(yàn)1～3）下疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖可知，在相同溫度與應(yīng)力率條件下，峰值應(yīng)力對材料應(yīng)力-應(yīng)變影響顯著，表明峰值應(yīng)力是研究SLM 316不銹鋼高溫棘輪行為的關(guān)鍵因素。此外，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的大小和形狀隨著循環(huán)次數(shù)和峰值應(yīng)力而變化，由于累積塑性應(yīng)變的影響，應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨循環(huán)數(shù)向右移動。最初幾個循環(huán)內(nèi)材料棘輪效應(yīng)并不明顯，但是隨著循環(huán)數(shù)的增加，應(yīng)變范圍擴(kuò)大，累積塑性應(yīng)變在斷裂前急劇增大。

圖3 不同峰值應(yīng)力下疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

SLM 316不銹鋼在不同峰值應(yīng)力下累積的棘輪應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。在相同溫度和應(yīng)力率條件下，峰值應(yīng)力對棘輪應(yīng)變累積的影響具有相同的變化規(guī)律。由于加載應(yīng)力水平較大，第1階段棘輪應(yīng)變率保持不變，棘輪應(yīng)變穩(wěn)定增長；第2階段棘輪應(yīng)變速率迅速增加，棘輪演化加劇，直到材料斷裂。第1階段相對穩(wěn)定且周期較短，第2階段快速增加且周期相對較長。

圖4 不同峰值應(yīng)力下累積棘輪應(yīng)變對比

對于成型角度為90°的試件，當(dāng)溫度為550 ℃、應(yīng)力率為10 MPa/s時，峰值應(yīng)力對材料棘輪效應(yīng)影響并不顯著，僅在400 MPa時產(chǎn)生微小的棘輪變形，此時峰值應(yīng)力對材料棘輪行為的影響可以忽略不計。而當(dāng)溫度高于650 ℃時，材料棘輪效應(yīng)表現(xiàn)為棘輪演化兩個階段，在30個循環(huán)以后棘輪應(yīng)變累積速率急劇增加。在第100個循環(huán)時，峰值應(yīng)力為290 MPa累積應(yīng)變?yōu)?.18%，而325 MPa下累積應(yīng)變達(dá)到了7.66%。在溫度為750 ℃、應(yīng)力率為2 MPa/s時，棘輪應(yīng)變在第5個循環(huán)時僅0.29%左右，而應(yīng)力為230、260、290 MPa下第17個循環(huán)的棘輪應(yīng)變分別為0.46%、12.49%、12.70%，說明290 MPa 下棘輪應(yīng)變幾乎為230 MPa 時的28倍。

對于成型角度為0°的試件，由于采取較高的應(yīng)力水平，當(dāng)工況為750 ℃、0.5 MPa/s時材料仍然表現(xiàn)為兩階段特征，峰值應(yīng)力為200、230、260 MPa時棘輪應(yīng)變加速的起始循環(huán)數(shù)分別為250、30、7。此外，第40個循環(huán)時峰值應(yīng)力為260 MPa的累積棘輪應(yīng)變達(dá)到了9.09%，為相同循環(huán)時200 MPa下棘輪應(yīng)變的79倍。

不同條件下材料棘輪應(yīng)變率的變化趨勢如圖5所示。由圖可知，在試驗(yàn)溫度為650 ℃、應(yīng)力率為10 MPa/s時材料棘輪應(yīng)變率出現(xiàn)3個階段變化特征，較低的峰值應(yīng)力（290 MPa）會延長第1階段，縮短第2、3階段。對于圖5b所示工況下，第1階段表現(xiàn)不明顯，而第3階段受峰值應(yīng)力的影響顯著，即峰值應(yīng)力越高，材料棘輪應(yīng)變率越大，棘輪效應(yīng)的影響越強(qiáng)烈。對比圖5c可以看出，較低的應(yīng)力速率會促使產(chǎn)生第1階段。綜上所述，峰值應(yīng)力對SLM 316不銹鋼的棘輪效應(yīng)在較高溫度與較低應(yīng)力速率下影響顯著。

圖5 不同峰值應(yīng)力下應(yīng)變率隨循環(huán)數(shù)變化曲線

3 蠕變-疲勞結(jié)果比較

不同峰值保持時間下SLM 316不銹鋼蠕變-疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示?？梢钥闯?，試驗(yàn)初期各循環(huán)曲線接近重合，說明此時棘輪應(yīng)變累積微小，且循環(huán)開始時滯回曲線的開口度較小。

圖6 不同峰值保持時間下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7a為0°試件、峰值應(yīng)力為200 MPa、溫度為750 ℃下不同峰值保持時間對棘輪應(yīng)變的影響，圖7b為前500個循環(huán)內(nèi)不同峰值保持時間下的應(yīng)變-循環(huán)數(shù)變化關(guān)系曲線。從圖7a可以看出，蠕變-疲勞試驗(yàn)與純?nèi)渥冊囼?yàn)的結(jié)果差別較大，說明在峰值保持時間小于5.0 min時材料的使用壽命由疲勞主導(dǎo)。與疲勞試驗(yàn)結(jié)果相似，蠕變-疲勞試驗(yàn)的循環(huán)數(shù)和累積棘輪應(yīng)變的關(guān)系曲線也表現(xiàn)出3個階段特征，如圖7b所示。在不同峰值保持時間下棘輪應(yīng)變的累積具有相同的變化趨勢，延長峰值保持時間會明顯減小第2階段的范圍。棘輪應(yīng)變的增加量在前500個循環(huán)相差較大，峰值保持時間越長越接近蠕變試驗(yàn)，相應(yīng)的應(yīng)變增長越快。當(dāng)峰值保持時間大于0.5 min時，蠕變-疲勞試驗(yàn)與純疲勞試驗(yàn)在相同的循環(huán)數(shù)下棘輪應(yīng)變數(shù)值差別較大，在第100個循環(huán)時保載0.0、0.5、2.0、5.0 min 下 的 應(yīng) 變 值 分 別 為0.13%、0.16%、0.28%和2.75%。

圖8為峰值保持時間對棘輪應(yīng)變率的影響，在前100個循環(huán)內(nèi)不同峰值保持時間下棘輪應(yīng)變率的變化基本一致，在第1個循環(huán)棘輪應(yīng)變率較大，隨后棘輪應(yīng)變率迅速減小，并達(dá)到相對穩(wěn)定值，在最后幾個循環(huán)內(nèi)迅速增加直至斷裂。峰值保持時間越長，斷裂循環(huán)數(shù)越少，對應(yīng)的斷裂應(yīng)變率越大。

圖8 不同峰值保持時間下的應(yīng)變率

圖9為不同峰值保持時間下的應(yīng)變隨循環(huán)數(shù)變化曲線，表明應(yīng)變在最初幾個循環(huán)內(nèi)迅速下降，隨后逐漸趨于穩(wěn)定（約0.05%），峰值保持時間越長，穩(wěn)定階段的應(yīng)變越大。材料在接近斷裂時應(yīng)變迅速增大，不同峰值保持時間下應(yīng)變范圍的增加速度基本一致。

圖9 不同峰值保持時間下應(yīng)變隨循環(huán)數(shù)變化曲線

不同峰值保持時間下SLM 316不銹鋼的蠕變-疲勞壽命如圖10所示。由圖可知，純疲勞壽命遠(yuǎn)大于蠕變-疲勞壽命，這說明峰值保持階段的蠕變和蠕變-疲勞的交互作用顯著促進(jìn)了材料損傷的發(fā)展，即使在較短的峰值保持時間內(nèi)，峰值保持階段的蠕變也顯著影響材料的總變形。

圖10 不同峰值保持時間下的蠕變-疲勞壽命

4 結(jié)論

4.1 溫度550～750 ℃范圍內(nèi)，當(dāng)峰值應(yīng)力大于230 MPa時，棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變率表現(xiàn)為兩階段特征：第1階段相對穩(wěn)定且周期較短，第2階段快速增加且周期相對較長。

4.2 不同峰值應(yīng)力下的棘輪應(yīng)變累積差異較大。在溫度為750 ℃、應(yīng)力率為2 MPa/s時，應(yīng)力為230、260、290 MPa下第17個循環(huán)的棘輪應(yīng)變分別為0.46%、12.49%、12.70%，說明290 MPa下的棘輪應(yīng)變幾乎為230 MPa時的28倍。

4.3 峰值保持階段的蠕變和蠕變-疲勞的交互作用顯著促進(jìn)了材料損傷的發(fā)展，即使在較短的峰值保持時間內(nèi)，峰值保持階段的蠕變也會顯著影響材料的總變形，導(dǎo)致純疲勞壽命遠(yuǎn)大于蠕變-疲勞壽命。