一種具有優(yōu)異蠕變性能的增材制造316L不銹鋼的蠕變行為及其斷裂機理

來源：結(jié)構(gòu)完整性聯(lián)盟
作者：潘宇杰

業(yè)界對不銹鋼的關(guān)注通常跟汽車制造領(lǐng)域相關(guān)聯(lián)，不過航空航天、能源等領(lǐng)域?qū)Σ讳P鋼材料的采用正在呈多樣化需求發(fā)展趨勢。一個典型的案例是SpaceX的一大努力是將材料經(jīng)可能多的用不銹鋼來替代，最初能避免被替換掉的是那些暴露在高溫富氧氣體燃燒環(huán)境中的零件，但最終Elon Musk成功地將大部分零件材料都換成了不銹鋼。在SpaceX建造全尺寸星艦（Starship）之際，Elon Musk表示，由于使用了鋼材，因此一枚火箭的材料花費不需要4-5億美元，僅需1000萬美元，并且它將是可重復使用的飛船 。鋼不僅僅低成本，一個重要優(yōu)勢是其熔點高，其中鉻鎳含量高的不銹鋼即使在-160°C 的溫度下也能保持足夠的延展性和強度。

不僅僅是航空航天，根據(jù)《中國核動力研究設(shè)計院：核電用316L不銹鋼粉末增材制造研究現(xiàn)狀》，鋼在核電領(lǐng)域的應(yīng)用也頗具潛力，增材制造316L不銹鋼的組織與性能存在各向異性，但各向異性可通過增材制造的后處理技術(shù)消除。目前增材制造最為常用的后處理技術(shù)為熱處理。與鍛造316L不銹鋼相比，經(jīng)熱等靜壓處理的增材制造316L不銹鋼的力學性能與輻照性能更優(yōu)。目前，核用不銹鋼的增材制造技術(shù)還處于起始階段，后續(xù)應(yīng)重點關(guān)注增材制造的成形機理及成形材料中子輻照性能等內(nèi)容。

研究背景
近年來，核能等領(lǐng)域正在積極探索增材制造技術(shù)應(yīng)用的可能性。增材制造（AM）316L不銹鋼具有較高的技術(shù)成熟度和優(yōu)異的常溫和高溫力學性能，被認為是最有可能率先通過核安全審核、實現(xiàn)核用的增材制造材料。AM 316L的成型過程使其微觀組織顯著不同于傳統(tǒng)工藝制備的材料，打印組織如柱狀晶、位錯胞、元素偏析和納米顆粒氧化物等都可能影響材料的力學性能。蠕變作為材料在高溫承載工況下最基本的變形模式，獲取AM 316L的基礎(chǔ)蠕變數(shù)據(jù)并理解打印微觀組織與蠕變性能之間的構(gòu)效關(guān)系，是保證該類材料在高溫蠕變工況下安全使用的前提。針對當前AM 316L長時間蠕變數(shù)據(jù)缺失和變形機理研究不足的現(xiàn)狀，該研究在600 ℃和名義應(yīng)力235-360 MPa條件下，開展了激光粉末床熔融制備的316L原始材料（注：AM 316L）及其同成分完全再結(jié)晶態(tài)材料（注：Re 316L）的蠕變試驗，并將試驗結(jié)果和文獻數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)該AM 316L具有超過傳統(tǒng)316材料的優(yōu)異蠕變性能，隨后分析了背后的變形和斷裂機理。

研究成果

（1）圖1展示了本文所使用的拉伸和蠕變試樣的取樣示意圖，其中，垂直（Vertical）試樣代表加載應(yīng)力平行于打印方向，水平（Horizontal）試樣代表加載應(yīng)力垂直于打印方向。圖2總結(jié)了AM 316L和Re 316L在600 ℃不同加載應(yīng)力下的蠕變性能?？梢杂^察到，在所有加載應(yīng)力條件下，AM 316L都展現(xiàn)了較Re 316L材料更為優(yōu)異的蠕變抗性，即顯著降低的最小蠕變速率和更長的蠕變壽命。例如，在300 MPa的應(yīng)力條件下，AM 316L的最小蠕變速率比Re 316L降低了近3個數(shù)量級，蠕變壽命是Re 316L的50倍以上。但與此同時，AM 316L表現(xiàn)出蠕變各向異性以及在長時蠕變條件下有限的蠕變延性。作者將文中得到的蠕變性能與文獻中記載的數(shù)據(jù)進行了對比（圖3），發(fā)現(xiàn)Re 316L的蠕變性能落在傳統(tǒng)316L的范圍內(nèi)，而AM 316L的蠕變性能明顯優(yōu)于同牌號316L。

▲圖1 （a）拉伸和蠕變試樣的制備示意圖 （b-c）分別為拉伸和蠕變試樣的尺寸

▲圖2 AM 和Re 316L的單軸蠕變性能匯總：最小蠕變速率（左）、蠕變壽命（中）和蠕變斷裂應(yīng)變（右）

▲圖3 AM和Re 316L的蠕變性能與同牌號316L對比

（2）為了揭示AM 316L和Re 316L的蠕變變形過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化，采用透射電鏡表征了蠕變試驗后的微觀結(jié)構(gòu)（圖4）?？梢杂^察到，在經(jīng)過1936 h的蠕變實驗之后，Re 316L的晶內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量攀移位錯；而AM 316L中穩(wěn)定的位錯胞結(jié)構(gòu)與蠕變變形產(chǎn)生的位錯纏繞形成更加復雜的位錯組態(tài)，這些位錯結(jié)構(gòu)可進一步阻礙蠕變位錯的運動，從而限制了晶內(nèi)變形，并導致了較低的蠕變速率。AM 316L中各向異性的蠕變速率可能是由柱狀晶和位錯胞結(jié)構(gòu)生長的取向差異引起，水平試樣中位錯運動受到晶界以及位錯胞壁的阻礙作用更頻繁、運動自由程更短，蠕變速率更小。

▲圖4 Re 316L（a，b）和AM 316L（c，d）在235MPa蠕變試驗之后的位錯結(jié)構(gòu)

（3）圖5展示了AM 316L斷裂樣品斷口附近的縱剖面形貌?？梢杂^察到，裂紋和孔洞在晶界附近的薄層析出相附近萌生、聚合并擴展，最終導致沿晶斷裂。隨著蠕變過程的進行，這些薄層硬質(zhì)沉淀相的析出可能會加劇晶界附近的局部應(yīng)力集中，促進蠕變孔洞的形核，并降低晶界滑動能力，從而降低材料的蠕變延性。因此，本研究進一步分析了AM 316L中的析出相。圖6展示了隨著蠕變時間的延長，AM 316L的高角度晶界上逐漸形成了富含鉬（Mo）的析出相薄層，其富集程度隨著蠕變時間的增加而增加。根據(jù)析出相的成分推測，該相為脆性萊氏相。然而，在Re 316L中并未觀察到這種類型的析出相，證明初始組織差異導致了AM 316L和Re 316L不同的相析出行為。此外，AM 316L中沿打印方向生長的長直柱狀晶在受到水平加載時，更高比例的晶界暴露在正應(yīng)力下，更有利于蠕變裂紋的擴展，從而導致水平樣品較豎直樣品更有限的蠕變延性。

▲圖5 AM 316L蠕變斷口附近的縱剖面形貌

▲圖6 AM和Re 316L在不同老化時間作用后高角度晶界的元素分布變化以及析出相分布：（a-c）AM 316L（d）Re 316L（e-g）AM 316L晶界元素線掃結(jié)果

該研究證明AM 316L穩(wěn)定的位錯胞結(jié)構(gòu)可以有效阻礙位錯運動，顯著降低蠕變變形速率，延緩裂紋萌生時間，從而大幅提高材料的蠕變壽命。AM 316L的打印組織可能導致蠕變各向異性和長時蠕變后蠕變延性的下降，需引起關(guān)注。

引文格式：GB/T 7714   

Pan Y, Hu H, Wang K, et al. Creep Behavior and Fracture Mechanism of an Additively Manufactured 316L Stainless Steel with Extraordinary Creep Resistance[J]. Mechanics of Materials, 2024: 105053.

MLA   
Pan, Yujie, et al. "Creep Behavior and Fracture Mechanism of an Additively Manufactured 316L Stainless Steel with Extraordinary Creep Resistance." Mechanics of Materials (2024): 105053.

APA   
Pan, Y., Hu, H., Wang, K., Dong, N., Qiu, R., Wen, J. F., Song, M., & Tu, S. T. (2024). Creep Behavior and Fracture Mechanism of an Additively Manufactured 316L Stainless Steel with Extraordinary Creep Resistance. Mechanics of Materials, 105053.

該項目獲國家自然科學基金、中國核工業(yè)集團公司領(lǐng)創(chuàng)項目等資助。本文第一作者：潘宇杰（華東理工大學）；通訊作者：溫建鋒（華東理工大學）、宋淼（上海交通大學）。