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引文格式：
Kan W H, Portella Q, Chemkhi M, et al. Enhancing mechanical properties of laser powder bed fused 316L stainless steel through heat and surface mechanical attrition treatments[J]. Materials Science and Engineering: A, 2024: 146862.
Kan, W. H., et al. "Enhancing mechanical properties of laser powder bed fused 316L stainless steel through heat and surface mechanical attrition treatments." Materials Science and Engineering: A (2024): 146862.
Kan, W. H., Portella, Q., Chemkhi, M., Proust, G., Garbrecht, M., Cairney, J. M., & Retraint, D. (2024). Enhancing mechanical properties of laser powder bed fused 316L stainless steel through heat and surface mechanical attrition treatments. Materials Science and Engineering: A, 146862.
背景简介
若要发挥增材制造（Additive Manufacturing，AM）提供的自由形状设计优势，通常意味着需要在组件内构建更薄的结构。此时，零部件内部的强残余应力可能需要通过热处理缓解。实际上，AM工艺固有的位错和溶质偏析对材料的力学性能来说是非常理想的。因此，应尽可能避免对增材制造的316L部件进行热处理，以防止位错胞解体以及溶质偏析元素扩散。而为了获得更高的强度，就需要其他的机械处理方法。其中，表面机械磨损机械处理 (Surface Mechanical Attrition Treatment，SMAT) 利用超声波焊头将球形弹丸喷射撞击零件表面而使零件表面变形，是一种很有效的表面强化方法。如果要应用SMAT来改善表面特性和机械性能，则可能需要将SMAT和热处理相结合。此时，处理的顺序成了关键问题。因此，本研究的目的是研究不同热处理温度应用于SMAT处理之前或之后对激光粉末床熔融 (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) 的316L部件的微观组织和机械性能的影响。根据这项研究的结果，可以就如何在需要特定后处理热处理的LPBF 316L零件上应用SMAT提出建议。
成果介绍
（1）如图1所示，SMAT处理后，LPBF 316L的表面和亚表面由于大的塑性变形导致表征的解析率很低，且材料内部出现了纳米晶粒，还在其下发现了孪晶。纳米晶粒的形成仅发生在距离表面300nm以内。在这个区域之外，晶粒表现出高度变形的状态，其晶粒直径大约小两个数量级。此外，LPBF 316L的纳米晶粒层厚度远小于传统钢，可能是由于位错胞阻碍了应变诱导位错的运动。
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图1 SMAT后的 (Transmission Kikuchi Diffraction，TKD) 扫描结果，顶部是处理表面。（b）（d）中红色是孪晶边界，（e）中红色指马氏体，（f）（g）为放大图
（2）如图2所示，热处理（时长均为1h）基本不影响晶粒形貌，因此热处理之后进行SMAT（图3）和SMAT后再进行热处理（图4）的晶粒形貌相差不大，表面同样因为变形程度大所以解析率不高。
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图2 经过不同温度热处理（400、600、800和1000℃）后的表面晶粒形貌
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图3 不同温度热处理后进行SMAT的表面晶粒形貌
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图4 SMAT后进行不同温度热处理的表面晶粒形貌
（3）如图5a所示，在硬度方面，没有进行SMAT的情况下，高于600℃的热处理过程中，由于位错胞部分解体会导致硬度下降。当热处理后应用SMAT时（图5b），所有HT-S样品在距表面200μm的范围内硬度都有所增加。而图4c中硬度的变化突出了胞状结构的重要性，因为在应用SMAT后在600 °C或更低温度下进行热处理的样品在误差范围内具有基本相同的硬度分布。由于胞状结构的部分消解，当材料在 800 °C下进行热处理时，尽管SMAT的硬化仍然存在，材料的整体硬度显著降低。在1000 °C时，SMAT的大部分影响被消除，整个材料的硬度分布相对更加均匀。
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图5 （a）热处理、（b）HT-S和（c）S-HT处理后的硬度测试结果
（4）本文的拉伸结果如图6和表1所示，在打印状态下，样品（HT20）的屈服强度约为480 MPa。当残余应力消除时，屈服强度通常保持不变（HT600）。另一方面，当胞状结构解体时，屈服强度降低了120 MPa。当SMAT应用于打印样品时，屈服强度增加了约85 MPa。然而，如果先对打印样品进行应力消除，则可以实现屈服强度更高的增加，约105 Mpa。在误差范围内，在应力消除处理之前或之后应用SMAT仍然没有显着差异（比较HT400-S和S-HT400，以及HT600-S和S-HT600）。这可能是因为在400 °C和600 °C时，SMAT引起的变形和胞状结构不受热处理顺序影响。另一方面，随着应力消除和细胞结构的解体，SMAT诱导的强度增加显著，约150 Mpa。基于这些结果，无论选择何种热处理温度，都应在SMAT之前进行热处理，因为SMAT可以在一定程度上减轻由胞状结构解体引起的强度和硬度降低。
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图6 不同热处理温度下的拉伸测试结果：（a）屈服强度，（b）极限抗拉强度和（c）均匀延伸率。灰线表示打印态样品，红线表示SMAT样品的测试结果
表1 不同样品之间的比较，以突出热处理或SMAT对屈服强度的相对贡献
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致谢
作者感谢悉尼显微镜与微分析公司的技术和科学帮助，以及Cecilie Funch博士对TKD图谱的绘制的帮助。作者还要感谢 Aube Department Council（法国）和欧洲（FEDER）的财政支持。本文第一作者：W.H. Kan (The University of Sydney)，通讯作者：W.H. Kan (The University of Sydney) & D. Retraint（University of Technology of Troyes）
本期小编 潘宇杰（整理）
董乃健（校对）
程 航（审核）
董乃健（发布）
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