TiC颗粒增强316L不锈钢复合材料选区激光熔化制备及性能研究

摘要

近年来，316L不锈钢因具有高延展性、耐腐蚀性、耐高温、生物相容性等优点在航空航天、医疗、汽车等领域得到了广泛的应用。由于316L不锈钢的低硬度，低强度，耐磨性差等特点，使得316L不锈钢的应用又受到限制。本文以TiC颗粒和316L不锈钢粉末为原材料，利用SLM技术，成功制备出了TiC颗粒增强316L不锈钢复合材料。并通过控制变量的方法对试验工艺参数进行了探究及优化分析，以相对密度和孔隙率为性能指标，研究不同工艺参数对TiC/316L复合材料成形性能的影响并得到最优化的工艺参数。对不同工艺条件下的TiC/316L成形试样进行拉伸性能及断口分析、显微硬度、摩擦磨损性能以及表面形貌分析，探究TiC颗粒的增强机理，建立起工艺-成形质量-微结构-性能之间的关系。研究结果表明: 随着激光功率和扫描速度的增大，TiC/316L成形试样的相对密度和孔隙率都呈现先增大后减小的趋势，且试样的横向面孔隙率较纵向面孔隙率低，并在激光功率为200W、0.6m/s时，TiC/316L试样的相对密度达到最高98.52％，横向面和纵向面孔隙率最低，分别为0.43％和0.59％。另外，提高TiC质量分数，TiC/316L成形试样的相对密度逐渐降低，孔隙率逐渐增加。 通过扫描电子显微镜、能谱分析可知:TiC颗粒与316L不锈钢基体的界面结合良好无明显缺陷及孔洞。对成形试样进行XRD物相分析可知，TiC/316L复合材料中只有γ-Fe和TiC两相组成，无其他新相生成。 不同工艺参数下TiC/316L试样的拉伸试验结果表明:提高TiC质量分数，TiC/316L试样的抗拉强度明显增加，且在TiC质量分数为6％时，抗拉强度达到最大为1102.2MPa，断裂应变为14.21％，相较于纯316L不锈钢而言，抗拉强度增加41.5％。另外，改变激光功率和扫描速度对3wt％TiC/316L成形试样的抗拉强度影响较小。分析TiC/316L试样的断口发现，断口呈现明显的韧性断裂。对TiC/316L复合材料显微硬度的测试结果显示:改变激光功率和扫描速度对TiC/316L复合材料的显微硬度影响不大，波动范围较小。但TiC/316L复合材料的显微硬度随着TiC颗粒质量分数的增大而明显升高。其中，纯316L不锈钢的显微硬度值为220.2HV，随着TiC质量分数的增大至9％时，TiC/316L复合材料的显微硬度值增加至343.7HV。另外，在摩擦磨损试验中，TiC质量分数从0％增加到9％时，TiC/316L复合材料的磨损率从2.705×10-4mm3/N·m降低到1.128×10-4mm3/N·m，相比于纯316L不锈钢来说，磨损率降低58.3％。由此可知，在316L不锈钢基体中加入TiC颗粒增强相可以显著降低材料的磨损率，从而提高TiC/316L复合材料的耐磨性能。