業界對不鏽鋼的關注通常跟汽車制造領域相關聯，不過航空航天、能源等領域對不鏽鋼材料的采用正在呈多樣化需求發展趨勢。一個典型的案例是SpaceX的一大努力是将材料經可能多的用不鏽鋼來替代，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境中的零件，但最終Elon Musk成功地将大部分零件材料都換成了不鏽鋼。在SpaceX建造全尺寸星艦（Starship）之際，Elon Musk表示，由于使用了鋼材，是以一枚火箭的材料花費不需要4-5億美元，僅需1000萬美元，并且它将是可重複使用的飛船 。鋼不僅僅低成本，一個重要優勢是其熔點高，其中鉻鎳含量高的不鏽鋼即使在-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《中國核動力研究設計院：核電用316L不鏽鋼粉末增材制造研究現狀》，鋼在核電領域的應用也頗具潛力，增材制造316L不鏽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後處理技術消除。目前增材制造最為常用的後處理技術為熱處理。與鍛造316L不鏽鋼相比，經熱等靜壓處理的增材制造316L不鏽鋼的力學性能與輻照性能更優。目前，核用不鏽鋼的增材制造技術還處于起始階段，後續應重點關注增材制造的成形機理及成形材料中子輻照性能等内容。
本期，通過聚焦近期國内在不鏽鋼增材制造方面的實踐與研究的多個閃光點，3D科學谷與谷友一起來領略的這一領域的研究近況。
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2205雙相不鏽鋼在增材制造和
熱處理過程中組織和力學性能的變化
袁雪婷1,2李銀山2臧偉1,2,3郭克星2馬璇1,2董超1,2
1.中油國家石油天然氣管材工程技術研究中心有限公司 2. 中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司3. 陝西省高性能連續管重點實驗室
摘要：
為了研究雷射粉末床熔融（LPBF）過程中雙相不鏽鋼的固态相變和力學性能的變化規律，采用電子背散射衍射（EBSD）、電子探針（EPMA）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、原子探針層析技術（APT）和力學性能測試等方法對材料性能進行了表征。結果顯示，采用LPBF技術制備的雙相不鏽鋼（DSS）組織多為鐵素體，柱狀鐵素體晶粒沿BD方向生長，具有很強的織構，相比于正常制造DSS屈服強度和極限抗拉強度得到了較大程度的提升，但延性下降。對采用LPBF技術加工的2205雙相不鏽鋼進行1 000℃退火處理後，組織可恢複到相平衡狀态，塑性得到明顯提高，-110℃時表現出優良的沖擊韌性。此外，LPBF試樣具有較高的強度和較低的塑性，這主要是因為鐵素體組織中的N過飽和度更高，形成的Cr2N顆粒較多，因而位錯密度較大，熱處理後，細小的奧氏體晶粒彌散分布在鐵素體基體中，在塑性變形時形成孿晶并導緻位錯塞積，進而抑制鐵素體發生塑性變形，使材料具備較大的塑性變形容限。
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SLM增材制造重熔次數對316L構件
表面粗糙度及磨損性能的影響
李強1,2劉送永1王慶陽2
1.中國礦業大學機電工程學院2. 宿州學院機械與電子工程學院
摘要：
重熔次數對選區雷射熔融增材制造構件表面粗糙度及耐磨性能有重要影響，研究其影響機理及确定經濟重熔次數對發展選擇性雷射熔化增材制造技術具有重要意義。采用選區雷射熔融增材制造裝置制備316L樣件，在樣件制備過程中分組進行0、1、2、3次雷射重熔，對不同雷射重熔次數下的樣件表面利用三維輪廓掃描器、掃描電子顯微鏡等進行表征，利用高速往複摩擦磨損試驗機對樣件進行了摩擦磨損試驗，利用電子分析天平測定了磨損前後的品質，對表征及磨損性能進行分析。結果表明：SLM增材制造樣件表面粗糙度随重熔次數的增加而逐漸減小，重熔後的平均表面粗糙度Sa、Sq、Sv、Sz值分别從0次重熔(正常列印)的8.437、11.88、82.68、252.2μm降低到了三次重熔的6.18、7.735、37.597、104.36μm，分别降低26.75%、34.89%、54.53%、58.62%；随重熔次數的增加平均摩擦因數逐漸增大，品質磨損量逐漸減小；2、3次重熔樣件在磨損試驗的後半段瞬時最大摩擦因數出現了大于1的情況，這是由于在明顯滑動之前出現“接點增長”，接點面積不斷增大，緻使摩擦力超過正壓力。表面粗糙度及摩損性能出現上述變化的原因是每次重熔都會使表面吸附的粉末顆粒及熔接痕進一步融化融陷，直至消失，相鄰熔道搭接處的“峰谷”現象得到抑制，孔隙和球化等缺陷逐漸被修複，表面變得更加平整。研究發現不同重熔次數對表面粗糙度和磨損改變的程度不同；定義了經濟重熔次數概念，1、2、3次重熔次數對表面粗糙度和摩擦磨損性能綜合改變率分别為ζ1=26.61%、ζ2=43.60%、ζ3=23.68%，确定了經濟重熔次數為2；根據研究成果，給出了經濟重熔次數在礦山機械上的應用執行個體提出經濟重熔次數概念并進行了應用，可為提高增材制造構件表面品質和耐磨性能提供新思路。
冷金屬過渡電弧增材制造
CHW-90C鋼組織性能試驗研究
魏文逸 遼甯開放大學[遼甯裝備制造職業技術學院]
摘要：
研究采用電弧熔絲增材制造技術，制備了CHW-90C鋼的薄壁構件。并對其單層沉積層内、薄壁構件整體組織演變以及力學性能進行了系統的試驗研究。結果表明單層沉積層内組織可以分為凝固區和熱影響區，熱影響區可分為正火區和回火區，凝固區的組織主要由塊狀鐵素體組成，而回火區與正火區熱影響區組織則是以針狀鐵素體為主。回火區由于動态再結晶和碳化物的析出，相比于正火區晶粒得到了進一步的細化。薄壁構件的整體組織自下而上較為不均勻，底部為細小的針狀鐵素體和少量的馬氏體，中部為粗大的塊狀鐵素體，頂層為塊狀鐵素體與針狀鐵素體的混合組織。除此之外，試樣整體力學性能存在各向異性，其中水準方向試樣的抗拉強度高于垂直方向，達到了1060 MPa，垂直方向試樣的沖擊韌性高于水準方向，達到了226.6 J。
增材制造低活化鋼
研究現狀及展望
陳偉1,2趙傑3朱利斌4曹海波1 1. 中國科學院合肥物質科學研究院2. 中國科學技術大學3. 安徽彙正電子科技有限公司 4. 合肥工業大學機械工程學院
摘要：
低活化鐵素體/馬氏體(Reduced activation ferritic/martensitic, RAFM)鋼是目前較成熟的聚變堆結構材料，具有低活化特性的納米氧化物彌散強化(Oxide dispersion strengthened, ODS)鋼兼具輻照穩定性和良好的高溫強度，是最有發展前途的聚變堆結構材料。概述了增材制造技術在聚變堆結構材料領域應用的典型案例。圍繞熱輸入量、掃描政策、列印尺寸、粉末特性、熱處理優化等方面分析了增材制造RAFM鋼微觀組織調控和力學性能優化的研究進展。評述了增材制造低活化ODS鋼粉末制備、缺陷控制以及納米相調控的研究政策。最後，總結了增材制造RAFM鋼存在的機遇和低活化ODS鋼面臨的挑戰，對其發展趨勢和技術難點進行了展望。
電弧增材制造T形件螺栓
連接配接節點力學性能試驗研究
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張博1葉俊2,3劉念武1林曉陽2,3王震4湯慧萍4 1.浙江理工大學建築工程學院2. 浙江大學建築工程學院3. 浙江大學平衡建築研究中心4. 浙大城市學院工程學院
摘要：
電弧增材制造(WAAM)技術在結構工程領域有廣泛的應用前景，具有生産效率高、裝置成本低、材料使用率高和環境可持續性等優點。為探究WAAM碳鋼T形件螺栓連接配接節點的力學性能，設計了一系列共12組WAAM碳鋼T形件，與高強鋼(HSS)T形件連接配接形成螺栓連接配接節點試件，通過試驗研究了螺栓線位置與螺栓排列方式對試件初始剛度、破壞模式及極限承載力的影響。首先借助三維雷射掃描技術測量試件相關幾何參數，随後開展力學試驗并采用數字圖像相關技術(DIC)測量節點加載響應。通過對比試驗結果和現有設計規程計算結果，對相關計算方法的适用性與準确性進行評估，最後對已有計算模型進行修正。
結果表明：WAAM碳鋼T形件具有較好的力學性能，當螺栓線與腹闆翼緣連接配接處距離減小時，試件的初始剛度與極限承載力均呈上升趨勢，而失效模式均為預期的翼緣破壞且螺栓未發生斷裂。現有設計方法高估了試件的初始剛度，對破壞模式的預測較為準确，但對極限承載力的預測偏保守，修正後的極限承載力預測模型效果較好，針對WAAM碳鋼T形件螺栓連接配接節點的設計方法仍需進一步研究。
不同預熱溫度下H13鋼表面
電弧增材20Cr9Mo3Ni2鋼的組織與性能
謝津平1曾大新1史秋月1尹一君2 1. 湖北汽車工業學院材料科學與工程學院2. 東風鍛造有限公司
摘要：
在H13鋼基材上電弧增材制造20Cr9Mo3Ni2鋼，研究不同預熱溫度下制件的宏觀形貌、微觀組織和力學性能。結果表明，預熱溫度升高降低制件裂紋形成傾向，預熱溫度高于300℃時，制件無裂紋出現。預熱溫度對制件不同部位組織的影響不同，增材區底部和中部組織在無預熱和預熱溫度為150℃時主要為回火馬氏體，預熱溫度為300℃時為回火馬氏體和淬火馬氏體；預熱溫度為450℃時，底部為馬氏體和少量貝氏體，中部區域主要是馬氏體；預熱溫度對頂部的組織影響較小，頂部組織主要是馬氏體和殘留奧氏體；不同預熱溫度和區域的晶間都有少量鐵素體存在。H13鋼基材熱影響區的組織在預熱溫度低于300℃時為回火馬氏體，預熱溫度為450℃時為粗大的馬氏體。随預熱溫度的升高增材區的抗拉強度升高，伸長率降低，橫向抗拉強度略高于縱向抗拉強度，而橫向伸長率低于縱向伸長率；結合區的抗拉強度比增材區低，預熱溫度低于300℃時試樣斷裂位置位于基材，預熱溫度為450℃時斷裂位置位于基材熱影響區。增材區的硬度在無預熱和預熱溫度為150℃時底部和中部低，頂部高；預熱溫度為450℃時，硬度較高，且從頂部到底部分布比較均勻。可見，預熱溫度跨越Ms點時組織與性能變化大。
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