图 1工业纯铁粉末的微观形貌
Figure 1.Micromorphology of industrial pure iron powder
0. 引言
选区激光熔化（selective laser melting，SLM）是一种相对成熟的增材制造工艺，具有生产周期短，可成形复杂结构件等优点[1-2]，但其快速加热和冷却的成形特点会使熔池形成较高的温度梯度，导致材料内部产生较高的残余应力[3]。在腐蚀环境中服役时，在外部应力与内部残余应力的共同作用下，工件会在毫无征兆的情况下发生应力腐蚀开裂（stress corrosion cracking，SCC）[4]而失效。因此，研究SLM成形工件的应力腐蚀行为具有重要意义。
UJJWAL等[5]通过慢应变速率拉伸试验（slow strain rate tensile，SSRT）发现，增材制造成形ER4043铝合金试样中高残余应力的存在使其在0.6mol·L−1NaCl溶液中的断后伸长率和抗拉强度相较于在空气中明显下降，应力腐蚀敏感性提高，这是腐蚀环境和残余应力共同作用的结果。CHASSE等[6]研究发现：增材制造成形7050-T73铝合金试样在高氧环境的NaCl溶液中的失效应变显著降低，残余应力可能作为裂纹萌生的辅助驱动力，引发合金的晶间SCC。ZHANG等[7]研究了SLM成形304L不锈钢在高温富氢水中的抗应力腐蚀开裂能力，发现成形件中较低含量硅和锰以及较高位错密度能够加速溶质原子扩散，降低晶间氧化倾向，从而提高抗SCC能力。
工业纯铁具有体心立方晶格结构，相比于多元合金，不存在多种元素相互作用和复杂相变对腐蚀与应力相互作用的干扰，因此是研究残余应力对SCC作用机制的理想材料。作者以SLM成形工业纯铁试样为研究对象，通过不同温度固溶+400℃时效处理以调控残余应力，研究了残余应力对成形试样应力腐蚀行为的影响，拟为SLM成形工艺在多元合金应力腐蚀特性方面的研究提供理论参考。
1. 试样制备与试验方法
试验原料为四川荃跃公司提供的工业纯铁粉末，粒径在20~50μm，其形貌见图1，呈球状和椭球状，大颗粒表面吸附着小颗粒；其化学成分（质量分数/%）为0.008Ni，0.029Cr，0.041Co，0.001Mo，0.0038Ti，0.042W，0.012Mn，0.0001Si，0.0038C，0.0546O，0.0024N，余Fe。
采用MLAB cusing R型金属零件3D打印机进行SLM成形，采用氩气保护以防止熔融金属氧化，激光系统为100W连续光纤激光器，光斑直径为100μm，粉层厚度为25μm，扫描速度为800mm·s−1，试验温度为20℃，扫描方式为棋盘式；分别成形出尺寸为8mm×8mm×11mm的块状试样和长45mm、宽14mm、标距35mm的拉伸试样（GB/T 6397—1986《金属拉伸试验试样》），成形方向（z向）为试样厚度方向。在GSL-1700X型真空管式高温烧结炉中对试样进行固溶+时效处理：在大气环境中将试样在1h内分别加热至650，800，950℃，保温0.5h固溶，在1h内降温至400℃，保温0.5h时效，炉冷。
将块状试样用240#~2000#SiC砂纸逐级打磨，抛光，用体积分数4%硝酸乙醇溶液进行腐蚀，采用HIROX KH-1300型数字式三维视频显微镜观察表面显微组织；将试样沿z向从表面向下抛磨至深度分别为0.25，0.50，0.75，1.00mm，腐蚀后观察不同深度处的显微组织。
采用Xstress-3000-G2型残余应力X射线衍射仪进行残余应力测试。为了得到沿z向的残余应力变化，使用饱和NaCl溶液对块状试样进行电解抛光剥层，每次剥层深度为0.25mm，测试不同深度处试样中心位置的x向（试样长度方向）和y向（试样宽度方向）残余应力。
用砂纸打磨拉伸试样标距段表面，用无水乙醇超声清洗后冷风干燥，根据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，采用WDW-50E型微机控制电子式万能试验机在空气和NaCl溶液中分别进行慢应变速率拉伸试验，NaCl溶液中NaCl质量分数分别为3.5%，5.0%，10.0%，应变速率控制在6×10−6s−1。引入综合差值率系数来综合评估应力腐蚀敏感性差异，计算公式如下：
式中：ISCC为综合差值率系数；σsol为不同温度固溶+时效处理后试样在NaCl溶液的抗拉强度；δsol为不同温度固溶+时效处理后试样在NaCl溶液的断后伸长率；σair，δair分别为沉积态试样在空气中的抗拉强度和断后伸长率。
综合差值率系数越大，应力腐蚀敏感性越大。
使用手工锯分离拉伸断口，进行超声清洗以去除断口表面杂质和污染物，干燥，采用Nova NanoSEM450型扫描电子显微镜观察拉伸断口形貌。
2. 试验结果与讨论
2.1 显微组织
由图2可以看出，固溶+时效处理前后SLM成形试样（垂直于z向）的组织均主要为铁素体，铁素体晶界处析出少量三次渗碳体（量少可以忽略不计）。沉积态（固溶+时效处理前）试样的晶粒尺寸较小，晶界不明显；650℃固溶+时效处理后，晶粒尺寸增大，并且随着固溶温度升高而增大，晶界变清晰。固溶+时效处理后SLM成形试样由于晶界能下降，晶粒尺寸明显增大，晶界变得更加清晰，这与BIAN等[8]对316L不锈钢的研究结果类似。由于SLM工艺通过层层叠加成形，后续成形的热量会对前期成形层产生类似“热处理”的作用，使前期成形层发生跨晶界扩展，因此随深度增加，晶粒尺寸增大并趋于规则化，晶界变清晰。
2.2 残余应力
由图3可见：沉积态SLM成形试样表面和内部存在较大残余拉应力；固溶+时效处理后残余拉应力显著降低，这是因为金属原子在热处理过程中受热激发而发生运动调整，从而促进了应力释放[8]。随着固溶温度升高，试样表面和内部残余拉应力下降。当固溶温度为800℃时，残余应力接近于0，此时试样接近无应力状态；当固溶温度达到950℃时，残余应力转变为压应力。固溶+时效处理能够显著降低试样内部的残余应力，且随着固溶温度升高，残余拉应力降低并在950℃固溶+时效后转变为较小的压应力，这种转变使得SLM成形试样内部具有更好的稳定性[9]。综合而言，对于此批次试样，800℃为最优固溶温度。
2.3 应力腐蚀行为
由图4可见，在空气和腐蚀环境中，固溶+时效处理前后SLM成形试样的应力-应变曲线在弹性变形初始阶段趋势基本一致，进入塑性变形阶段后，因残余应力水平存在差异，曲线出现差异[10]。沉积态SLM成形试样内部存在较高残余拉应力，其抗拉强度显著高于固溶+时效处理后的试样；经固溶+时效处理后，随着固溶温度升高，SLM成形试样的抗拉强度降低，但断后伸长率未呈现下降趋势。
随着固溶温度升高，试样晶粒长大且残余应力释放，材料抵抗变形的能力减弱，因此抗拉强度降低，这与黄卫东等[11]对SLM成形TiN/AlSi10Mg合金复合材料组织性能的研究结果类似。随着NaCl溶液浓度增加，沉积态试样的断后伸长率降低，这是因为沉积态试样晶粒较细且残余拉应力较大，在外部拉伸力和Cl−腐蚀的综合作用下高应力区域的点蚀加速。固溶+时效处理后残余应力得到释放且晶粒尺寸增大，抗腐蚀应变能力增强，因此试样的断后伸长率随着NaCl溶液浓度增加未呈现明显下降趋势。
由表1结合残余应力分析可知：沉积态SLM成形试样因内部存在较大残余拉应力，其在较高浓度NaCl溶液（NaCl质量分数不小于5.0%）中的应力腐蚀敏感性较大；固溶+时效处理后，试样内部残余应力降低，在较高浓度NaCl溶液中的应力腐蚀敏感性降低，这是因为固溶+时效处理后晶粒长大，虽然导致材料强度降低，但韧性提高，从而降低了应力腐蚀敏感性[12]。当固溶温度为800℃时，试样内部残余应力接近0，在较高浓度NaCl溶液中相比残余应力水平较大试样，其综合差值系数更小，应力腐蚀敏感性更低，说明低残余应力水平有利于提高材料耐高Cl−浓度腐蚀性能；当固溶温度为950℃时，残余应力转变为压应力，在较高浓度NaCl溶液中的应力腐蚀敏感性增大。随着NaCl溶液浓度增加，沉积态SLM成形试样的应力腐蚀敏感性大幅增大，650，950℃固溶+时效处理后试样的应力腐蚀敏感性变化相对较小，800℃固溶+时效处理后试样的应力腐蚀敏感性先减小后增大。
表 1不同温度固溶+400℃时效处理前后SLM成形试样的应力腐蚀敏感性指标
Table 1.Stress corrosion sensitivity index of specimens formed by SLM before and after solution at different temperatures+aging at 400℃
2.4 断口形貌
由图5可见：沉积态SLM成形试样拉伸断口出现大面积解理面和明显腐蚀凹坑，几乎无韧窝，断裂方式以脆性断裂为主；拉伸断口上还可见未熔粉末颗粒、孔隙等缺陷，这些缺陷在残余拉应力和腐蚀介质共同作用下成为裂纹源，加速裂纹扩展，从而降低耐腐蚀性能[12]；断口表面腐蚀产物堆积严重，进一步降低材料的耐点蚀性能[13]。经过固溶+时效处理后，试样拉伸断口形貌向韧性特征转变：650℃固溶+时效处理后，残余拉应力相较于沉积态显著下降，拉伸断口均出现细小浅平韧窝，裂纹沿着晶界扩展，断裂方式主要为沿晶断裂，当NaCl质量分数为10.0%时，撕裂棱上附着暗色腐蚀产物，拉伸断口中存在部分韧窝；800℃固溶+时效处理后试样内部残余应力接近于0，断口出现河流花样的台阶和解理面，以及大量较深韧窝，韧性断裂比例增加；950℃固溶+时效处理后残余应力转变为压应力，断口韧窝数量增多，存在小区域分布的解理面，韧性断裂比例进一步增加。
综上所述，残余拉应力（800℃时残余应力接近0）降低后，SLM成形试样的断后伸长率未呈下降趋势，应力腐蚀敏感性降低，耐腐蚀性能提升。
3. 结论
（1）沉积态SLM成形工业纯铁中晶粒细小且晶界不明显，内部存在较大的残余拉应力；650~950℃固溶+400℃时效处理后，晶粒长大，晶界清晰，残余应力降低。随固溶温度升高，残余应力下降，当固溶温度为800℃时残余应力接近0，当固溶温度为950℃时转变为压应力。
（2）在较高Cl−浓度（NaCl质量分数不小于5.0%）下，高残余拉应力状态的沉积态试样的应力腐蚀敏感性较高，固溶+时效处理后试样中的残余应力水平降低，应力腐蚀敏感性降低，残余应力接近0时试样的应力腐蚀敏感性小于残余应力水平相对较高试样。随着Cl−浓度增加，沉积态成形试样的应力腐蚀敏感性增大，650，950 ℃固溶+时效后应力腐蚀敏感性变化小，800 ℃固溶+时效后先减小后增大。
（3）沉积态（高残余拉应力）试样的拉伸断口中出现大面积解理面和腐蚀凹坑，呈脆性断裂特征；随着残余应力降低，断口出现韧窝，当残余应力接近0或转变为压应力时呈脆韧混合断裂。
文章来源——材料与测试网