摘要: 奥氏体不锈钢由于具有优异的耐腐蚀性能和良好的力学性能，而被广泛应用于石油化工、医疗器械、交通运输和日常生活等领域。增材制造作为一种材料-结构-性能一体化成形先进制造技术，已成为进一步拓展奥氏体不锈钢应用领域的重要手段。然而，增材制造... 展开 奥氏体不锈钢由于具有优异的耐腐蚀性能和良好的力学性能，而被广泛应用于石油化工、医疗器械、交通运输和日常生活等领域。增材制造作为一种材料-结构-性能一体化成形先进制造技术，已成为进一步拓展奥氏体不锈钢应用领域的重要手段。然而，增材制造奥氏体不锈钢过程中，存在着较为严重的合金元素烧损以及极易引起制品组织粗大等问题，从而对奥氏体不锈钢使用性能产生不利影响。针对这一问题，本文提出“以粉芯丝材作为增材制造用材，凭借其特有的皮包粉抗损结构和梯度传热效应实现减少合金元素的烧损，并通过将粉芯中部分Ni元素纳米化以及添加稀土如CeO2实现晶粒的细化”的新思路。研究中，以奥氏体不锈钢中应用最为广泛的304不锈钢为对象，较为系统地开展了粉芯丝材增材制造奥氏体不锈钢工艺、组织与性能研究，旨在为奥氏体不锈钢增材制造发展提供技术支撑。 本文的主要工作和取得的主要结果如下： （1）研究了304不锈钢粉芯丝材的制备与其增材制造工艺。通过对粉芯丝材配材方案设计、不锈钢圆管软化退火处理、振动填粉、丝材减径等的研究，获得了304不锈钢粉芯丝材的制备工艺，并制备出微米粉芯丝材、掺杂10%、30%和50%纳米Ni的粉芯丝材以及加入0.1%、0.3%和3%CeO2的粉芯丝材等7种本文研究用粉芯丝材；同时，利用simufactwelding软件对304不锈钢增材制造过程中的温度场进行了数值分析，通过改变电流I、扫描速度V获取不同增材制造工艺参数下的温度场分布，以沉积层首中尾三个监测点处最高温度的最小温度差作为衡量标准，得出本文研究中所采用粉芯丝材电弧增材制造304不锈钢的较优参数，即电流I=190A、电弧扫描速度V=0.2m/min。从而，为本文开展粉芯丝材增材制造奥氏体不锈钢组织和性能研究奠定材料基础和工艺基础。 （2）分析了增材制造304不锈钢的微观组织。对比了实心丝材、药芯丝材、微米粉芯丝材、掺杂不同比例纳米Ni的粉芯丝材和加入不同含量CeO2的粉芯丝材增材制造304不锈钢的微观组织和化学成分。研究表明：与实心丝材相比，药芯丝材和粉芯丝材增材制造304不锈钢的晶粒更加细小，但药芯丝材制造304不锈钢组织中存在着较多焊渣夹杂，同时EDS结果表明三种丝材中粉芯丝材增材制造过程中元素烧损最小，尤其是抗腐蚀元素Cr的烧损仅为实心丝材增材制造时的约40%；而在粉芯丝材中掺杂纳米Ni，虽有一定细化增材制造组织的作用，但加剧了304不锈钢另一重要元素Ni的烧损，如当掺杂50%纳米Ni时Ni元素相较于其原始成分下降了约23%；此外，添加CeO2粉芯丝材增材制造对组织具有较好的改善效果，尤其是体现在晶粒细化方面，但添加量不宜过大。 （3）考察了增材制造304不锈钢的耐腐蚀性能。对比了不同种类丝材、掺杂不同比例纳米Ni和加入不同含量CeO2的粉芯丝材增材制造304不锈钢在3.5%NaCl中的极化曲线、Nyquist图、Bode图和腐蚀形貌。研究表明：三种丝材增材制造304不锈钢的抗腐蚀能力为粉芯丝材gt;实心丝材gt;药芯丝材；同时，随着纳米Ni掺杂比例的增加，粉芯丝材增材制造304不锈钢耐腐蚀性能恶化；此外，随着CeO2添加量的增加，粉芯丝增材制造304不锈钢的耐腐蚀性能先提高后下降。分析认为，粉芯丝材增材制造304不锈钢表现出良好耐腐蚀性，与其抑制了钝化膜主要组成元素Cr的烧损以及晶粒细化直接相关；而纳米Ni掺杂造成粉芯丝材增材制造304不锈钢耐腐蚀性能的下降，则与其造成Ni元素烧损较大有关；同时，CeO2添加量对耐腐蚀性能的影响，则与其对组织的影响是一致的。 （4）考察了增材制造304不锈钢的力学性能。对比了不同种类丝材、掺杂不同比例纳米Ni和加入不同含量CeO2的粉芯丝材增材制造304不锈钢的抗拉强度、延伸率、断口形貌和硬度。研究表明：粉芯丝材增材制造304不锈钢，相较于实心丝材和药芯丝材而言具有更好的力学性能，其抗拉强度、延伸率和硬度分别为568.4MPa、48.63%和212.9HV；分析认为，相较于粉芯丝材而言，实心丝材增材制造304不锈钢存在更严重的Cr元素烧损及元素烧损时蒸汽逸出造成的大尺寸气孔，进而导致其力学性能下降；而药芯丝材增材制造304不锈钢力学性能下降，则是由于其层间残留的焊渣夹杂造成的。同时，粉芯丝材纳米Ni掺杂和添加CeO2改性对增材制造304不锈钢力学性能的影响，表现出与耐腐蚀性类似的规律，其作用机制仍是纳米Ni掺杂导致的Ni元素烧损加剧和CeO2添加带来的组织细化。 综上可见，粉芯丝材作为奥氏体不锈钢增材制造用材极具发展前景，同时稀土改性较自身元素纳米化对进一步提升粉芯丝材增材制造奥氏体不锈钢效果更佳。 收起