Структура и свойства коррозионно-стойкой стали, полученной селективным лазерным плавлением

Объектами исследования являлись порошок нержавеющий стали 12Х18Н10Т фракции 20–63 мкм и полученные на его основе методом селективного лазерного плавления (СЛП) экспериментальные образцы. Порошок получали распылением аргоном при температуре 1640 °С и давлении 27 бар. Структура частиц – дендритно-ячеистая, при этом с уменьшением их размера (<35 мкм) преобладает ячеистая структура, а дендритная практически исчезает. Характерный размер частиц – d50 = 37 мкм, d100 = 67 мкм. Дифференциальная кривая распределения близка к гауссову виду, а несимметричность связана с сателлитностью и присутствием в небольшом количестве частиц размером менее 20 мкм. Текучесть порошка составляла 3,27 г/с, а насыпная плотность – 4,41 г/см3. Плотность выращенных на установке «Concept Laser M2» при мощности лазера 180 Вт и скорости 700 мм/с образцов стали 12Х18Н10Т в среднем соответствовала 7,89 г/см3. Поскольку плотность компактной стали равна 7,95 г/см3, то полученный материал был достаточно высокоплотным. Микроструктура образца 12Х18Н10Т характеризовалась сплошностью, отсутствием пор и трещин и представляла собой твердый раствор аустенита. Средний размер областей когерентного рассеяния в объеме зерна составлял 19 нм. Наблюдаемые дугообразные границы раздела параллельных полукруглых треков обусловлены отводом тепла при кристаллизации в процессе СЛП. При этом удлиненные кристаллиты в треках ориентированы вовнутрь от дугообразной границы. Микротвердость образцов в поперечной плоскости шлифа выше микротвердости планарной плоскости. При этом микротвердость образцов, полученных из порошка методом СЛП, выше, чем у сплава стандартного компактного. Предел прочности и относительное удлинение составляют 651 МПа и 47 % соответственно. Повышение прочности обусловлено, вероятно, измельчением при СЛП структурных параметров. Поверхность изломов образцов характеризуется ярко выраженным вязким типом.

распыленные порошки, селективное лазерное плавление, аустенитная сталь, структура, механические свойства

1. Brandt M. The role of lasers in additive manufacturing. In: Laser additive manufacturing. Woodhead Publ., 2017. Р. 1—18.

2. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технология аддитивного производства. М.: Техносфера, 2016.

3. Frazier W.E. Metal additive manufacturing: A review. J. Mater. Eng. Perform. 2014. No. 23. P. 1917—1928. DOI: 10.1007/s11665-014-0958-z.

4. Zhang B., Dembinski L., Coddet C. The study of the laser parameters and environment variables effect on mechanical properties of high compact parts elaborated by selective laser melting 316L powder. Mater. Sci. Eng. A. 2013. Vol. 584. P. 21—31. DOI: 10.1016/j.msea. 2013.06.055.

5. Yap C.Y., Chua C.K., Dong Z.L., Liu Z.H., Zhang D.Q., Loh L.E., Sin S.L. Review of selective laser melting: Materials and applications. Appl. Phys. Rev. 2015. Vol. 2. P. 041101. DOI: 10.1063/1.4935926.

6. Emmelmann C., Kranz J., Herzog D., Wycisk E. Laser additive manufacturing of metals. In: Laser technology in biomimetics. Eds. V. Schmidt, M.R. Belegratis. Heidelberg: Springer, 2013. Р. 143—161.

7. Meiners W., Wissenbach K., Poprawe R. Laser additive manufacturing of metallic components: Materials, processes and mechanisms. Int. Mater. Rev. 2012. No. 57 (3). P. 133—164.

8. Kruth J.P., Froyen L., Van Vaerenbergh J., Mercelis P., Rombouts M., Lauwers B. Selective laser melting of iron based powder. J. Mater. Process. Technol. 2004. Vol. 149. P. 616—622. DOI:10.1016/j.jmatprotec.2003.11.051.

9. Zhongji Sun, Xipeng Tan, Shu Beng Tor, Wai Yee Yeong. Selective laser melting of stainless steel 316L with low porosity and high build rates. Mater. Design. 2016. Vol. 104. P. 197—204.

10. Chunlei Qiu, Mohammed Al Kindi, Aiman Salim Aladawi, Issa Al Hatmi. A comprehensive study on microstructure and tensile behaviour of a selectively laser melted stainless steel. Sci. Rep. 2018. Vol. 8. Article 7785. DOI: 10.1038/ s41598-018-26136-7.

11. Herzog D., Seyda V., Wycisk E., Emmelmann C. Additive manufacturing of metals. Acta Mater. 2016. Vol. 117. P. 371—392.

12. Won Y.-M., Thomas B.G. Simple model of microsegregation during solidification of steels. Metall. Mater. Trans. A. 2001. Vol. 32. No. 7. P. 1755—1768.

13. Bracconi P., Gasc G. Surface characterization and reactivity of a nitrogen atomized 304L stainless steel powder. Metall. Mater. Trans. A. 1994. Vol. 25. No. 3. P. 509—520.

14. Kelly T.F., Cohen M., Vander Sande J.B. Rapid solidification of a droplet-processed stainless steel. Metall. Trans. A. 1984. Vol. 15. No. 5. P. 819—833.

15. Барахтин Б.К., Жуков А.С., Деев А.А. Влияние химического состава порошкового сырья на прочность материала после селективного лазерного плавления. Металловедение и терм. обраб. металлов. 2018. No. 6. С. 48—52.

16. Барахтин Б.К., Жуков А.С., Бобырь В.В., Шакиров И.В., Кузнецов П.А. Факторы повышения прочности металлов, полученных селективным лазерным сплавлением порошков. Вопр. материаловедения. 2018. No. 3 (95). С. 68—75.

17. Zhong Y., Liu L., Wikman S., Cui D., Shen Z. Intragranular cellular segregation network structure strengthening 316L stainless steel prepared by selective laser melting. J. Nucl. Mater. 2016. Vol. 470. P. 170—178.

18. Zietala M., Durejko T., Polanski M., Kunce I., Plocinski T., Zielenski W., Lazinska M., Stepniowski W., Czujko T., Kurzydlowski K.J. The microstructure, mechanical pro perties and corrosion resistance of 316L stainless steel fabricated using laser engineered net shaping. Mater. Sci. Eng. A. 2016. Vol. 677. P. 1—10.

19. Грязнов М.Ю., Шотин С.В., Чувильдеев В.Н. Эффект мезоструктурного упрочнения стали 316L при послойном лазерном сплавлении. Вестн. Нижегород. ун-та им. Н.И. Лобачевского. 2012. No. 5 (1). С. 43—50.

20. Гончаров И.С., Васильева О.В., Кузнецов П.А., Бобырь В.В., Петров С.Н. Структура и свойства коррозионностойких сталей различных классов марок 316L, 410L и 17-4Ph, изготовленных селективным лазерным сплавлением порошков. Новости материаловедения. Наука и техника. 2015. No. 5. С. 26—32.

21. Chunlei Qiu, Mohammed Al Kindi, Aiman Salim Aladawi, Issa Al Hatmi. A comprehensive study on microstructure and tensile behaviour of a selectively laser melted stainless steel. Sci. Rep. 2018. No. 8. Article 7785.

22. Суфияров В.Ш., Борисов Е.В., Полозов И.А., Масайло Д.В. Управление структурообразованием при селективном лазерном плавлении. Цвет. металлы. 2018. No. 7. С. 68—74.

23. Ma M., Wang Z., Zeng X. A comparison on metallurgical behaviors of 316L stainless steel by selective laser melting and laser cladding deposition. Mater. Sci. Eng. A. 2017. Vol. 685. P. 265—273.

24. Gray III G.T., Livescu V., Rigg P.A., Trujillo C.P., Cady C.M., Chen S.R., Carpenter J.S., Lienert T.J., Fensin S.J. Structure/property (constitutive and spallation response) of additively manufactured 316L stainless steel. Acta Mater. 2017. Vol. 138. P. 140—149. DOI: 10.1016/j. actamat.2017.07.045.

25. Brytan Z. Comparison of vacuum sintered and selective laser melted steel AISI 316L. Arch. Metall. Mater. 2017. Vol. 62. No. 4. P. 2125—2131. DOI: 10.1515/amm-20170314.