热处理工艺对SLM15-5PH不锈钢力学性能和腐蚀性能的影响研究

李 峰

（太钢集团不锈钢股份有限公司临汾分公司，山西 临汾 041000）

选择性激光熔炼是一种新兴的增材制造工艺，它利用聚焦的激光束选择性地熔炼金属粉末层的某些部分，直接根据其三维数字计算机辅助设计（CAD）数据逐层建立所需的结构。由于材料的分层添加，SLM零件在力学性能上表现出各向异性，这取决于试件的建造方向。从上到下的重复热载荷会导致合金组织的不均匀性和残余应力的产生。此外，由于冷却速度非常快，零件是由金属粉末制成的，在这个过程中形成的微观组织与锻件完全不同。所有这些因素都能显著影响不同的机械性能，而这些性能对它们的功能使用至关重要[1-4]。

为了了解不同热处理工艺对不同相和沉淀物形成的影响，以及其对基础力学性能的作用，本研究进行了一系列的热处理实验，并使用各种技术进行了详细的微观结构表征，研究结果表明与SLM15-5PH不锈钢的拉伸强度、体块硬度、磨损、冲击韧性和腐蚀性能等与电化学性能相关。经过适当的热处理，可以降低SLM15-5PH不锈钢机械性能的各向异性。

1 材料及热处理

本研究使用的材料是SLM15-5PH不锈钢。为了保持惰性气体的环境，建造室中充满了氮气，激光扫描路径以45°旋转。尺寸为25 mm×25 mm×10 mm的测试片垂直沉积，即垂直于激光扫描路径，以进行各种冶金分析。沉积的标本用电火花线切割机从基板上切割。

在马弗炉中进行不同的热处理方案（见表1），即溶剂退火（SA）、SA+过时效H900（MOD）H900（SA）和过时效H900（MOD H900（完成状态（AB））），然后风冷至室温。热处理过程中，炉内氩气保持恒定流量（5 L/min）。老化条件的温度（H900）略高于标准H900条件（525℃），浸泡时间从1 h增加到4 h。由于材料资料表中未明确提及是否对已建SLM试件在时效前进行退火，为了了解固溶退火对时效行为的影响，本文进一步考虑了两种改进的H900条件。

图1-1为水平放置的矩形钢筋。材料沿不同的构造轴逐层沉积，使得SLM零件具有各向异性。使用电火花线切割机床按照ASTME23-16b标准，在矩形棒上的两个不同的面（见图1-2）上刻痕，而不是沿着两个不同的构建轴沉积试样，以研究不同的热带行为。少数试样按照表1所示的热处理时间表进行热处理。为了消除其影响，采用不同等级的碳化硅纸对热处理试样进行机械抛光，直至将其完全去除，然后刻痕并进行进一步测试。为了控制冲击试样的断裂过程，通常在冲击试样上做一个V形缺口，使应力集中在最小截面的区域。

图1 SLM15-5PH不锈钢试验样

2 结果和讨论

2.1 拉伸、硬度、磨损试验

SLM15-5PH不锈钢经过一系列热处理工艺后，对SLM15-5PH不锈钢进行了屈服强度，断裂时的拉伸应变、硬度和磨损率测试，如图2所示。在奥氏体相的存在下SLM15-5 PH不锈钢的硬度降低。因此，在奥氏体相大量存在的情况下，在H1150和MOD H900（AB）条件下，断裂时的拉伸应变相对较高（见图2-2）。硬度（见图2-3）在H1150条件下相对较小。当试样加热到H900、MOD H900（SA）和MOD H900（AB）时效温度时，其屈服强度（见图2-1）和硬度（见图2-3）均有所增加。在这些条件下，材料脆性增加。同时材料的磨损率更高（见图2-4），断裂时的拉伸应变降低（见图2-4），并降低了断裂时的拉伸应变（见图2-2）。随着时效温度进一步升高到621℃，发生过时效。在这种情况下，析出相粗化和恢复奥氏体增加的共同作用提高了韧性（见图2-1），但降低了硬度（见图2-3）。随着延性的增加，磨屑倾向于黏附在表面，从而降低磨损率（见图2-4）。提高时效温度和保温时间对不同的力学性能没有显著影响。时效前固溶退火可使试样析出均匀，断口形貌均匀。不同热处理SLM试样的拉伸试验结果与锻造的15-5PH不锈钢相似。

图2 热处理的SLM和锻造的15-5PH不锈钢试样的性能

2.2 冲击试验

热处理和冲击韧性。在热处理的SLM15-5PH试样的冲击试验后吸收的能量被绘制出来，并以具有误差棒的如图3所示锻造的15-5PH值不锈钢为基准。

图3 SLM和锻造的15-5PH不锈钢冲击试验后的吸收能量

由于逐层沉积，热处理的SLM试样会产生残余应力。此外，由于SLM零件上下表面的热载荷不同，从上到下的微观组织也会不同。这种残余应力和整个试样的不均匀组织可能导致层间不适当的冶金连接，并可作为能量吸收的额外机制。冲击试验后SLM预制试样的断口（见图4-1）也可以支持上述推论，冲击试验后SLM试样的断口表现出较不均匀的韧性拉出，而溶剂退火后的SLM试样则表现出均匀的韧性拉出（见图4-2）。

图4 冲击试验后断口的SEM图像

2.3 腐蚀试验

如下页图5所示，热处理后的SLM15-5PH不锈钢试样的腐蚀电流与电压的关系图。由于热处理导致不同相和析出相的形成，在特定的热处理条件下，有些相和析出相对腐蚀性能起主导作用。建成（AB）SLM试样的点蚀电位大约是溶剂退火（SA）试样的6倍。由于样品是在氮环境中构建的，氮可能会被困在原子间的空隙中，从而使样品的氮含量增加。一旦样品进行溶剂退火，捕获的氮就会溶解。因此，溶剂退火试样的PREN值和点蚀电位较小。这意味着SLM15-5PH不锈钢坑大小增长更快，易形成更大的坑。

图5 热处理的SLM15-5PH值不锈钢的腐蚀电流与电压的关系

相对较大的凹坑尺寸以及凹坑分布的不均匀性，分别是由热应力、残余应力和微观组织不均匀造成的。通过固溶退火，热应力和残余应力降低，得到了均匀的微观组织。因此，点蚀均匀地发生，且凹坑的尺寸更小。由于预制试件比溶剂退火（SA）试件曲线下的封闭面积更大，因此SLM预制试件的腐蚀较高。H900试样的保护电位更正，这意味着电流反向后，凹坑生长的时间更短，因此凹坑尺寸相对较小。而H900试样的凹坑尺寸比SA试样的凹坑尺寸大。

预制SLM试件的腐蚀速率最高，标准时效条件（H900）处理后的试件腐蚀速率最低。与不同热处理变形试样的腐蚀速率相比，其变化规律基本一致。SLM试样在所有情况下的略微较高的腐蚀速率可以归因于亚表面缺陷作为腐蚀位点。由于机械抛光，这些缺陷可能会被磨掉，最初在表面是不可见的。然而，在腐蚀开始后，这些缺陷可能逐渐可见，并增加腐蚀速率。

3 结论

在经过热处理工艺后，SLM15-5PH不锈钢材料易磨损、断裂应变低，但屈服强度和硬度增加。随着时效温度的进一步提高，不锈钢延展性更好。因此，合理选择热处理工艺，可使SLM15-5PH不锈钢零件获得多种力学性能和耐腐蚀性能。