摘 要

选择性激光熔覆（Selective laser melting，SLM)）作为一种新的增材制造技术^{[1; 2]}，利用高能激光束作用于金属粉末，直接成型复杂结构的金属零件。使用SLM工艺直接制造金属模具，能够缩短工艺周期，提高成型效率，成型模具有望获得良好的力学性能和尺寸精度。

通过SLM工艺成型得到的40Cr13不锈钢尚未得到广泛应用，其诸多性能还有待检测，本文主要研究了SLM工艺制备的40Cr13不锈钢沿Z轴方向的腐蚀性能。采用电化学法中的三电极系统测试了材料的循环极化曲线。研究表明SLM工艺制备的40Cr13不锈钢循环极化曲线中没有出现明显的钝化区域，腐蚀形貌以点腐蚀为主，块体不同层面上自腐蚀电位、点蚀电位相差较大，其耐腐蚀性能不均匀。

通过X射线衍射、电子探针等设备对电化学腐蚀后的微观形貌、相组成、元素分布进行了测试，结果显示SLM工艺制备出的40Cr13不锈钢中存在M₇C₃相，该碳化物的存在可能是SLM制备不锈钢耐腐蚀性能较传统不锈钢低的原因之一。

关键词：选择性激光熔覆；40Cr13不锈钢；循环极化曲线；微观形貌

Abstract

Selective laser melting (SLM), a new addictive manufacturing technology, is used to fabricate metallic parts of complex structures directly by the means of applying high-energy laser beam on metal powers. When the SLM process is used to fabricate metal molds, a shortened cycle of process, an increased forming efficiency and a decreased manufacturing cost are achieved. The forming mold shows excellent mechanical properties and fine dimensional accuracy.

The 40Cr13 stainless steel by SLM process has not been widely used, this paper is mainly focused on the corrosion behavior of 40Cr13 stainless steel along the Z-axis through SLM process. The cyclic polarization curves of the materials are characterized by a three-electrode system in the electrochemical method. The results indicate that there is no obvious passivation region in the cyclic polarization curve of 40Cr13 stainless steel prepared by SLM process. Corrosion morphology is mainly resulted from point corrosion. Since the differences of corrosion potential and pitting potential are large, its corrosion resistance varies in different layers of the bulk sample.

The microstructure, phase composition and element distribution of the electrochemical corrosion are measured by X-ray diffraction and electron probe. The results show that there are M₇C₃ phases in the 40Cr13 stainless steel prepared by SLM process. The presence of the carbide may be one of the reasons that cause the corrosion resistance of the SLM stainless steel lower than that of the stainless steel fabricated by conventional methods.

Key words：Selective laser melting;40Cr13 stainless steel;cyclic polarization curves;microstructure

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1. 研究背景及目的 1

1.2. 选择性激光熔覆（SLM）技术概述 2

1.2.1. SLM工艺成型质量的影响因素 2

1.2.2. SLM工艺的优势及其应用 4

1.2.3. 目前SLM工艺存在问题及研究现状 5

1.3. 40Cr13不锈钢及其耐腐蚀性能 6

1.3.1. 40Cr13不锈钢的化学成分及物理性能 6

1.3.2. SLM工艺制备40Cr13不锈钢 6

1.3.3. 40Cr13不锈钢的腐蚀行为分类 7

1.4. 研究内容及意义 7

第2章 实验内容 8

2.1. 实验方案 8

2.2. SLM工艺制备40Cr13不锈钢 9

2.2.1. 材料及设备 9

2.2.2. SLM工艺原理 11

2.2.3. 40Cr13不锈钢块体成型及处理 12

2.3. 电化学腐蚀实验 13

2.3.1. 实验材料及设备 13

2.3.2. 循环极化曲线测试原理 14

2.3.3. 循环极化曲线测试过程 14

2.4. 材料测试所用设备 15

2.5. 本章小结 16

第3章 结果分析 17

3.1. 循环极化曲线结果分析 17

3.2. 电化学腐蚀后的40Cr13试样的显微形貌 20

3.3. 电化学腐蚀后的40Cr13不锈钢XRD测试结果 23

3.4. 微观形貌及元素分布 23

3.5. 本章小结 32

第4章 结论及展望 33

参考文献 34

致谢 40

绪论

研究背景及目的

3D打印又被称为增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术，是指通过逐层增加材料的形式将数字模型加工成三维实体物件的过程，有望成为一种彻底改变产品成型的制造加工方式^[3]。80年代末，工业设计师开始通过利用3D打印技术制作构件原型，并对其功能以及实用性等相关的问题进行了评估。在90年代后期和20世纪初，随着技术的改进， AM技术开始被用于生产最终部件，可应用这项技术的金属材料越来越多。该技术对航空航天^[4]、车辆^[5]、医疗^[6]和电子设备^[7]等核心产业的发展有着创新性的推动作用。在世界范围内，这项数字化制造工艺经过多年的技术革新已近发展成一个比较完善的技术体系，应用范围不断扩大，相关产业链已初步成形，市场规模不断壮大。在过去的几年里，增材制造产业在世界范围内的市场收入逐年增长，2014年，全球增材制造产业收入高达41亿美元，2015年该产业收入达到52亿美元，到2016年的收入则达到了159亿美元。增材制造产业被顶级报刊《经济学人》认定为是一项会成为第三次工业革命推动者的新兴产业^[8]。近年来，国内的增材制造产业也日趋成熟，市场收入在过去的四年里持续增长，初步形成了产业链和产业集群^[9]。目前，中国的增材制造工艺的发展及技术推动集中于北京、湖北、江苏等产业群^[10]。中国政府也大力支持该技术的进一步发展，李克强总理将3D打印技术列为重点发展项目，各相关部门出台了支持该技术发展的政策^[11]。

作为增材制造技术中的一类，选择性激光熔覆（Selective Laser Melting,SLM）工艺是一种新型的成型方式，通过激光束快速熔化金属粉末并获得连续的熔道，可以直接获得所需金属部件^[12]。SLM工艺成型材料多为单组分金属粉末，包括镍基合金、钛基合金、钴-铬合金和贵重金属等。SLM工艺凭借着可一步成型复杂结构零件，且成型零件表面质量高、致密度大的独特优势，解决了传统成型工艺中的许多困难。如在塑料模具钢材料中，由于硬度低的材料表面粗糙度大容易使成型的塑料产品外观达不到要求，而硬度大的材料以传统方法难以实现加工出多孔的形状，如能够将SLM工艺用于塑料模具钢材料的制造，便可以实现在提高产品质量的同时降低生产的成本，并且可以为实现目前市场对模具精密化、多孔化等高性能的要求提供了强大技术保障^[13]。如注塑模具需要复杂的冷却管通道，传统的加工方式（如切割、放电等）进行加工制造时会受到加工方式、加工成本等方面的限制，并要求有一定的耐腐蚀性能。对水蒸气、碳酸盐及其他盐类有良好的耐腐蚀性且硬度较高的40Cr13不锈钢常被用于制造高质量的注塑模具。利用SLM技术来制造用于注塑模具的40Cr13不锈钢材料可以解决由于硬度高、部件结构复杂而带来的成型困难的问题，实验研究证明通过SLM工艺制备出的40Cr13不锈钢材料其相对密度超过99％，最高硬度达到50.7HRC，可以满足塑料在实际应用中的要求^[14]。由于模具在长期运转和保持过程中，容易生锈受蚀，而且随着塑料成型中添加各种成分，模具更容易受蚀，因此要求母材机体有较高的耐腐蚀性能^[15]，SLM工艺制备出的40Cr13不锈钢材料的耐腐蚀性能也是评定其能否更好的投入使用的一个重要指标。目前，SLM工艺制备的40Cr13不锈钢材料的腐蚀性能尚缺乏相关数据。因此，本次实验研究主要采用选择性激光熔覆（SLM）工艺来制备40Cr13不锈钢，并通过电化学腐蚀的方法测试其循环极化曲线研究其腐蚀性能。

选择性激光熔覆（SLM）技术概述

选择性激光熔覆（SLM）工艺，又称激光粉末床熔化工艺（ISO/ASTM 52900^[16]）也被商业命名为直接金属激光烧结（DMLS）。SLM工艺加工零件是一个从CAD数据准备到平台建设制造部件的过程。首先，将支撑部件及加工部件的单层层片CAD数据上传到生产部件的SLM工艺设备上，之后由放置在加工室的基板上的一层薄薄的金属粉末开始打印部件，根据生产数据，利用高能量密度激光熔化和融合选择的区域。当一层激光扫描过程完成时，平台将会降低一定的高度，同时由送粉系统把金属粉末往上送出并由铺粉机构重新铺设一层大约数十微米厚的金属粉末，继续用激光扫描形成新的表层，重复该过程，直到完全成型所需要的工件^[17]。

SLM工艺成型质量的影响因素

通过SLM工艺加工的零件致密度接近100%、尺寸精度在20~50μm、表面粗糙度可低至10~30μm，但这项工艺在材料的性能方面不能够完全满足需求，研究发现SLM工艺过程中影响构件致密化、微观结构和机械性能的因素大致可以分为两大类：粉末性质和工艺参数^[18-20]。研究这些因素对于进一步改进SLM工艺有着重要意义。