超声纳米晶表面改性对增材制造316L表面完整性和力学性能的影响

作     者：彭兰 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：叶畅

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光选区熔化 超声纳米晶表面改性 表面完整性 微观组织演变 力学性能 

摘      要：增材制造(Addictive Manufacturing,AM)技术,例如激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM),能够快速制造具有复杂几何形状的零件且可以减少材料的浪费和实现个性化生产。然而,增材制造零件普遍具有表面光洁度差、孔隙率高和存在残余拉应力的问题,这会对其宏观力学性能造成不利影响,因此需要对其进行合适的后处理。超声纳米晶表面改性(Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification,UNSM)是一种新兴的能在材料表面有效制备梯度纳米晶结构并引入有益残余压应力的表面强化技术。本研究采用超声纳米晶表面改性对激光选区熔化316L不锈钢进行后处理,研究了超声纳米晶表面改性对激光选区熔化316L不锈钢表面完整性和力学性能的影响及机理。结果表明,经过UNSM处理后,SLM 316L不锈钢的表面缺陷明显减少,表面粗糙度降低了90.5%(从5.4μm降低至0.5μm)。表面严重塑性变形导致的位错结构、孪晶、马氏体和剪切带的形成和演化使材料表层形成了梯度纳米晶结构。同时,处理后材料表层形成了深度约400μm的梯度硬化层和残余压应力层。梯度纳米晶的形成、表面光洁度和硬度的提高以及残余压应力分布的改善使得UNSM SLM 316L不锈钢的磨损率减小,磨损机制改变。更重要的是,UNSM处理导致的表面完整性改善明显抑制了疲劳裂纹的萌生和扩展,使得试样疲劳寿命显著提升。但由于应变诱发马氏体的形成,试样耐腐蚀性有所降低,可通过控制UNSM加工过程的温度来抑制马氏体相变的发生从而改善耐腐蚀性。因此,超声纳米晶表面改性能显著改善激光选区熔化316L不锈钢的表面完整性,从而有效提高其耐磨性和疲劳抗性,是一项有前景的增材制造后处理技术。